厚壁容器接管焊接裂紋的原因分析及應(yīng)對(duì)措施

尹大如

【摘要】通過(guò)對(duì)厚壁容器接管焊接裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，制定了合理的修復(fù)工藝、采取相應(yīng)的防范措施，成功的修復(fù)了接管焊接裂紋、優(yōu)化了制造工藝。

【關(guān)鍵詞】厚壁容器 接管焊接裂紋 原因分析 修復(fù) 優(yōu)化工藝

我公司中標(biāo)某石化廠冷高壓分離器，該設(shè)備殼體材質(zhì)為16Mn鍛件。封頭厚度150+4（堆焊TP316L）mm，筒體厚度250+4（堆焊TP316L）mm，總高度16.5米，管口數(shù)量為13個(gè)，最大的接管人孔接管的公稱直徑為DN600，最小的接管液位計(jì)口接管的公稱直徑為DN80，總重量280噸。由于我公司以前有制造板焊式加氫反應(yīng)器的經(jīng)驗(yàn)（厚度在150mm左右），并且冷高壓分離器雖然厚度比加氫反應(yīng)器厚一些，但是材料并不特殊，所以從思想上沒(méi)有引起足夠的重視，在制造上就采用了板焊式加氫反應(yīng)器的焊接工藝。

在制造過(guò)程中，接管外側(cè)焊完后，在內(nèi)側(cè)清根過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有局部裂紋，裂紋的總清除長(zhǎng)度在200-400mm左右，寬度在50-80mm，深度70-130mm，局部裂紋沿焊縫切線方向延伸至筒體母材60mm。

1 原因分析

裂紋的產(chǎn)生主要有下列原因：

（1）焊前及焊接過(guò)程中的加熱范圍小，預(yù)熱溫度控制不好，焊接過(guò)程中對(duì)預(yù)熱溫度沒(méi)有進(jìn)行有效的監(jiān)控。

焊前及焊接過(guò)程中的預(yù)熱溫度控制是避免產(chǎn)生冷裂紋的重要措施，預(yù)熱溫度失控，極易造成裂紋。

產(chǎn)生裂紋的幾個(gè)接管，預(yù)熱過(guò)程中的加熱范圍太小，容易造成預(yù)熱溫度不夠且不均勻。這臺(tái)設(shè)備的接管與筒體24小時(shí)焊接，特別是在晚上焊接時(shí)，由于沒(méi)有檢驗(yàn)員對(duì)預(yù)熱溫度進(jìn)行抽檢，而熱處理工對(duì)預(yù)熱溫度的監(jiān)控又不夠重視，造成焊接時(shí)預(yù)熱溫度不到位。

（2）焊接過(guò)程斷斷續(xù)續(xù)。

對(duì)于厚壁設(shè)備的接管與筒體的焊縫，拘束應(yīng)力非常大，焊接時(shí)容易從根部產(chǎn)生冷裂紋。理想的狀態(tài)是焊縫一次焊完，但設(shè)備制造過(guò)程中由于人力資源方面的原因，部分接管沒(méi)有一次焊完，增加了出現(xiàn)裂紋的可能性。

（3）一面焊接完成后沒(méi)有及時(shí)對(duì)另一面進(jìn)行清根。

產(chǎn)生裂紋的幾個(gè)接管一面焊接完成后，另一面沒(méi)有及時(shí)清根，這也增加了出現(xiàn)裂紋的可能性。

事后了解到，國(guó)內(nèi)其他廠家也發(fā)生過(guò)由于清根不及時(shí)而導(dǎo)致加氫反應(yīng)器的接管與筒體焊縫出現(xiàn)嚴(yán)重的裂紋。

某廠1臺(tái)加氫反應(yīng)器（母材2.25C r-1Mo）的熱電偶管與筒體的焊接中，預(yù)熱溫度保持在200-250℃，外側(cè)焊縫一次焊完，焊后立即進(jìn)行焊后中間熱處理，并在熱態(tài)清根處理，內(nèi)側(cè)焊接完成后進(jìn)行消氫處理，焊縫檢測(cè)合格。而同臺(tái)設(shè)備的另外幾個(gè)接管與筒體焊縫，采用外側(cè)一次焊完，先局部消氫處理，擱置一段時(shí)間后再并爐進(jìn)行中間焊后熱處理，結(jié)果有部分接管產(chǎn)生了縱向裂紋，遍布環(huán)縫整圈，并由根部向外表擴(kuò)展，幾乎裂透，制造廠將接管全部割除，并對(duì)裂紋的性質(zhì)及原因進(jìn)行分析，主要原因是焊接結(jié)構(gòu)剛性大且焊后消氫不夠而產(chǎn)生的氫致裂紋。經(jīng)解剖檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，宏觀端口上有多處裂紋源，焊根及夾雜物不僅導(dǎo)致了應(yīng)力集中，而且造成了氫的聚集。斷口微觀具有解理、準(zhǔn)解理及二次裂紋等氫脆特性[1]。

2 應(yīng)對(duì)措施

2.1 改進(jìn)加熱方式及加強(qiáng)對(duì)預(yù)熱溫度的監(jiān)控

（1）焊接焊縫外側(cè)時(shí)，內(nèi)側(cè)電熱板覆蓋寬度必須包括整個(gè)接管端面以及焊縫內(nèi)側(cè)外圍300mm范圍；焊縫外側(cè)施焊坡口周圍（包括筒體側(cè)、接管側(cè)；僅露出坡口，不影響施焊即可）500mm范圍鋪設(shè)保溫棉保溫；接管內(nèi)部也需塞上保溫棉，具體如圖2所示。

