1 基本情况介绍
某公司加氢裂化装置、渣油加氢装置发生裂纹的法兰型式均为ASME 16.5标准下WNRJ环槽面对焊法兰，压力等级CL2500，Ⅳ级锻件，直径DN300、DN350、DN450、DN500，加氢裂化装置法兰材质为TP347，渣油加氢装置材质为TP321。裂纹位置均为密封面根部，并向法兰内部延伸，裂纹最深可达90mm，最长达环周2/3，如图1所示。发生裂纹的法兰上周期停检期间均做着探伤无异常，从时间上判断，深度如此之大的裂纹不应当是由外部产生向内拓展，推测裂纹由制造缺陷夹渣或其他内部缺陷处萌生，由内向外拓展，直至表面显现，产生裂纹 的根本原因本文不做讨论。
图1 法兰裂纹
2 返修过程
本次返修采取的主要工序依次为：车削密封面、消氢处理、堆焊填充、加工密封面、无损检测5个步骤，共修复5片法兰，下文以裂纹深度最大的为例进行详细描述。 2.1 车削密封面
返修工作首先将原密封面及裂纹清除，车削
锻件法兰工具采用立式车床，每车削一定深度即进行着探伤，直至无缺陷。车削过程中必须保证裂纹彻底清除干净，否则将无法制止法兰开裂，甚至在后续堆焊工作中，裂纹将迅速向内拓展，让本次返修失去意义。法兰车削后需要堆焊的槽面尺寸深90mm、宽
75mm，如图2所示。
图2 车削后槽面
2.2 消氢处理
消氢处理是临氢设备修复中必备的一个步骤，虽然氢在奥氏体不锈钢中渗透速度较慢，但是在奥氏体不锈钢中的溶解度较大，设备长期处于高温高压临氢环境已使用10年之久，母材中必定会有常温下无法逸出的氢，在焊接前不做消氢处理，氢将随着母材的融化而逸出形成气孔，甚至在焊接引弧时即发生微小炸裂，无法焊接[1]。消氢处理的温度及时间，资料多数为350℃恒温4h，个别案例采取350℃恒温24h。 在车削之前，虽然对法兰表面采取了电加热带350℃恒温4h的消氢处理，但是从实际效果来看，焊道处存在严重气孔（如图3所示），可以判定电加热消氢失败，消氢深度未达到需求。由于时间紧迫，已无条件重新对法兰进行电加热消氢处理，协商之
高压环槽面法兰裂纹修复
赵淼 陈惠民 远继福 王宏章 赵省杰中国石油大连石化公司 辽宁 大连 116031
摘要：某公司加氢裂化装置反应器部分高压法兰在2018年10月发现密封面存在裂纹，渣油加氢装置反应器部分高压法兰在2019年4月同样发现密封面存在裂纹，由于购置新法兰周期长，时间不允许，聘请专家组认为开裂的法兰仍具备修复可能，遂采取“车削裂纹—堆焊—重新加工密封面”的方式对法兰进行返修。截至2020年11月，修补后的法兰使用良好，未发生泄漏。本文对法兰修复过程中涉及到的一些关键步骤、技术进行讨论分析。
关键词：加氢装置 高压法兰 裂纹 堆焊 消氢处理
Repair of cracks in high-pressure ring groove flange
Zhao Miao，Chen Huimin，YuanJI fu，Wang Hongzhang， Zhao Shengjie
PetroChina Dalian Petrochemical Company ，Liaoning Dalian 116031
Abstract：In October 2018，cracks were found on the sealing surface of some high-pressure flanges of a hydrocracking unit reactor of a company，and in April 2019，cracks were also found on the sealing surface of some high-pressure flanges of a residual oil hydrogenation unit reactor. Due to the long period of purchasing new flanges，the time was not allowed，and the expert group was hire
d to think that the cracked flanges could still be repaired，so the method of "turning cracks-surfacing-reworking the sealing surface" was adopted to repair the flanges. As of November 2020，the repaired flange was in good use and no leakage occurred. In this paper，some key steps and technologies involved in processing are discussed and analyzed.
