摘 要：针对高压蒸汽透平进汽系统焊缝开裂失效的问题,从金相微观组织形态、断口形貌、成分分布等方面进行分析,同时结合理化性能试验结果,确定了导致焊缝裂纹产生和扩展的机理,认为焊缝开裂的主要原因依次为高温蠕变、疲劳损伤、过高的应力、低的焊缝韧性以及焊接缺陷。针对上述焊缝开裂原因,采取优化透平进汽系统应力分布、改善焊接和热处理工艺、加强运行管控、采用先进的检测技术、优化检验等预防性策略,有效管控了高压蒸汽透平的运行安全风险。

关键词：焊缝 开裂失效蠕变 焊接工艺 风险

某公司合成氨装置2007年建成投用,其压缩机组的高压蒸汽透平进汽系统主体材质为12Cr1MoVG,设计压力为10.8 MPa,操作压力为9.7 MPa,设计温度为545 ℃,运行温度为 520 ℃。自2007年以来,先后出现7处共计9次焊缝失效开裂问题。焊缝失效开裂情况可分为3个阶段。第一阶段为2015年4月20日首次发现焊缝裂纹至2017年5月大修前发现6处8条裂纹。2017年5月装置大修期间,对高压蒸汽透平进汽系统所有焊缝进行了全面检验修复。第二阶段为2017年大修至2018年2月,再次发现1处裂纹,及时采取了带压堵漏措施,至装置停工检修,对泄漏段以及一处π形弯进行了部分更换。第三阶段为2018年10月高压蒸汽透平进汽系统修复至2019年10月大修前。

为了确定2015年以来发生的多处焊缝开裂的失效原因是否相同, 分别于2017年、 2018年两次取样进行失效分析。

1 失效原因分析

1.1 断口形貌、焊缝组织及裂纹分析

断裂表面均呈现明显的条状纹理,且具有高低起伏的形貌,据此可以判定,多层多道焊缝在靠近熔合线母材侧区域沿着熔合线方向断裂后形成了条形纹理。

显微组织结构如图1(a)～图1(c)所示。由图1(a)～图1(c)可见:母材的金相组织为贝氏体+少量铁素体,发生了一定程度的组织球化,贝氏体仍保留原有的区域形态,但内部的碳化物已经发生了分散球化;焊缝和热影响区为贝氏体+少量铁素体,但焊缝中铁素体呈网格状析出【1】。

图1 显微组织结构

观察焊缝完好位置的接头横截面熔合线附近微观结构,发现了大量平行于熔合线倾斜方向分布的裂纹等缺陷。SEM照片见图2。

图2 焊缝完好区域熔合线附近SEM照片

此外,靠近断口处存在多处裂纹群,如图3(a)～图3(b)所示。由图3(a)～图3(b)可见:裂纹群平行于断口方向断续分布,其中有的微裂纹开裂宽度已经比较明显。这些沿着断口分布的微裂纹与沿着熔合线发现的微裂纹,形态和分布相似,均为孔洞聚集形成的开裂。

图3 断口横截面附近平行于断裂方向的微裂纹

1.2 透平进汽系统受力分析

根据压缩机组竣工图及现场情况对进汽系统受力情况进行调查分析发现,现场管托、支吊架等局部有偏移,同时也存在支架型号、安装部位等与设计图纸不符的情况,说明原设计补偿量判定基准偏小。

高压蒸汽透平投用了10多年,期间开停车近90余次,现场部分隔热层沉降、弹簧支座失效,造成进汽系统局部应力过大和高温膨胀后不能复位。

1.3 压缩机组透平进汽系统焊缝失效原因分析

通过上述对焊缝的宏观和微观检查以及对裂纹形貌等进行的实验分析,同时结合现场透平进汽系统的运行状况,判定失效原因主要有以下几个方面。

1.3.1 高温蠕变及疲劳损伤的主要影响因素

高温蠕变及疲劳损伤的主要影响因素有以下几个方面:

1) 进汽系统长期在高温高压下运行,高温蠕变导致焊缝沿着靠近熔合线母材侧断裂,在断口表面形成了明显的高低起伏的条状纹理。焊接接头粗晶区韧塑性差,蠕变损伤在该特征区域形成大量的孔洞,沿着晶粒的边界呈链状分布,孔洞聚集产生微裂纹【2】。