（2）焊接焊縫內(nèi)側(cè)時(shí)，外側(cè)電熱板覆蓋寬度必須包括焊縫兩側(cè)300mm范圍（包括筒體側(cè)、接管側(cè)）；焊縫內(nèi)側(cè)包括整個(gè)接管端面以及焊縫內(nèi)側(cè)外圍500mm范圍（僅露出坡口，不影響施焊即可）鋪設(shè)保溫棉保溫；接管內(nèi)部也需塞上保溫棉。

（3）在改進(jìn)加熱方式的同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)預(yù)熱溫度的監(jiān)控。每30分鐘測(cè)溫一次，并形成記錄，每個(gè)接管每次測(cè)溫至少4個(gè)點(diǎn)，同時(shí)在距離坡口150mm處對(duì)稱布置2個(gè)熱電偶。

2.2 剩余接管施焊時(shí)，連續(xù)施焊，中途不得停工

2.3 剩余接管施焊時(shí)，要求在正面施焊厚度至50～70mm時(shí)，在熱態(tài)下對(duì)反面進(jìn)行清根，并將反面焊完

然后再進(jìn)行正面的焊接，全部焊完后再進(jìn)行中間熱處理。3 應(yīng)對(duì)措施效果

按照改進(jìn)后的工藝要求進(jìn)行焊接的接管與筒體焊縫進(jìn)行RT、UT、MT檢測(cè)時(shí)全部一次合格，說(shuō)明應(yīng)對(duì)措施是可行的，有效的。

4 接管焊接裂紋的修復(fù)

4.1 修復(fù)工藝

（1）加熱方式及對(duì)預(yù)熱溫度的監(jiān)控方式與應(yīng)對(duì)措施中的一致。

（1）清除至150mm時(shí)，如果裂紋完全清除干凈，去除滲碳層后，繼續(xù)焊接，焊接完后做560℃中間熱處理。

（2）清除至150mm時(shí)，如果深度方向還未清除干凈（但是內(nèi)側(cè)部分0～150mm厚度內(nèi)的裂紋必須清除干凈，不允許挖洞式去除裂紋；裂紋清除時(shí)，裂紋上部的金屬也必須去除，并且與周圍有一定坡度），去除滲碳層后，也應(yīng)該焊掉，內(nèi)側(cè)焊完后進(jìn)行中間熱處理；之后從外側(cè)開始返修，外側(cè)焊完后再次進(jìn)行中間熱處理。

4.2 修復(fù)效果

按照修復(fù)工藝完成修復(fù)后進(jìn)行RT、UT、MT檢測(cè)全部一次合格，說(shuō)明修復(fù)工藝是可行的，有效的。

5 修復(fù)過(guò)程中的注意要點(diǎn)

5.1 處于筒體邊緣的接管焊縫應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注

（1）筒體邊緣的接管預(yù)熱時(shí)，如果加熱板控制器設(shè)定的功率一樣，會(huì)造成距離筒體邊緣近的一側(cè)溫度高，另一側(cè)的溫度低（因?yàn)殇搨鳠峥?，空氣傳熱慢）；為了使接管周圍的溫度控制均勻，就需要跟蹤?shí)測(cè)溫度把控制柜上的功率分開設(shè)定；這樣雖然實(shí)測(cè)的溫度相對(duì)比較均勻，但是各處在單位時(shí)間里的散熱還是差別很大（散熱速度不平衡會(huì)造成應(yīng)力的不均勻）。

（2）再一個(gè)原因是，筒體邊緣的接管受到的拘束應(yīng)力非常的不均勻。

（3）針對(duì)以上兩點(diǎn)：在加熱時(shí)應(yīng)該把距離筒體邊緣近的一側(cè)的筒體的端部全部用保溫棉包裹好，在另一側(cè)應(yīng)該加大加熱片的加熱面積。使傳熱和拘束應(yīng)力盡量均勻，這樣可以減少應(yīng)力并且促進(jìn)應(yīng)力平衡。

5.2 止裂坑的設(shè)置

在清除裂紋過(guò)程中，如果發(fā)現(xiàn)有裂紋沿焊縫切線方向裂向母材時(shí)，應(yīng)及時(shí)的在裂紋擴(kuò)展方向的正前方100mm處設(shè)置止裂坑，深度應(yīng)該超過(guò)裂紋深度30mm為宜。5.3 二次返修時(shí)缺陷位置的確定

（1）由于拍片時(shí)，鏡頭與焊縫成一定角度，造成片子上面的缺陷與實(shí)際有一定偏移，而且焊縫較厚時(shí)對(duì)缺陷有放大效果。這樣會(huì)造成在底片下找不到缺陷，使返修變得盲目，對(duì)工期和質(zhì)量影響甚大。

（2）因此，在返修前應(yīng)該使用UT確定缺陷的具體位置，并且讓焊工與評(píng)片人員共同參與返修，這樣返修時(shí)才能游刃有余。

6 總結(jié)

（1）對(duì)于厚度250mm的16Mn鍛件來(lái)說(shuō)，焊接應(yīng)力對(duì)裂紋的產(chǎn)生起到了主要作用，尤其是接管焊縫的應(yīng)力。所以在制造過(guò)程中如何減少焊接應(yīng)力、消除焊接應(yīng)力至關(guān)重要。目前來(lái)看，保持有效的預(yù)熱，使用合理的消應(yīng)力方法非常關(guān)鍵。

（2）在保證預(yù)熱的情況下，及時(shí)進(jìn)行清根非常重要。當(dāng)母材厚度超過(guò)150mm時(shí)，正面在焊接至50～100mm厚度時(shí)就應(yīng)該先清根，之后再繼續(xù)焊接。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁耀如.加氫反應(yīng)器制造與使用中的問(wèn)題及

對(duì)策[J].石油化工設(shè)備，2004，33（2）：70-72