王步美1,王志成1,叶有俊1,王一宁1,赵建平2
(1.江苏省特种设备安全监督检验研究院,南京 210036;2.南京工业大学,南京 210036)
摘 要:某台服役年限超50a的加氢反应器环焊缝上存在5条裂纹和1处埋藏缺陷。采用连续 循环加载球压痕法得到材料的力学性能和断裂韧性,并从内壁挖取试样进行理化检验,发现材料的 显微硬度无异常,材料晶粒粗大,显微组织无变化,且韧性较好。依据 GB/T19624—2019标准,采 用平面缺陷的常规评定方法,同时考虑塑性失效和断裂失效两种机理,计算出5条裂纹和1处埋藏 缺陷的评定点均落在双判据法失效评定图的安全区域内。结果表明:该反应器能安全运行3a。
关键词:加氢反应器;超期服役;安全评定 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)10-0021-05
某公司在对铂重整装置 R501加氢反应器进行 定 期 检 验 时,首 次 采 用 了 超 声 波 衍 射 时 差 法 (TOFD)检测技术,从外表面检测到多处环焊缝内 存在超标缺陷,缺陷位置如图1所示(图中 S为南, E 为 东,N 为 北,W 为 西,H 为 环 焊 缝,Z 为 纵 焊 缝),结合超声检测(UT)和相控阵超声检测(PA), 发现5处裂纹和1处埋藏缺陷,检测结果如表1所 示,一条裂纹断续总长为 1386 mm。该反应器于 1969年9月投入使用,在其接管与筒体及补强圈角 焊缝部位均存在局部未熔合、未焊透等超标缺陷,投 产后一直降压监控使用。该容器实际使用时间已有 51a,国内大部分同类型反应器已停止使用。设计 压力为8.8MPa,工作压力为3.9 MPa,设计温度为 300 ℃,工作温度为290 ℃,内部介质为氢气、加氢 蜡 油。 容 器 规 格 (外 径 × 长 度 × 壁 厚 )为 ?1800mm×10729mm× 55.0mm (筒 体 )/ 60.0mm(封头),材料为 20Cr3NiMoA 钢,内 衬 材 料为耐热水泥+1Cr18Ni9Ti钢保护套。 加氢反应器是石油产品加工的关键设备,如果 立即将其报废会造成巨大的经济损失[1]。筒体材料 的屈服强度为579 MPa,抗拉强度为686 MPa。这 种钢材的制造和焊接工艺性能差,返修难度大[2],且 该设备运行时间远超设计使用寿命。依据安全技术 规范,对焊缝上的缺陷进行安全评定,评估该加氢反 应器焊缝保留缺陷在正常工况下能否继续安全运 行3a。
1 试验方法
在筒体 H2环焊缝中心和偏离焊缝中心5mm 两 处进行连续循环加载球压试验,获取两处的压力深度 和载荷曲线,估算材料的力学性能和断裂韧性[3-7]。 在筒体内壁 H2环焊缝热影响区及其附近母材 两处分 别 挖 取 直 径 约 为 26 mm 的 碟 型 试 样 (见 图2,位置1为母材,位置2为热影响区)。采用线 切割方式去除试样上的形变区后,对其进行显微硬 度测试、金相检验和液压鼓胀破口分析。
依据 GB/T4340.1—2009 《金 属 维 氏 硬 度 试 验 第1部分:试验方法》进行显微硬度测试,依据 GB/T13298—2015 《金 属 显 微 组 织 检 验 方 法》和 GB/T6394—2017 《金属平均晶粒度测定方法》进 行 金 相 检 验。 采 用 线 切 割 方 式 将 试 样 割 成 1.5mm 厚的小 薄 片,对 其 进 行 液 压 鼓 胀 试 验,试 验结束后将鼓胀形成的断口在扫描电镜(SEM)下 观察。 2 理化检验 2.1 力学性能测试 筒体 H2环焊缝中心和偏离中心5mm 两处材 料的力学性能如表2所示。