2) 装置建成投产初期运行不稳定,开停车频繁,温度和压力的交变产生疲劳损伤。

3) 12Cr1MoVG 材料的微观组织随运行时间的延长发生珠光体组织的球化、形成碳化物、产生蠕变孔洞及裂纹等导致材料的性能降低。

1.3.2 焊接质量的影响

随机切割焊缝试样6个,其中4个试样的表面都发现了肉眼可见的宏观孔洞,且发现焊缝焊趾位置存在咬肉等缺陷。

材料及焊接接头理化性能试验结果表明,母材性能符合标准要求,接头强度较高,但焊缝硬度较高,韧性不满足相关标准的要求【3】。

1.3.3 进汽系统应力的影响

现场管托、支吊架等局部偏移等情况表明,进汽系统存在局部应力过大的问题,隔热层发生破裂或磨损,受损的隔热托架失去约束作用,透平进汽系统高温膨胀后不能复位。

2 焊缝失效修复方案及优化

2.1 重点和难点分析

焊缝失效修复方案及优化的重点和难点有以下几点:

1) 高压蒸汽透平进汽系统修复项目焊接量大,预制焊口数量达74道,占总焊口数(110道)的67%,剩余36个固定焊口在装置现场完成。

2) 焊接质量要求高。焊前预热、层间温度控制和热处理要求高,对焊工技能要求高。

2.2 实施方案

2.2.1 焊接工艺及实施

焊接坡口形式设计为双V形坡口,如图4所示。

图4 坡口形式

材料切割及坡口加工采用机械加工方式,加工后的坡口在组对前应进行打磨,并进行渗透(PT)检测,确保坡口无裂纹及其他缺陷。

12Cr1MoVG属于Cr-Mo珠光体耐热钢,具有较高的淬硬倾向,焊前应将焊件均匀地加热到所要求的预热温度。另外应考虑在施焊过程中采取预防变形的措施。

焊接工艺如下:坡口制备—预热—焊口组对—手工钨极氩弧焊打底—手工电弧焊至20 mm厚—后热—射线检测—预热—手工电弧焊盖面至焊缝42 mm厚—热处理—检验检测。其中,手工钨极氩弧焊打底2遍,焊缝厚度约4 mm;然后手工电弧焊焊接至焊缝厚度20 mm,立即进行后热处理,放置24 h后进行100%射线检测,射线检测合格后,重新预热,之后完成手工电弧焊盖面,然后立即进行热处理,24 h后再进行100%超声波衍射时差法(TOFD)检测。

1) 预热、组对及焊接

组对前,应清理坡口面及两侧母材外表面不小于20 mm范围内的杂质。

组对定位后,应检查坡口间隙、严格控制焊缝内壁错边量,采用电加热法预热,并合理控制预热范围。每一道焊缝的打底焊应一次完成,对任何可见性缺陷及不规整的焊缝,都应修磨清理。焊接必须采用多层多道焊接(手工钨极氩弧焊打底、焊条电焊多层填充加盖面,见图5),其中打底为2层,填充及盖面共约11层,即每层填充厚度不得超过4 mm,宽度不超过12 mm。应严格控制每层厚度以及焊道宽度,每层焊道接头应错开。图5中φ为焊条直径(mm),δ为管道壁厚(mm)。

图5 焊层焊道示意

每道焊缝完成后必须进行自检、清理,尤其注意清理接头及焊道两侧,发现外表成形不好的马上补焊;焊接时引弧点应在两定位焊之间,收弧时将弧坑填满,并用砂轮机将收弧处修磨平整;填充焊除特殊原因外不得随意中断焊接,如须中断,应立即进行后热,后续焊接应进行焊前预热。

2) 后热处理和根部无损检测

后热处理应在停焊后立即进行,加热温度为300～350 ℃,保温2 h,在保温条件下自然冷却。焊缝根层是容易产生缺陷的部位,在焊接至20 mm厚时应对根层进行一次无损检测,保证根部的焊接质量。

