接管法蘭與筒體焊接裂紋分析及控制

呂遠鋒 楊輝偉

【摘要】在反應產物分離罐的接管法蘭與筒體的焊接過程中產生了裂紋。本文從力學方面對產生的裂紋進行了分析，并針對產生裂紋的因素制定了返修及預防措施，有效的解決了接管法蘭與筒體焊接裂紋問題。

【關鍵詞】裂紋 預熱 后熱 層間溫度

1 引言

我公司為廣西石化公司制造的石腦油加氫-輕烴回收裝置反應產物分離罐，其主體筒體厚度為δ=83mm（基層厚度為80mm，復層厚度為3mm），材質為16MnR+Monel400復合鋼板，設備上有一個內徑為1400mm的水包，主體筒體及水包上總共有12個包括人孔在內的大小不一的接管法蘭，接管法蘭材質為16Mn的Ⅲ級鍛件，接管法蘭公稱直徑為DN50～DN500，接管法蘭內側堆焊Monel合金，水包及接管法蘭與筒體相焊處的管壁厚度最小為90mm，最大為200mm。接管法蘭與筒體采用承插式接頭連接，采用對稱的雙面單邊V型坡口，坡口角度為40°。焊接采用焊條電弧焊，焊條為J507R（E5015）。在組焊第一個接管法蘭時，接管法蘭與筒體連接時在坡口四個方向對稱點焊固定，焊前采用電加熱進行了預熱，預熱溫度為100℃，焊接過程中加熱器未中斷過加熱，焊后進行了后熱處理，焊接時先焊內側基層，焊完內側基層后發(fā)現(xiàn)在焊縫區(qū)出現(xiàn)沿焊縫中心的縱向裂紋。采用碳弧氣刨清除裂紋發(fā)現(xiàn)，此裂紋深而長，基本上貫穿了整道焊縫。見下圖1：圖1 焊縫效果

2 裂紋產生原因

根據裂紋在焊縫中的位置可以判斷此裂紋為結晶熱裂紋。焊接過程中，焊縫結晶時，由于結晶的先后不同，產生了結晶偏析，造成了化學成分的不均勻，形成低熔相共晶，在凝固過程中，低熔相來不及凝固而形成液態(tài)薄膜散布于晶粒表面，在冷卻凝固過程中，當液態(tài)薄膜承受不了由于冷卻收縮而引起的拉伸應力時便會產生結晶裂紋。影響結晶裂紋的因素主要有冶金及力學兩個方面，而采購的復合鋼板、接管法蘭以及焊材都是經過嚴格的驗收的，驗收結果證明復合鋼板、接管法蘭以及焊材的質量都是合格的，因此，本文主要從力學因素方面對上述裂紋進行分析。

（1）焊接先焊內側基層，此時，接管法蘭處于垂直朝下的位置，焊內側基層前雖然在外側進行了預熱，但由于是采用加熱繩進行預熱，當接管法蘭置于筒體的正下方時，盤敷在筒體上的加熱繩便會往下垂，與筒體貼合不好，使得加熱效果不好，因而使加熱溫度達不到要求，且盤敷在筒體側的加熱繩寬度不足100mm，加熱范圍不夠，而接管法蘭側的加熱繩由于可以緊緊纏繞在接管法蘭上，因而貼合良好，加熱效果就好，由此造成了接管法蘭與筒體的溫度不均勻，即焊縫兩側溫度不均勻，造成熱應力的增加。

（2）焊縫兩側母材厚度較厚，筒體的厚度為83mm，接管法蘭的厚度超過100mm，且接管法蘭與筒體組對時采用從四個方向對稱點焊固定，屬于剛性連接。大的厚度及剛性連接，增加了焊縫的拘束應力。

（3）內側基層焊接完畢后雖然進行了后熱，但并未按工藝要求加熱到規(guī)定的溫度，且后熱時間也未達到工藝的要求，同時，后熱時雖然在筒體外側包敷了保溫棉，但內側（即焊縫）卻是裸露的，因而在冷卻時達不到緩冷的目的，且造成了內、外兩側的溫度不均勻，快的冷卻速度及大的溫度梯度也增大了熱應力的產生。

（4）坡口角度為40°，使得焊縫成形系數（焊縫寬深比）小于1，給焊縫的受力狀態(tài)、結晶條件及熱的分布造成了不利影響。

由上述分析可見，接管法蘭與筒體連接的焊接裂紋是由于拘束應力及熱應力綜合作用而產生的。

3 返修及預防措施

針對上述裂紋產生的原因，特制定下列返修及預防措施。

3.1 提高焊縫成型系數。

（1）采用火焰切割將接管法蘭取下，將其上的熔敷金屬全部去除，打磨光滑，并將筒體開孔坡口重新加工，增大坡口角度至不小于45°，再對管壁打磨表面及坡口表面做MT檢測，確認無缺陷后按照3.3條要求重新組對接管法蘭。

（2）將其他所有開孔坡口重新加工，將坡口角度增大至不小于45°。

（3）調整焊接工藝參數。采用小規(guī)格焊條進行打底焊，填充焊時也采用小電流、小電壓焊接，并控制焊接速度不宜過快。

3.2 預熱及后熱的控制

（1）提高預熱及后熱的溫度。預熱溫度控制在150～200℃，后熱溫度控制在300～350℃，后熱保溫時間必須達到1小時以上。

（2）對接管法蘭的加熱繼續(xù)采用加熱繩，但對筒體側的加熱不再使用加熱繩，改用加熱塊。加熱塊能很好的貼附在筒體上，同時也增大了加熱范圍，加熱寬度達到220mm，同時，在接管內塞入保溫棉，在待焊接側距坡口邊緣200mm范圍內的筒體上都蓋上保溫棉，只留出焊縫位置以焊接。焊接前用紅外測溫儀測量溫度，達到預熱溫度后才開始焊接。

（3）在內側基層焊接完畢后必須按要求進行后熱，后熱時必須保證溫度及保溫時間達到工藝的要求，同時焊縫內、外兩側都必須包敷保溫棉。

（4）筒體外側焊縫的焊接也必須嚴格按照上述要求執(zhí)行。

3.3 降低接頭的剛度和拘束度

接管法蘭與筒體組對時，不再在坡口內進行點焊加固，而是改為如下圖3所示方法進行固定。圖中四塊支撐板分別與筒體及接管法蘭點焊固定，使得接管法蘭與坡口根部有一定的自由度。

4 結論

（1）按上述措施對裂紋進行返修及再進行其他的接管法蘭組焊時，未再發(fā)現(xiàn)有裂紋產生，焊接質量得到了有效的控制。

（2）在對厚壁容器的接管法蘭與筒體焊接時，采取有效的措施，控制焊縫成型系數、預熱溫度、后熱溫度及時間以及降低接頭的剛度及拘束度，可以有效的預防裂紋的產生。