不銹鋼復(fù)合板焊接裂紋預(yù)防措施

杜俊杰，霍朝陽

（石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站天津石化分站，天津 300270）

在石化設(shè)備現(xiàn)場組焊過程中，經(jīng)常需要對(duì)不銹鋼復(fù)合鋼板進(jìn)行組對(duì)焊接。不銹鋼復(fù)合鋼板通常是由一層珠光體鋼作為基層材料，以滿足強(qiáng)度、剛度和韌性等力學(xué)性能要求，復(fù)層一般為不銹鋼材質(zhì)，以滿足耐腐蝕性要求。

復(fù)合鋼板是由兩種不同金屬復(fù)合而成，焊接屬異種鋼焊接。由于不同金屬的化學(xué)成分、物理、化學(xué)性能差別很大，可焊性差。在焊接中稍有不慎，就可能沿焊縫方向產(chǎn)生裂紋，返修補(bǔ)焊也往往會(huì)產(chǎn)生新的裂紋。

一、案例

某新建E O/EG裝置，E O汽提/再吸收塔設(shè)備C-6404與其內(nèi)部冷凝器E-6405為一臺(tái)裝備，在設(shè)備分交時(shí)，C-6404分為上下兩段，中間插入再吸收塔內(nèi)冷凝器E-6405，自E-6405上下管板處分界，分三段供貨，現(xiàn)場組焊為一整體，具體見表1、圖1?，F(xiàn)場有兩條組裝環(huán)焊縫。

表1 設(shè)備主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

汽提塔C-6404上、下塔體為16MnR＋00Cr19Ni10復(fù)合板，下塔體厚度為28mm+3mm，上塔體厚度為18mm+3mm。冷凝器E-6405為固定管板式結(jié)構(gòu)，管板為16MnR，厚137mm，表面堆焊304L不銹鋼，現(xiàn)場形成60°坡口的上下兩道大角焊縫，設(shè)計(jì)要求內(nèi)層焊不銹鋼。

原焊接工藝，焊條選用基層J507、過渡層A062、復(fù)層A002，焊接順序?yàn)橄群富鶎樱俸高^渡層，最后焊復(fù)層。但因設(shè)備結(jié)構(gòu)限制，實(shí)際安裝過程中無法按上述焊接順序?qū)嵤┖附?，?shí)際焊接順序只能為復(fù)層→過渡層→基層。

按照一般不銹鋼復(fù)合板焊接規(guī)程，基層的焊接用過渡層焊材焊接。焊接完成后，發(fā)現(xiàn)下塔體與管板角焊縫處有大面積裂紋產(chǎn)生，有裂紋的焊縫長度占焊縫總長約2/3，既有縱向裂紋，也有橫向裂紋，縱向裂紋最長達(dá)500～600mm。

二、原因分析

焊接殘余應(yīng)力和淬硬組織的存在是導(dǎo)致焊接冷裂紋的主要因素，殘余氫的存在可促進(jìn)裂紋的發(fā)生和擴(kuò)展。

1.殘余應(yīng)力

冷凝器管板厚度137mm，表面堆焊不銹鋼，因設(shè)計(jì)圖紙未明確提出焊后消應(yīng)力熱處理，制造單位未對(duì)管板進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，管板自身應(yīng)力較大。設(shè)備進(jìn)場后實(shí)測，塔體最大橢圓度達(dá)35mm，施工單位在未校圓的情況下組對(duì)焊接，造成較大焊接殘余應(yīng)力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上未充分考慮到實(shí)際施工的可操作性，造成不銹鋼復(fù)合板焊接順序不合理，且下環(huán)口為仰臉橫縫焊接，現(xiàn)場焊接操作難度大。

2.焊接熱應(yīng)力

在不銹鋼復(fù)合板焊接中，由于兩種金屬物理性能的不同，如熔化溫度、線膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率等的差異，影響焊接的熱循環(huán)過程、結(jié)晶條件，降低焊接接頭質(zhì)量。線膨脹系數(shù)相差較大時(shí)，會(huì)引起較大的焊接殘余應(yīng)力和變形，易使焊縫和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。