2.2.2 热处理

1) 预热及后热温度计算

焊前预热要选择合适的预热温度。依据SH/T 3520—2015和DLT 869—2018的有关规定,12Cr1MoVG预热温度区间为200～300 ℃,考虑到施工时处于夏季,预热温度取值为220 ℃。焊接中因故无法避免中断,或为保证焊接质量采取焊后先检测再热处理的方式时,必须进行后热处理。及时的后热处理可以有效地防止冷裂纹。后热处理温度不得高于该材料的高温回火温度,不得低于其延迟裂纹发生温度区间上限。GB/T 5310—2017中规定12Cr1MoVG回火温度为720～760 ℃,经验公式计算其延迟裂纹区间上限为170 ℃,而SH/T 3520—2015中推荐后热温度区间为200～300 ℃,考虑壁厚较大,取后热温度为300 ℃。

2) 热处理参数

焊缝热处理温度为720～750 ℃,保温2 h。自由升温至300 ℃后,升温速度不大于120 ℃/h, 降温速度不大于150 ℃/h ,300 ℃后自由冷却,热处理曲线如图6所示。加热带宽度为焊缝中心两侧各260 mm。图6中T为热处理加热温度。

图6 热处理曲线

3) 硬度检测

热处理后应做硬度值检测。每个焊口不少于3处,每处5点,具体为焊缝1点、双侧热影响区各1点(共2点)、双侧母材各1点(共2点),要求布氏硬度≤241 HB,且不低于母材硬度的90%。

2.2.3 焊缝外观检验及无损检测

外观检查应在无损检测之前进行。焊缝表面应成形良好,宽度盖过边缘2 mm,外形平缓过渡,不允许有飞溅、夹渣、气孔、裂纹、咬边等缺陷。错边不大于3 mm。焊缝余高不得大于3 mm,焊肉不得低于母材表面。热处理完成24 h 后进行100%TOFD、超声(UT)、磁粉(MT)、硬度(HT)等无损检测。

2.2.4 焊缝返修

当检测发现焊缝中存在超标缺陷时,应进行返修。返修前应先根据检测结果来确定缺陷类型(气孔、夹渣、未熔合等)以及返修方案并严格执行焊接工艺和检验策略。

3 透平进汽系统运行维护预防策略

运行维护是设备全寿命周期中重要的一环。制定并落实高压蒸汽透平的预防性策略,对延长高压蒸汽透平进汽系统的使用寿命,降低压缩机组的安全风险有着重要的意义。

3.1 强化进汽系统的状态监测

在应力较大处设置膨胀位移监测点。操作人员定期对标尺读数进行抄录。技术人员重点关注开车、阶段升温、停车降温后的位移数据变化。对于位移超标、降温后不能复位的情况进行原因分析并采取相应措施,避免因管托、支吊架、保温等失效导致进汽系统应力变化超出设计范围的情况发生。

3.2 透平运行环境的监测

落实“管设备要管设备运行环境”的要求, 重点关注高压蒸汽透平开停车期间的暖管、 排凝、 升温、 降温操作情况以及运行温度、 运行压力等工艺指标控制情况, 严禁超温超压。当发生非计划停工,蒸汽系统异常波动等情况时, 应及时对π形弯、 支吊架、 法兰、 阀门、 三通等部位进行检查记录, 并调整相应高压蒸汽进气系统的检验方案。

3.3 优化透平进汽系统的预防性检验策略

高压蒸汽透平进汽系统的检验,除了满足法规要求的外部宏观检验、壁厚测量、无损检测、硬度测量及金相分析等检验项目和抽检比例外,还需按照中石化《在用高压蒸汽管道检验导则》开展检验。重点对回形弯等应力较大部位的焊缝以及检修中TOFD检测二级合格的焊缝进行复检(抽查),通过比对大修竣工验收时的TOFD影像资料判定缺陷有无明显变化,且须经磁粉、硬度、超声等检测合格。

4 结语

蒸汽透平进汽系统应重点关注焊接、安装质量管控、系统应力变化、检验检测策略优化等方面,避免因焊接缺陷、管道应力变化导致材料的高温蠕变损伤加速。主要措施如下:

1) 落实高压蒸汽透平全寿命周期管理。对设计、材料采购、安装、运行管控、检维修等环节都应制定并落实相应的优化措施。

2) 不断完善透平进汽系统的定时性事务和预防性工作策略,对副线、管托、支吊架、导淋等部位进行定时检查记录。

3) 优化预防性检维修策略。及时制定落实ITPM(检验检测及预防性维护)计划,可考虑定期开展高压蒸汽透平系统的基于风险评估的设备检验技术(RBI)工作,优化检验策略,合理降低设备运行风险。