2.2 硬度测试和金相检验
母 材 处 的 显 微 硬 度 分 别 为 201.1,209.7, 205.3HV。热影响区处的显微硬度分别为217.0, 207.0,218.2 HV。可以看出热影响区处的显微硬 度略高于母材处,但均未见明显异常。
对筒体材料进行金相检验,结果如图3所示,由 图3可知:组织为贝氏体+网状分布的铁素体;晶界 和晶内没有明显析出物,组织无明显变化;母材处晶 粒度为2.5级,热影响区处晶粒度为3.5级,晶粒粗 大。由于原奥氏体晶粒较大,材料含碳量较高,冷却 速率较慢,因此铁素体呈网状分布。
2.3 扫描电镜分析
将液压鼓胀形成的断口在 SEM 下观察,结果 如图4所示。断口布满韧窝,为典型韧性断口,材料 韧性很好。断口局部有条形孔洞,表明该材料局部 有夹杂物。
3 安全评定
3.1 安全评定方式
理化检验显示该加氢反应器经过51a服役,材 料硬度无异常,组织无变化,壁温小于材料蠕变温 度,可排除介质疲劳、材料劣化、蠕变等失效模式。 反应器内壁有耐热水泥和 1Cr18Ni9Ti钢保护套, 使用期间不会发生缺陷与介质直接接触的情况,可 排除介质腐蚀和应力腐蚀,则潜在失效模式为裂纹 应力集中导致的弹塑性断裂失效,或因净强度削弱 导致的塑性失效。采用 GB/T19624—2019 《在用 含缺陷压力容器安全评定》中双判据通用失效评定 图方法进行平面缺陷的常规评定。 平面缺陷的常规评定步骤为:缺陷的表征、材料 力学性能数据的确定、应力的确定、应力强度因子 K P I 和 K S I 的计算、断裂比 Kr 的计算、载荷比Lr 的 计算、载荷比安全性评价,具体程序如图5所示。
3.2 缺陷的表征
按照缺陷 规 则 化 原 则 (见 图 6),将 表 1 中 的 1 # ~5 # 裂纹规则化为c=l/2,a=h(a 为平面裂纹 规则后的表征裂纹尺寸;c 为椭圆形埋藏裂纹或半 椭圆形表面裂纹在沿壳体表面方向的半长)的半椭 圆内表面裂纹。6 # 埋藏缺陷规则化为c=l/2,a= h/2的椭圆形埋藏裂纹。考虑严重失效后果,代入 表征尺寸分安全系数1.1,则作为计算用的表征尺 寸为:??a=1.1a,??c=1.1c。加氢反应器服役51a后, 壁厚未见明显异常,腐蚀速率为0.05mm/a,考虑服 役时长 和 未 来 3a 服 役 周 期,则 筒 体 壁 厚 B 为 52.3mm。1 # ~6 # 缺 陷 规 则 化 后 的 尺 寸 如 表 3 所示。
3.3 材料力学性能的确定
受取样方法的限制,采用材料室温(20 ℃)力学 性能评估该加氢反应器在设计温度300℃下的安全 性。该加氢 反 应 器 材 料 在 室 温 下 的 屈 服 强 度 为 579MPa,抗拉强度为686 MPa。金相检验和硬度 测试结果表明:该加氢反应器材料的组织和性能没 有发生明显劣化。API579—2016《合于使用评价》 附录9F规定,对于未知化学成分的铁素体材料,室 温断裂韧性为3478 MPa·mm 1/2,且材料的断裂韧 性随温度的升高而变好。对于 Cr-Mo钢,300 ℃下 材料屈服强度和抗拉强度相对于室温下变化较小。 采用离焊缝中心5mm 处获得的室温下的力学性能 (屈 服 强 度 为 427.74 MPa ,断 裂 韧 性 为 2748.34 温 MPa·mm 1/2)来评估该加氢反应器在设计 度300 ℃下的安全性具有较大的安全裕度。