本案中珠光體鋼16MnR、奧氏體304L導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)存在較大差異，見表2。由于奧氏體的導(dǎo)熱系數(shù)較低，熱膨脹系數(shù)較大，膨脹變形較大。接頭在冷卻時(shí)奧氏體比珠光體鋼收縮變形大，而基層金屬卻束縛著過渡層金屬的收縮。在焊縫方向上，如果焊縫上存在脆、硬的馬氏體淬硬組織，在熱應(yīng)力的作用下極易產(chǎn)生裂紋，馬氏體組織越多，焊縫裂紋敏感性越強(qiáng)。

表2 珠光體和奧氏體鋼材的物理性能

3.馬氏體淬硬組織的形成

設(shè)備分三段運(yùn)抵建設(shè)現(xiàn)場后，施工單位現(xiàn)場安裝組焊。復(fù)層采用A002(鈦鈣型超低碳Cr19Ni10焊條)，過渡層和基層采用A062(鈦鈣型超低碳Cr23Ni13焊條)。

母材、焊材的化學(xué)成分及鉻鎳當(dāng)量的計(jì)算數(shù)值見表3。

表3 化學(xué)成分及鉻、鎳當(dāng)量

鉻當(dāng)量計(jì)算公式[C r]=1%C r+1%M o+1.5%S i+0.5%N b，鎳當(dāng)量計(jì)算公式[N i]=1%N i+3 0%C+0.5%M n。

利用舍夫勒?qǐng)D(圖2)分析過渡層焊縫組織構(gòu)成。

在圖2中分別標(biāo)出基層金屬16MnR相應(yīng)成分點(diǎn)m，復(fù)層金屬304L相應(yīng)成分點(diǎn)s，過渡層焊條金屬A062相應(yīng)成分點(diǎn)f。

在實(shí)際焊接過程中，因設(shè)備結(jié)構(gòu)限制，被迫采用先焊復(fù)層，再焊過渡層，最后焊基層的工序。過渡層是在復(fù)層金屬上焊接，復(fù)層金屬304L熔入過渡層焊縫的比例較高，則兩種材料成分混合后應(yīng)在s、f連線中心偏左的位置，假設(shè)為a點(diǎn)，可以認(rèn)為這就是待焊母材。具有a點(diǎn)成分的待焊母材再與基層金屬成分m相熔合后，構(gòu)成焊縫金屬。其具體組成成分應(yīng)落在a、m連線上，根據(jù)熔合比確定。從圖2可知，為使焊縫不出現(xiàn)馬氏體組織，基層熔合比大致應(yīng)低于20%，實(shí)際焊接時(shí)極難控制，焊接電流或焊條擺動(dòng)稍大，基層融合比就可能超出極限值，馬氏體組織產(chǎn)生幾率極大，幾乎難以避免。即使嚴(yán)格控制內(nèi)復(fù)層和過渡層的融合比，比如混合成分在s、f連線中心偏右的b點(diǎn)，焊縫金屬組織如若不產(chǎn)生馬氏體，基層金屬熔入焊縫中的融合比至少應(yīng)小于30%，控制難度極大。同時(shí)由于是冬季施工，組焊設(shè)備體積龐大，又無預(yù)熱和保溫，焊縫溫度降低較快也是促進(jìn)馬氏體產(chǎn)生的因素。

4.其他因素

(1)碳遷移的影響。焊接時(shí)碳從低Cr的基層金屬向高Cr的不銹鋼復(fù)層焊縫金屬擴(kuò)散遷移，因此在基層和復(fù)層的交界處形成高硬度的增碳層和低硬度的脫碳層，引起熔合區(qū)的脆化和軟化。

(2)焊縫的結(jié)晶裂紋。奧氏體結(jié)晶溫度區(qū)間很大，熔池結(jié)晶時(shí)枝晶晶界上存在的S、P等低熔點(diǎn)共晶物呈現(xiàn)薄膜狀，在拉應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生裂紋。