4) 加强压缩机组运行管控,防止超温超压及违反工艺操作程序等情况出现。加强对工艺异常波动的监控与处理。

5) 可考虑引进状态监测系统。国内有研究机构已研发了一种针对蒸汽系统的高温蠕变监测方法,通过在高压蒸汽系统上预制高温应变片,实现对材料蠕变的快速、准确监测。

关于召开2024年第十届石化设备运维管理与检修技术大会

参会咨询：超级石化

随着我国石化工业迅猛发展，部分早期建设的石化装置已运行较长年限，设备疲劳、管道老化、系统故障率上升等问题逐步显现，生产稳定性、设备可靠性逐年降低，安全风险增大，近几年已引发多起事故。开展老旧装置安全风险防控专项整治，提升设备运行管理、智能化运维、检维修技术提升、设备管理人员安全培训，是全面保障石化行业设备长周期运行的重要举措，是统筹好发展和安全、坚决遏制重特大事故的必然要求。

以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，深入贯彻党的二十大精神和习近平总书记关于安全生产的重要论述，认真落实全国安全生产电视电话会议部署和安全生产治本攻坚三年行动方案安排，突出重大安全风险防控，坚决淘汰一批、退出一批、更新改造一批安全风险高的老旧装置设备，有效提升石化企业本质安全度，真正从根本上消除事故隐患、从根本上解决问题，有效遏制重特大事故发生。为实现设备“安稳长满优”运行，推动石化企业设备管理与“智慧+预知性维修”深度融合、协同发展，搭建石化企业与设备预知性维护、智慧运维、老旧装置设备改造升级、设备国产化、大修管理、检修服务供应商交流合作平台，促进石化行业设备管理与检维修技术进步，中国石油和石化工程研究会联合各方拟定2024年11月6-8号江苏南京继续召开“2024第十届石化设备运维管理与检修技术大会”。

大会将邀请炼油化工、石化、煤化工、化工企业设备管理部门、科研机构、智慧运维、设备预知性维护、故障诊断、建安检维修、设备制造等企业，紧紧围绕“拥抱“智慧+预知性维修”新时代：推动设备运维质量、效率和动力变革”为主题，组织石化行业设备专家就目前设备管理体系建设、设备完整性管理、先进技术应用、热点难点问题、检维修管理、在建项目设备选型和监造验收、设备风险识别与控制、设备运行KPI指标对标等进行深入交流、研讨，力求达到行业信息共享、技术共享、经验共享、资源共享，结合我国石化行业发展新质生产力，促进数字经济和实体经济深度融合，提高石化企业设备管理完整可靠性、提升专业技术水平、筑牢本质安全基础，打造数字化、网络化、智能化工厂。

