高含硫厚壁塔器返修性能评价技术研究_李杰.pdf

设备运维136|2023年03月0 引言国内某天然气净化厂以高含硫天然气为原料，H2S和 CO2平均含量 14%(体积分数)、8%(体积分数)，采用MDEA 法脱硫、TEG 法脱水、常规克劳斯二级转化法硫磺回收、加氢还原吸收尾气、单塔低压汽提酸水的工艺路线。每套联合装置的天然气净化能力为 230010 m3/d，6 套联合装置年净化天然气 120108 m3，年产净化气95108 m3，年产硫磺 240104 t1。一级主吸收塔(C-101)为高压高厚壁复合钢厚壁塔器，属关键核心设备，为类压力容器，介质为高含 H2S 原料气和胺液；塔内径3 700 mm，高度22.3 m，共 12 台；设计压力 9.1 MPa，最高工作压力 8.3 MPa，设计温度160；筒体材质为SA516Gr70N+堆焊 316L，壁厚 128+4.5 mm；封头材质与筒体相同，厚度 74+4.5 mm。共有 12 台主吸收塔，于 2009 年至 2010 年陆续投入使用。1 设备缺陷及修复某 套 装 置 一 级 主 吸 收 塔(C-101)在 2014 年 与2016 年定期法检中，如图 1 所示，筒体焊缝部位同一条焊缝(A10)连续两次发现埋藏超标缺陷，不符合 TSG 212016 固定式压力容器安全技术监察规程 的要求，定期检验达不到安全定级标准，后组织经历两次返修，如表 1 所示。焊缝及母材经多次焊接热输入和消应力热处理。若再进行返修、热处理，热处理将超过该设备设计给定时间，材料母材性能和焊缝性能无法保障。为此，本文开展了关于焊接热输入和消应力热处理对母材和焊缝性能影响研究，重点对该主吸收塔多次返修可行性进行评价。表1 某套装置一级主吸收塔(C-101)焊缝A10返修情况返修时间裂纹长度/mm埋藏深度/mm热处理方法第一次返修2014.520.246.074101局 部 热 处 理，610 3.0 h第二次返修2016.6182469.1110整 体 热 处 理，620 4.5 h2 某套装置一级主吸收塔(C-101)可维修性能评价2.1 试样检测及切割在一级主吸收塔(C-101)焊缝 A10 经历两次返修、热处理的重叠部位进行取样(2019 年检验未发现裂纹)。对 A10 处截取的试样(直径约 430 mm)进行宏观检查，发现外表面无明显氧化、腐蚀、机械损伤等痕迹。依据NB/T 47013 要求，对原始焊缝无损检测，采用超声检测进行检测，检测结果为对接焊缝中未发现裂纹、未熔合高含硫厚壁塔器返修性能评价技术研究李杰(中国石化达州天然气净化有限公司，四川 达州 636156)摘要：某天然气净化厂一级主吸收塔(C-101)为高厚壁复合钢厚壁塔器，定期检验中发现某套联合装置一级主吸收塔(C-101)筒体同一条焊缝多次发现埋藏缺陷，分别进行了返修。若再进行返修、热处理，热处理将超过该设备设计给定的时间，材料母材性能和焊缝性能无法保障。通过开展该设备试件取样及新材料返修性能对比评价研究，认为返修次数对材料拉伸性能较为敏感，随着返修次数增加，筒体材料、新材料屈服强度、抗拉强度均下降，不满足标准要求。关键词：净化装置；主吸收塔；埋藏缺陷；返修性能中图分类号：TQ05 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)09-0136-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.09.038Research on the Repair Performance Evaluation Technology of High-sulfur Thick-wall Tower Crane LI Jie(SINOPEC Dazhou Natural Gas Purification Co.,Ltd.,Dazhou 636156,China)Abstract:The primary main absorber(C-101)of a natural gas purification plant is a thick wall composite steel thick wall tower.In regular inspection,the cylinder of a primary main absorber(C-101)was found in the same weld,and was repaired respectively.If further repair and heat treatment are performed,the heat treatment will exceed the time given by the design of the equipment,and the performance of the material base material and the weld seam cannot be guaranteed.Through the sampling of the equipment and the comparative evaluation of the repair performance of the new material,it is considered that the number of repair is sensitive to the tensile performance of the material.With the increase of the number of repair,the yield strength and tensile strength of the cylinder material and the new material all decrease,which do not meet the standard requirements.Keywords:purification device;main absorber;buried defects;repair performance2023年03月|137等缺陷，符合 NB/T 47013.32015 中级要求。