(3)焊接紀(jì)律等因素。焊接接頭附近油、水等污物處理狀況和焊條烘干、存放狀況的不良均可在焊縫中形成較多的殘余氫，焊后冷卻時(shí)如果沒有及時(shí)進(jìn)行后熱處理，殘余氫會(huì)擴(kuò)散聚集，對(duì)裂紋的產(chǎn)生起到促進(jìn)的作用。

如果不能嚴(yán)格執(zhí)行按合格焊評(píng)編制的焊接工藝，其他諸如焊接線能量控制、熔合比、熔深控制等因素，均會(huì)對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生影響。

三、解決方法

減少應(yīng)力和避免馬氏體淬硬組織的形成是問題解決的基本方向。

1.應(yīng)力問題的解決

由于管板和管束漲焊已經(jīng)完成，若此時(shí)對(duì)堆焊后的管板進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，雖然有利于應(yīng)力水平的降低，但對(duì)管束漲焊的影響不易判斷?？紤]到介質(zhì)的特殊性，此時(shí)熱處理不會(huì)獲得理想效果。對(duì)于設(shè)備對(duì)口處橢圓度超標(biāo)問題，由于筒體直徑較大且內(nèi)有不銹鋼復(fù)合層，加之相關(guān)設(shè)施的缺乏，現(xiàn)場無法完成筒體校圓工作。因此高應(yīng)力問題現(xiàn)場無法解決，只能在避免或減少馬氏體淬硬組織形成上想辦法。

2.避免馬氏體淬硬組織的形成

雖然正常焊接順序?yàn)榛鶎?、過渡層、復(fù)層，這樣可以盡量減少碳遷移和合金元素的稀釋，避免馬氏體的形成和焊縫的脆化問題。但由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的特殊性，只能按復(fù)層、過渡層、基層順序焊接，在焊接過程中，由于基層金屬1 6 M n R的熔入，使得焊縫金屬合金成分被沖淡，要想焊縫中不產(chǎn)生馬氏體組織，必須保證焊縫中奧氏體形成元素N i的含量不低于一定值，Ni含量越高形成馬氏體的可能性就越低。本案在考慮到角焊縫的強(qiáng)度問題(304L在100℃時(shí)δs=118MPa，16Mn R在100℃時(shí)δs=163MPa)的同時(shí)，決定過渡層和基層焊接均采用高Ni焊條ENiF e-3，該焊材是低氫型Ni70Cr15鎳基合金焊條，Ni含量高，且熔敷金屬含有適量錳、鉬和鈮，具有較好的抗裂性。

四、返修施工基本方法及技術(shù)要求

1.原焊縫清理

鑒于E-6 4 0 5冷凝器已經(jīng)組焊安裝在C-6 4 0 4塔下段，在焊縫清理時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分裂紋已延伸至E-6 4 0 5管板焊縫熱影響區(qū)，無法繼續(xù)清理。因此，需將E-6 4 0 5整體及與其相接的C-6 4 0 4一段筒體一起割除。先將E-6 4 0 5帶C-6 4 0 4下段一節(jié)筒體吊到地面，放在電動(dòng)托輥上進(jìn)行返修，其返修步驟如下：

(1)為防止原焊縫焊趾處的裂紋向管板延伸，采用分層氣刨去除焊縫到復(fù)層，氣刨前用火焊把對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱1 0 0～1 5 0℃，預(yù)熱范圍為焊縫寬度的3倍。然后用磨光機(jī)打磨焊道至冷凝器管板處。將C-6 4 0 4下段筒體取下后，分別清除筒體和冷凝器管板上的零星焊肉，再將筒體坡口及熱影響區(qū)處全部打磨干凈。筒體焊縫清理后，進(jìn)行滲透檢測，確保坡口無裂紋。