参会咨询：超级石化

拥抱“智慧+预知性维修”新时代：推动设备运维质量、效率和动力变革

主办单位：

中国石油和石化工程研究会

协办单位：

中国职业安全健康协会

中国特种设备安全与节能促进会

中国设备监理协会

中国石化生产经营管理部

中国国际科技促进会炼油与石化专业委员会

中机维协石油石化建安检维修分会

中国石油化工集团石油化工设备防腐蚀研究中心

中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心

石油化工设备维护与检修网

青岛石化检修安装工程有限责任公司

恩纳湃克（江苏）工业设备有限公司

支持单位：

中国石化炼油事业部

中国石化化工事业部

中国石油炼油化工和新材料分公司

中海石油炼化有限责任公司

中国中化能源股份有限公司

国家能源投资集团有限责任公司化工事业部

中国石化扬子石油化工有限公司

中国石化金陵石化公司

中国石化南京化学工业有限公司

中石化南京工程有限公司

中国石化南京阀门供应储备中心

重点关注内容

1.国内外石化装置长周期运行发展现状与展望；

2.转动设备全过程运维管理及“智慧+预知性维修”应用成果；

3.大型石化企业设备健康管理探索与实践；

4.老旧装置超设计使用年限服役承压设备管理对策与思考；

5.特种机泵：螺杆机、真空压缩机、屏蔽泵等检修运维技术；

6.石油化工装置、管廊、罐区腐蚀防护与隔热保温；

7.液压工具、法兰扭矩及法兰连接完整性管理；

8.石化企业设备润滑油选用及智能润滑技术；

9.石化企业装置零泄漏密封技术（机械密封、干气密封、垫片等）；

10.石化企业大型装置、厂区管廊运维数字化转型、无人化升级方案，巡检机器人、火情侦测与消防机器人、无人机等新型技术的应用；

11.现场仪表、控制阀、泄压阀、安全阀、阻火器、过程分析仪表、DCS、

FCS等检修运维技术；

12.石化企业控制系统、关键设备国产化进展；

13.石化企业罐区在役老旧改造优化（原油储罐安全预警、雷电预警装置、内浮顶选型、消防安全、罐顶腐蚀、爬壁机器人、油罐浮盘密封、水力、抛丸等除锈等）；

14.石化典型转动设备改造升级应用案例及相关技术；

15.石化大型机组备品配件国产化、核心部件修复、修造；

16.可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在石化企业安全改造中的应用；

17.石油化工高端阀门国产化及特阀运检服务；

18.石化企业运维检修新技术、新工艺、新方案及压缩机、烟气轮机、反应器、换热器、控制系统、工业泵、阀门、密封件与材料、仪器仪表、电气设备、分析仪器、新材料、核心部件、5G工业设备、智能巡检终端设备、机器人、技术改造、检维修工具、监测检测技术及装备、风险评价与完整性管理、应急抢修技术及装备、智能化等国产化技术应用。

拥抱“智慧+预知性维修”新时代：推动设备运维质量、效率和动力变革

拟邀请代表：中石化、中石油、中海油、延长石油、中化、国家能源、地方炼化下属企业设备管理、物资采购、电气仪表、机动处、设备处相关负责人、技术专家。国内外技术、设备、电工电气、仪器仪表、控制系统、信息技术供应厂商。

大会时间安排

11月7号：（全天）开幕式及全体大会，特邀领导、专家主旨演讲。

11月8号：（上午）分论坛

分论坛一：石化企业转动设备升级改造与智能运维论坛；

分论坛二：石化企业设备运行管理与检维修新技术应用论坛；

分论坛三：石油化工高端阀门国产化及特阀运检服务论坛。

11月8号：（下午）参观交流（扬子石化或者金陵石化）。

联合主办、协办、专题演讲、参展、参会等事宜请垂询：超级石化

关于召开2024年（第二届）炼油与石化仪表控制技术大会

根据新时代新征程高质量发展的新要求，炼油与石化行业和广大企业正在通过实施创新驱动战略，推动炼油与石化产业加快绿色低碳和数字化转型、高质量和可持续发展，智能炼化、智能工程、智能储运及销售的智慧化转型已成为行业的必然趋势，自动控制系统、自动化仪器仪表作为智能炼化的基础和前提，在炼化行业中的作用更为突出。为搭建行业解读国家相关部门政策、法律法规、标准规范，解答疑点、难点、热点等技术问题平台，中国国际科技促进会炼油与石化专业委员会联合中国化工学会智能制造专业委员会共同主办，中国石化集团公司自动控制设计技术中心站、全国化工自动化及仪表信息站、中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心、中国职业安全健康协会防火防爆专业委员会协办，拟于2024年11月19-21日在山东淄博召开“2024年(第二届)炼油与石化仪表控制技术大会”。

参会咨询：超级石化

参会咨询：超级石化

大会将紧紧围绕“安全·可靠·智能·创新”主题，推广应用新技术、新方法、新成果和新产品，引领行业和企业管理与科技进步，推动全过程一体化管控，提升数字化车间、智能工厂、设备智能化运维、仪控设备老旧升级改造等示范标杆引领，强化工业互联网赋能促进炼油与石化产业及相关仪表控制技术创新健康、有序、高质量发展。诚邀各炼油、石化、煤化工、化工企业生产企业设备管理部门、仪控中心及建安检维修、技术服务、仪表控制供应厂商积极参与。