Keywords：Hydrogenation unit；High pressure flanges；Crack；Build-up welding；Dehydrogenation treatment
后技术人员决定采取火焰加热烘烤的方式做消氢处理。现场瓦斯火焰加热1小时后重新施焊，气孔消失（如图4所示），效果良好。
需要注意的是，奥氏体不锈钢在加热并保持在450~850℃区间时，会出现敏化现象，降低材料的耐晶间腐蚀能力，在650℃是最为严重[2]。本次加热采取瓦斯火焰，火焰温度可达1200℃，但在实际加热中，通过测温实时监测，发现法兰表面始终未超过450℃，对法兰材质不会造成严重损害。考虑到加热后的表面都将被后续堆焊层覆盖，不接触物料介质，认为火焰加热的方式虽然不能保证对法兰进行整体消氢，但是对于本次抢修来说，是一种简单
有效可行的方案。
图3
焊道气孔
图4 火焰加热后焊道无气孔
2.3 堆焊填充
对于此次返修来说，保证焊道不出现气孔缺陷的意义要远远大于彻底消氢。由于自动埋弧焊电流大、熔池深，火焰加热1h的消氢方案不敢保证焊接影响区内彻底消氢，填充过程首先采用手工电弧焊在车削后沟槽表面添加过渡层（如图5所示）。根据制造厂提供的技术方案，手工焊的电流为180~220A，而自动埋弧焊电流为380~450A；自动埋弧焊的熔深大约是手工焊的2倍。利用手工电弧焊电流低、熔深浅的特点，避免因前期消氢不彻底而导致焊道出现气孔缺陷的情况。过渡层焊材与法兰母体所需焊材相同。
过渡层完成之后采用自动埋弧焊（CO 2气体保护焊同样可行）将沟槽逐层完全填充，并留有足够的加工裕量。需要注意的是，在此类多层堆焊中，要严格控制层间温度，长时间的连续施焊会使温度持续升高，导致熔池、热影响区中金属晶粒变大，导致强度、塑性和韧性降低。同时在500~800℃区间内碳化铬会在晶界析出，形成贫铬区，导致抗晶间腐蚀能力下降。不锈钢的导热性能差，线胀系数
大，如此厚度的连续焊接容易同样会产生较大的残余应力，极易形成热裂纹[2]。《NB-T 47015-2011 压力容器焊接规程》中4.4.3规定，奥氏体不锈钢最高层间温度不宜高于150℃，本次堆焊采取温度不大于150℃。个别案例采取温度不大于120℃甚至100℃的方案，更为严格。另外，为防止产生裂纹，
此步骤
中不建议采用冷却液强制降温。
图5 手工电弧焊过渡层
图6 堆焊填充完成
2.4 加工密封面
严格按照设计图纸加工即可。需要注意的是：
工件必须冷却至室温后才可以进行机加工，如果工件温度较高，由于热胀冷缩，加工过程中工件尺寸会发生变化，在温度不稳定的状态下加工，必然会导致成品尺寸发生偏差，甚至投产后法兰泄漏。
2.5 无损检测
无损检测环节分为两项。第一项是在加工密封面之前，用超声检测探查整个堆焊区有无缺陷；第二项是着探伤检查加工后的密封面有无缺陷。堆焊完成的法兰在超声检测环节均未发现异常，但是在随后的密封面加工过程中，其中一片法兰在距密封槽底部约17mm的高度上连续发现6处气孔缺陷，其中
最大一处直径约2mm，推测应当是在这一层的堆焊过程中工艺质量出现问题。对缺陷处采取氩弧焊补焊后正常车削，着探伤显示无异常。
需要进行的讨论的是，如此大规模的缺陷应当在超声探伤中被发现，实际上却没有。在探伤过程中，厂家的探伤技术人员也对超声探伤效果表示质疑，理由是探头不合适。通过查阅资料，奥氏体不锈钢焊缝的超声探伤与奥氏体不锈钢探伤存在一定区别。奥氏体不锈钢焊缝由于晶粒粗大和各向异性，不能采用一般的超声方法进行无损检测。尤其是对厚板奥氏体不锈钢焊缝内部缺陷的超声检测。其主要原因是奥氏体焊缝组织的特殊性对于超声波的作用相当复杂，在进行超声检测时，声波的扭
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3 结果分析
从当前分析结果看，旋风分离器料腿所用304材料其碳含量满足要求，未出现渗碳现象。金相观察也未见蠕变裂纹或蠕变孔洞，故可排除高温蠕变破坏。
304不锈钢长期在660～680℃运行容易产生σ相析出和碳化物析出。从金相结果和扫描电镜观察结果来看，奥氏体基体内及晶界上出现大量颗粒状第二相分为2种，2种第二相组织铬含量较基体高，铁含量