试样经检测无缺陷后，对其进行切割，将截取的圆形试板切割为三部分：第一部分直接进行性能检测；第二部分追加一次返修、热处理后进行性能评价；第三部分追加二次返修、热处理后进行性能评价。2.2 试样返修工艺截取的试板需研究评价试板再次返修后的各项性能，对剩余材料进行模拟返修。返修时焊缝坡口形式为“U”型，成型后配合宏观检查、无损检测，保证坡口面无褶皱、裂纹等缺陷，同时清除焊缝两侧距坡口边缘约20 mm 处的铁锈、油污等。返修时对板材背面进行预热，正面测量，预热温度不低于 150；采用手工电弧焊焊接；返修后立即进行消氢处理 250300，保温 2 h，再进行焊后消应热处理(热处理温度 610635，保温4 h)。返修后，依据 NB/T 47013.32015 的要求，对返修焊缝采用超声检测对焊缝进行无损检测，未发现裂纹、未熔合等缺陷，符合 NB/T 47013.32015 级要求。2.3 理化性能检验 2.3.1 化学成分分析 依据 GB/T 4336 和 GB/T 11170 的要求，对原材料母材、焊缝金属和堆焊层化学成分进行分析，原材料母材试板化学元素(C、Si、Mn、Cu、Ni、Cr、Mo、P、S 等)符合 ASME SA-20/SA-20M压力容器用钢板通用要求 及 ASME SA-516/SA-516M中、低温压力容器用碳钢板 中 70 级钢的要求；焊缝金属化学元素(C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Mo 等)符 合 GB/T 51172012非合金钢及细晶粒钢焊条 中 E5015 的要求；堆焊层金属化学成分(C、Si、Mn、S、P、Cr、Ni、Mo等)符合GB/T 9832012 不锈钢焊条 中316L的要求。2.3.2 拉伸性能测试 依据 GB/T 228.12021金属材料室温拉伸试验方法 的要求对材料拉伸进行检验，选用圆棒型拉伸试样(每组 3 个)，一次返修试板母材屈服强度 RP0.2均值为 248 MPa，二次返修试板母材屈服强度 RP0.2均值为256 MPa，小于 260 MPa 的标准值(SA516Gr70N)。一次返修试板母材抗拉强度 Rm均值为 436 MPa，二次返修试板母材抗拉强度 Rm分别为 442 MPa，小于 485 620 MPa的标准值(SA516Gr70N)。所以，一次返修试板母材、二次返修试板母材拉伸力学性能低于 ASME SA-516/SA-516M 中 70 级钢的要求标准要求。一次返修试板焊缝、二次返修试板焊缝屈服强度 RP0.2均值大于 260 MPa 的标准值(SA516Gr70N)。但一次返修试板焊缝抗拉强度 Rm均值为 477 MPa，二次返修试板焊缝抗拉强度 Rm均值为 461 MPa，小于485620 MPa 的标准值(SA516Gr70N)。所以一次返修试板焊缝、二次返修试板焊缝拉伸力学性能低于 ASME SA-516/SA-516M 中 70 级钢的要求标准要求。2.3.3 冲击性能测试 依据 GB/T 2292020金属材料夏比摆锤冲击试验方法 的要求对试样的冲击性能进行检验，试验结果(-20 )表明，原始焊接、一次返修、二次返修的母材、焊缝、热影响区部位冲击韧性满足标准要求(GB 7132014锅炉和压力容器用钢 中 Q345R 大于 34 J)。2.3.4 弯曲性能 依据 GB/T 26532008焊接接头弯曲试验方法要求，对返修试板弯曲性能进行检验，返修试板弯曲180后，拉伸面未发现裂纹性缺陷，弯曲性能合格。2.3.5 硬度测定 依据 GB/T 4340.12009金属维氏硬度试验 第 1部分：试验方法 要求，对焊接试板硬度进行检验，筒体材料原始状态热影响存在回火马氏体，硬度偏高(约268HV10)；一次返修、二次返修焊接接头其余部位硬度满足标准要求。2.3.6 金相组织检验(1)宏观金相检验：检验面垂直于焊缝，试样经磨制、抛光及 10%硝酸水溶液腐蚀，在 10 倍放大镜下观察，试板焊接接头未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷。(2)非金属夹杂物检验：焊缝非金属夹杂物级别均小于 2.5 级，满足技术要求。(3)堆焊层金相组织检验：堆焊层显微组织均为奥图1 一级主吸收塔(C-101)焊缝布置及编号设备运维138|2023年03月氏体+铁素体，组织未见明显变化，组织正常。(4)焊接接头金相组织分析：经 4%的硝酸酒精溶液腐蚀，原始状态试板热影响区组织为铁素体+珠光体+回火马氏体+贝氏体。一次返修、二次返修焊缝组织均为铁素体+珠光体+贝氏体；一次返修、二次返修热影响区组织均为铁素体+珠光体+贝氏体；母材金相组织为铁素体+珠光体，组织正常。2.3.7 抗氢致开裂(HIC)性能检验依据 GB/T 86502006管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法 要求，试板上截取试样检验，原始对接母材、原始对接焊缝、一次返修母材、二次返修焊缝、二次返修母材、二次返修焊缝材料抗氢致性能均满足GB 7132014锅炉和压力容器用钢 中的标准要求，裂纹敏感百分比(CSR)均小于标准值 2%，裂纹长度百分比(CLR)均小于标准值 5%，裂纹厚度百分比(CTR)小于标准值 15%，且三项实测值及平均值都较小。2.3.8 晶间腐蚀分析将 100 g 纯硫酸铜(CuSO45H2O)溶解于 700 mL蒸馏水或去离子水中，再加入 100 mL 优级纯硫酸，用蒸馏水或去离子水稀释至 1 000 mL，配制成约 16%硫酸-硫酸铜溶液。敏化处理，650 保温 120 min，空冷。试验20 h，10 mm压头经180弯曲，用10放大镜检查，试样拉伸面均未发现裂纹。3 返修性能评价结果分析3.1 新材料的选择采购同牌号 SA516Gr70N、厚度约 130 mm 新材料进行多次返修后性能评价，评价方法与原一级主吸收塔(C-101)取样试件方法一