3.4 应力的确定
一次薄膜应力是由内压引起的,按无力矩理论公式(1)计算。压力为设计压力8.8 MPa,筒体外径 Ro 为1910mm,内径Ri 为1805.4mm,则一次薄 膜应力Pm 为73.81MPa。一次薄膜应力沿壁厚视 为均匀变化,一次弯曲应力Pb 为0MPa。 Pm = R 2 i R 2 o -R 2 i (1) 根据加氢反应器工况,二次应力仅考虑焊接残 余应力σR。根据标准σR=0.5σs(σs 为评定温度下 材料的屈服强度),由此引起的二次薄膜应力Qm 为 -213.5MPa,二次弯曲应力Qb 为427MPa。 引入应力分安全系数,一次应力 K1 为1.5,二 次应力 K2 为 1.0,则 Pm 为 110.72 MPa,Qm 为 -213.5MPa,Qb 为427MPa。 3.5 应力强度因子的计算 采用式(2)计算裂纹尖端部位的应力强度因子 KI。分别对裂纹的长轴点进行一次应力强度因子 K P I 和二次应力强度因子 K S I 的计算。fm 为由薄膜 应力σm(Pm 或Qm)引起的裂纹尖端处应力强度因 子所用的裂纹构形因子,fb 为由弯曲应力σB(Pb 或 Qb)引起的裂纹尖端处应力强度因子所用的裂纹构 形因子。??a/??c,??a/B,fm ,fb 从 GB/T19624—2019 中选取,1 # ~6 # 缺陷长轴点的裂纹构形因子和应力 强度因子计算结果如表4所示。 KI = π??a(σmfm +σBfb) (2)
3.6 载荷比Lr 和断裂比Kr 的计算
采用式(3)~(4)计算1 # ~6 # 缺陷长轴点的载 荷比Lr。采用式(5)~(6)计算1 # ~6 # 缺陷长轴点 的断裂比 Kr,其中干涉效应系数G=1,ρ为塑性修 正因子。 Lr = 1.2Pm σs 1-??a/(BMg) 1-??a/B (3) Mg = 1+1.6[??c 2/(RiB)] (4) Kr = G(K P I +K S I) Kp +ρ (5) Kp = KJC 1.2 (6) 1 # ~6 # 缺陷长轴点载荷比、断裂比的计算结果 如表5所示。
3.7 安全评定结果
将1 # ~6 # 缺陷长轴点计算得到的Lr,Kr 所构 成的评定点(Lr,Kr)落在通用失效评定曲线中(见 图7),评定点均位于安全区内,可知6处平面缺陷 的常规评定结果为安全。
4 结论及建议
(1)服役超50a的 R501加氢反应器筒体的显 微硬度无异常,晶粒粗大,组织为贝氏体+网状铁素 体,组织未发生明显变化。 (2)环 焊 缝 上 的 6 处 缺 陷 能 够 满 足 GB/T 图7 加氢反应器的安全评价结果 19624—2019中平面缺陷常规评定的要求,评定点 落在失效评定曲线下方,满足使用的要求。 (3)使用单位应严格执行装置操作规范,使用 过程中应严格控制操作压力、操作温度,限定操作介 质,防止使用过程中出现超温、超压与违章现象。根 据 TSG08—2017《特种设备使用管理规则》要求, 对该反应器实施监控和防范措施。 (4)使用过程中应重点关注检验发现存在缺陷 的相关焊缝,对含缺陷焊缝进行 TOFD 在线监测。 建议前4个月内,每个月开展一次 TOFD 监测,如 缺陷没有扩展,后期可 2 个月开展一次 TOFD 监 测,如发现缺陷发生扩展,应立即处理。 (5)建议 R501加氢反应器总监控使用时间不 超过3a。到每年年底,需根据监测结果重新进行评 估,依据评估结果决定该加氢反应器能否继续使用。