和镍含量较基体低，其中尺寸更小的颗粒状第二相铬含量却更高。根据能谱分析结果基本可以断定较大的颗粒状组织为σ相和α铁素体，较小的颗粒状组织为碳化物。σ相和碳化物的出现会使材料强度升高，组织变脆，从力学性能分析也可以看出料腿强度升高，冲击韧性较一般奥氏体不锈钢低。材料变脆以后导致容易在料腿应力集中处或应力较大处首先发生开裂失效。
大量文献分析表明，催化裂化装置器在长期使用后，料腿断裂是其主要失效形式之一。料腿断裂的主要原因有：气固两相流在旋转流动过程中和排料过程中产生振动、发生疲劳断裂；σ相析出导致材料塑性和韧性降低导致断裂。本案例中可见明显的σ相及碳化物析出，导致材料塑性和韧性降低，其是料腿断裂的主要推动因素之一。4 结束语
（1）断裂304不锈钢料腿发现明显的σ相脆化及碳化物析出，导致韧性降低，脆性增加，在旋风分离器料腿工况下，易发生断裂失效，应尽快进行更换；
（2）更换前的短暂运行期间应控制好运行参数，停车时也须避免快速停车产生的热冲击应力引起的脆断；此外由于碳化物析出导致晶界敏化，停车期间还要避免硫酸应力腐蚀开裂。
参考文献
[1]王涛.催化裂化装置两器内构件损伤案例分析[J].齐鲁石油化工，2018，46（4）：308-315.
[2]杨智勇，蔡香丽，等.催化裂化装置旋风分离器料腿断裂的原因分析[J].化工机械，45（4）：471-473.
[3]陈小红，王金刚，王永勤.催化裂化装置旋风分离器失效原因分析[J].装备制造技术，2014（5）：204-205.
[4]肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].北京：冶金工业出版社，2006：38.
[5]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会.北京：GB/T 30579-2014承压设备损伤模式识别[S].2014.
作者简介
代悦（1985-）男，辽宁抚顺人，汉族，工程师，学历：本科，研究方向：静设备管理。
曲、振幅的变化都存在不确定因素，还会发生波形的转换，粗大的焊缝组织对超声波强烈的散射降低了信噪比，直接影响了对缺陷的检出能力。普通探头难以检测厚板奥氏体不锈钢焊缝，必须采用特殊超声探头。通常采用双晶探头、聚束探头、大直径探头和宽频带窄脉冲探头[3]。
据探伤人员描述，此次所用的探头仅为普通的奥氏体不锈钢探头，没有焊缝探头，而需要检测的区域
恰恰是一段深度达90mm的焊缝。所以，修复的法兰，虽然经过超声探伤、着探伤均显示合格，但事实上UT检测基本是无效的，整个堆焊区内是否还有其他缺陷无法断定，现只能保证密封面表面无缺陷。
3 结束语
由于本次返修的特殊性，时间极其紧迫，在质量控制方面，酌情降低了标准；修复后的法兰无法按照其Ⅳ锻件的标准进行无损检测，甚至超声检测环节也基本是无效的；法兰密封面的要求加工精度为1.6，普通的车床也是无法达到的。在确定原始裂纹祛除干净，重新加工的密封面表面无缺陷的情况下，即投入生产使用。截至2020年11月，返修过的5片法兰有2片仍在正常使用，无泄漏情况发生，其余3片已在2020年5月公司停检中更换。
本次返修在公司内属首次，甚至全国范围内也基本无经验可循。本文对返修过程中重要节点及关键控制点做了较为详细的总结，为行业内积累了宝贵的经验。
参考文献
[1]满达虎，王丽芳.奥氏体不锈钢焊接热裂纹的成因及防止对策[J].热加工工艺，2012，41（11）：181-184.
[2]孙晓娜，郑茂尧. 厚板奥氏体不锈钢焊接技术及焊缝超声波检测的研究进展[C]//中国造船工程学会近海工程学术委员会.2008年度海洋工程学术会议论文集.中国造船工程学会近海工程学术委员会：中国造船工程学会，2008.
[3]刘巍.加氢反应器堆焊层的质量控制与缺陷处理[J].石油化工设备技术，2012，33（1）：6-9；69.
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