(2)對(duì)冷凝器管板進(jìn)行檢查，對(duì)于已延伸至管板熱影響區(qū)的裂紋，采用超聲波檢測，確定裂紋深度，然后采用磨光機(jī)打磨處理，確保裂紋不再延伸。

2.焊接

首先進(jìn)行焊接評(píng)定，焊評(píng)合格后對(duì)裂紋部位打磨補(bǔ)焊修復(fù)，對(duì)未發(fā)現(xiàn)裂紋的區(qū)域也用E N i C r F e 3堆焊一層，焊接過程中嚴(yán)格控制焊接熔合比這一關(guān)鍵因素。

(1)對(duì)管板缺陷去除處進(jìn)行補(bǔ)焊，采用E N i C r F e 3焊條。補(bǔ)焊前將補(bǔ)焊部位預(yù)熱到1 5 0℃方可施焊。

(2)對(duì)管板、塔體連接處進(jìn)行重新焊接，采用E N i C r F e焊條；焊前焊接部位預(yù)熱到1 5 0℃方可施焊。焊接采用兩人1 8 0°同步同向焊接，焊接方法采用小電流、多層多道快速焊。層間溫度不得低于1 0 0℃。

3.焊接保證措施

(1)選用焊接技能高的優(yōu)秀焊工，焊接前進(jìn)行專題技術(shù)交底，明確焊接要求和施焊步驟，并安排焊工在鋼板上進(jìn)行預(yù)施焊，以掌握E N i C r F e 3焊條的焊接特點(diǎn)。

(2)全過程監(jiān)督現(xiàn)場鎳基焊材施焊。

(3)過程嚴(yán)格按照鎳基焊材焊接工藝進(jìn)行。對(duì)于鎳基焊材，焊接易出現(xiàn)熱裂紋，特別是弧坑處容易出現(xiàn)熱裂紋要求施焊過程中，焊接電流不能太大。加強(qiáng)對(duì)弧坑的檢查和打磨。

(4)每焊接一層，及時(shí)打磨飛濺，著色檢查合格后，才能繼續(xù)施焊下一層。

4.檢驗(yàn)

C-6404與E-6405角焊縫位置不適合射線、超聲檢測需分層進(jìn)行滲透檢測。檢測位置為復(fù)層、過渡層、基層焊接一層檢查一次，直至基層焊完。檢測標(biāo)準(zhǔn)為JB/4730.5-2005，Ⅰ級(jí)合格。

5.熱處理

因設(shè)備殘余應(yīng)力大，因此有必要對(duì)焊縫進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，熱處理參數(shù)如下：部位C-6404；壁厚28mm+3mm升溫速度50~160℃/h；保溫溫度560℃；恒溫時(shí)間1.2h；降溫速度210~50℃/h（<400℃時(shí)，自然冷卻）。

五、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

設(shè)計(jì)的優(yōu)劣是裝備質(zhì)量保障的前提，制造、安裝是保證裝備質(zhì)量的基礎(chǔ)，任何環(huán)節(jié)的疏忽都會(huì)對(duì)設(shè)備最終質(zhì)量產(chǎn)生影響。在本案中EO的爆炸極限為3%～100%，如果發(fā)生開裂泄漏，將嚴(yán)重威脅到裝置的本質(zhì)運(yùn)行安全。

焊接是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工作，尤其復(fù)合鋼板焊接屬異種鋼焊接，焊接質(zhì)量控制難度更大、更復(fù)雜，影響因素更多，任何環(huán)節(jié)的失控必將影響到接頭的焊接質(zhì)量。因此必須嚴(yán)格執(zhí)行焊接順序，合理選擇焊材，采用小電流、多道焊，避免焊條過度擺動(dòng)，嚴(yán)控熔合比等各個(gè)細(xì)節(jié)，嚴(yán)格按照合格焊接評(píng)定工藝進(jìn)行焊接，才能得到滿意的焊接質(zhì)量。

[1]強(qiáng)天鵬.壓力容器檢驗(yàn)[M].新華出版社.