中化平原化工合成氨工段1#中置锅炉,壳体材质为16MnR,属Ⅲ类压力容器。该设备自1999年8月投入使用至今,从制造单位的出厂资料中可以看出,该锅炉单个筒节及封头做过消除应力热处理,但组焊完毕未做整体消除应力热处理。2010年5月,该厂检修时发现该锅炉壳程内部在液位以下的所有环缝上均产生了大量垂直于焊缝的裂纹,裂纹中间粗、两头尖,断续地从焊缝延伸到热影响区,最深裂纹位于筒体底部,深度已达壁厚的2/3以上,属典型的应力腐蚀裂纹。对材质进行现场分析,在筒节H1底部和气液分界线两处的母材上进行现场金相观察,可见珠光体加铁素体的16MnR组织,并未见到晶界开裂和晶粒内部产生微裂等现象。在筒节H1气液分界线以下的母材上,取样分别进行化学成分分析和机械性能实验,虽然该锅炉已投入使用11年,但材质并未劣化。
对该锅炉出现的应力裂纹进行原因分析,产生裂纹的主要原因有2点。
1.该锅炉自2006年6月份开始运行至今,一直未进行过排污。尽管进水水质化验合格,但随着使用年限的增加,锅炉中的水不断地蒸发,水中的Cl-和碱的浓度不断升高,形成应力腐蚀环境。
2.该锅炉出厂前,只进行了单个筒节的消除应力处理,未进行整体消除应力热处理,因此环缝处存在较大的焊接残余应力。
分析原因后,该厂对锅炉进行了如下修复措施。
1.用氧-乙炔焰割除焊缝及每侧100 mm范围的母材(封头及变径侧仅去除焊缝及热影响区),并加工成60°坡口。
2.用砂轮磨光机对所有坡口及每侧20 mm范围的母材进行打磨,要求坡口表面无熔渣,凹凸度≤1.5 mm。
3.对所有打磨部位进行100%MT,未发现分层、裂纹等缺陷。
4.由于原焊缝割除后,设备总长度缩短,所以,去掉原短筒节H3,新加1个长度1096 mm的筒节H3'(在该筒节下料时,板料应呈扇形,新加筒节H3'应为大小头,要求椭圆度≤10 mm,错边量≤3 mm,坡口形式同l)。同时,采用与筒节H3'相同批号的钢板下1副产品焊接试板(编号 SB2010-17),随H3'的纵缝一起焊接。
5.考虑到原筒节已经做过1次热处理,材料和焊接接头在热加工成型或热处理后强度有一定的下降,在母材强度富裕量不多的情况下,有时会导致其强度低于标准值下限。因此,利用去掉的筒节H3做一副产品焊接试板(编号 SB2010-18),采用与施焊产品相同的工艺及相同的焊材进行焊接。
6.焊接采用焊条电弧焊。先焊内缝,外缝碳弧气刨清根后,再进行焊接。焊条采用J507,在350 ℃下烘干2 h后,放入焊条保温筒中,随取随用。焊接内缝封底、内缝余层、外缝均采用电弧焊,焊材分别用Φ3.2 mm、Φ4.0 mm、Φ4.0 mm的焊条,焊接电流分别为90~110 A、160~180 A、170~190 A,电弧电压分别为22~24 V、23~25 V、23~25 V,焊接速度分别为6~8 m/h、7~9 m/h、7~9 m/h。焊完24 h后,对所有施焊焊缝进行100%MT,未发现表面裂纹等缺陷。
7.采用XXH-3005周向X射线探伤机对所有施焊焊缝进行100%探伤,结果全部符合JB/T 4730.2—2005Ⅱ级合格。
8.消除应力热处理。将设备整体连同2副产品焊接试板一起进行热处理。根据JB/T 709—2000《钢制压力容器焊接规程》规定,采取以下热处理工艺:中锅进炉时,炉内温度≤400 ℃;加热升温速度≤200 ℃/h;加热至600~640 ℃时,保温时间≥1 h;降温速度≤260 ℃/h;中锅温度降至400 ℃后出炉;在静止的空气中冷却至室温。
9.产品焊接后经试板机械性能实验,试板所代表的焊接接头的机械性能符合要求。
10.水压试验。根据图纸要求,壳程水压试验压力为3.125 MPa,保压30 min后,压力不降,水压试验合格。
该中置锅炉自修复后至今运行正常,对中置锅炉应进行整体焊后消除应力热处理,中置锅炉应经常排污,同时对水质应进行跟踪化验,确保水质中的碱及Cl-含量不超标。