安全·可靠·智能·创新

主办单位：

中国国际科技促进会炼油与石化专业委员会

中国化工学会智能制造专业委员会

协办单位：

中国石化集团公司自动控制设计技术中心站

全国化工自动化及仪表信息站

中国石油安环院炼化设备技术研究与服务中心

中国职业安全健康协会防火防爆专业委员会

特邀单位：

中石化宁波工程有限公司

中国石化工程建设有限公司

中石化广州工程有限公司

中石化南京工程有限公司

中石化上海工程有限公司

中国寰球工程有限公司

中石油华东设计院有限公司

中国石油集团东北炼化工程有限公司

中石化安全工程研究院过程安全研究所

山东东明石化集团有限公司

滨化集团股份有限公司

山东汇丰石化集团有限公司

山东海科控股有限公司

正和集团股份有限公司

万华化学集团股份有限公司

利华益集团股份有限公司

富海集团新能源控股有限公司

媒体支持：

《石化技术》编辑部

《石油化工自动化》杂志

《化工自动化及仪表》杂志

超级石化公众号

重点关注内容

1. 炼油与石化企业仪表控制技术未来发展趋势；

2. 炼化、煤化工、化工企业仪控设备运维的数智化实施路径；

3. 智能化、数字化、自动化仪器仪表产业的发展现状；

4. 分析、检测、控制仪器仪表的发展现状及未来展望；

5. 新建大型炼化一体化、煤化工设备及仪器仪表选型；

6. 炼化、煤化工、化工企业“智能工厂”、数据采集、设备在线监测、先进控制系统、过程优化、过程安全、可视化、通信、安全、节能、环保、优化控制、数据分析与智能决策等关键技术；

7. 炼化、煤化工生产过程所需关键仪表自控系统及应用，包括重要现场仪表（安全仪表、流量计、压力仪表液位计、物位仪、温度仪表、执行器等）；

8. 安全仪表系统（SIS）、现场仪表、控制阀、执行器、自动控制系统、APC先进过程控制系统、DCS控制系统在炼化、煤化工装置上的应用及国产化介绍；

9. 国内外生产的检测、监测仪表、分析仪表、控制仪表在炼化、煤化工企业的应用比较；

10. 可燃有毒气体泄漏检测、报警系统、火灾监测与预防系统在炼化企业安全改造中的应用；

11. 炼化、煤化工工程数字化设计、数字孪生、数字化交付、数字化智能化工厂实践、施工管理、智能化建造、运营管理经验介绍；

12. 储运罐区仪表及控制系统的国产化应用；

13. VOCs治理、烟气合规排放、污水处理、污泥处理等环保设施的控制监测、仪表选型；

14. “绿电”、“绿氢”等新能源生产、储存设施自动控制、仪表选型及应用；

15. 动设备状态监检测、故障诊断与预维护技术；

16. 仪控先进设备、国产化、先进控制系统及软件、智能化、应用案例、检维修等；

17. 控制阀、调节阀、特殊阀门的关键技术及国产化应用；

18. 压缩机组改造升级、控制及保护系统国产化；

19. 炼化厂区管廊泄漏检测系统国产化应用中的难点；

20. 在线分析仪表的发展水平及国产化方向；

21. 炼化、煤化工、化工企业仪控老旧设备更新与安全改造升级；

22. 高效环保一体式阻火呼吸阀和紧急泄压阀；

23. 循环水中泄漏工艺介质在线检测与智能溯源系统；

24. 炼化、煤化工、化工企业ERP、DCS、MES、APC、PCS、SCADA、SIS、FGS、PLC、现场总线控制系统、现场仪表、控制阀、过程分析仪表、无人机、机器人、无线通信数字防爆对讲机、自动化控制仪器仪表、流量仪、测控仪器、分析仪器、新产品、新技术、新应用。

安全·可靠·智能·创新

参会代表：中石化、中石油、中海油、中化、国家能源及延长石油、浙石化、扬巴、中沙、鲁西、伊泰、东明石化、恒力石化等中央、地方、民营及合资炼化、石化、煤化工、化工企业生产管理、仪表自控、安环计量、设备管理、信息技术相关负责人免会议费；国内外技术、设备、仪器仪表、控制系统、信息技术供应厂商。

大会时间安排

11月20号：（全天）开幕式及全体大会，特邀领导、专家主旨演讲。

11月21号：（上午）技术宣讲。

联合主办、协办、专题演讲、参展、参会等事宜请垂询：超级石化