17管干式除塵器焊縫裂紋失效分析

張 高， 馬衛(wèi)鋒， 羅金恒， 陳志昕，馮耀榮，

（1.西安石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，西安710065；2.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安710065）

0 前 言

壓力容器是各種承受氣、液介質(zhì)壓力密閉容器的通稱，使用中易發(fā)生各種事故［1］。近幾年我國(guó)天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展快速，在全國(guó)各地建設(shè)了大量的天然氣場(chǎng)站。天然氣場(chǎng)站中的地面露天壓力容器主要有天然氣的儲(chǔ)配、調(diào)度分流、工藝處理等功能，主要包括分離器、過(guò)濾器、除塵器、清管設(shè)備等。

多管除塵器是一種利用離心分離的原理進(jìn)行工作的壓力容器，當(dāng)含塵氣體經(jīng)除塵器入口，通過(guò)導(dǎo)向器進(jìn)入等高排列的旋風(fēng)子，顆粒在旋風(fēng)子內(nèi)受離心力的作用下，經(jīng)灰斗排出，被凈化的氣體經(jīng)芯管排出，達(dá)到凈化煙氣的目的。本研究分析了某17管干式除塵器中焊縫裂紋出現(xiàn)的原因，并提出了相關(guān)的建議。

1 基本情況

某干線天然氣管道場(chǎng)站位于北方寒冷地區(qū)，在全面檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)一臺(tái)服役14年的17管干式除塵器有表面裂紋。該除塵器依據(jù)GB 150—1998《鋼制壓力容器》制造，容器長(zhǎng)度為3 697 mm、內(nèi)徑為700 mm，容器材質(zhì)為20R、厚度22 mm，設(shè)計(jì)壓力6.4 MPa。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，該17管干式除塵器輸送的介質(zhì)中含有天然氣，N2，CO2，H2S及游離水等成分，其中 H2S 的分壓為 2.2×10-3～1.04×10-2kPa， 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACE MR0175［2］中酸性環(huán)境的定義判斷， 該工作介質(zhì)分壓小于0.3 kPa，不是酸性氣體。該除塵器近3個(gè)月的工作壓力在3.940~5.433 MPa之間波動(dòng)，工作溫度為2.7~7.7℃。近三年最低環(huán)境溫度為-27.8℃。

2 檢測(cè)與試驗(yàn)分析

為了分析裂紋成因，首先對(duì)17管干式除塵器進(jìn)行了表面磁粉無(wú)損檢測(cè)，確定了裂紋位置和長(zhǎng)度。然后根據(jù)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行取樣分析，分別對(duì)筒體母材和存在裂紋的焊縫取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測(cè)試、金相試驗(yàn)及掃描電鏡形貌分析和能譜分析。

2.1 無(wú)損檢測(cè)

將17管干式除塵器的筒體分為4個(gè)截面，每個(gè)截面選取6個(gè)點(diǎn)，使用超聲波測(cè)厚儀進(jìn)行壁厚測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，除一個(gè)截面腐蝕減薄較嚴(yán)重外（減薄量為1.23 mm，腐蝕裕度為2 mm），其他3個(gè)截面減薄量小，均未超過(guò)腐蝕裕度，厚度均滿足使用要求。

使用CJZ-212E磁軛，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)筒體以及焊縫進(jìn)行磁粉無(wú)損檢測(cè)［3］，得到裂紋缺陷的位置及尺寸，如圖1所示。其中Z1，Z2為縱向焊縫，H1，H2，H3為環(huán)向焊縫。結(jié)果表明，除H2焊縫外，其余4條焊縫表面均發(fā)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的裂紋缺陷。所有焊縫外表面裂紋形貌特征相似，選取典型的縱焊縫Z2上的裂紋（長(zhǎng)度為250 mm）進(jìn)行金相和電鏡分析。圖2為該裂紋的宏觀照片。

圖1 裂紋位置及尺寸示意圖

圖2 典型裂紋宏觀照片

2.2 化學(xué)成分分析

使用ARL 4460直讀光譜儀，對(duì)母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。同時(shí)對(duì)比了GB 6654—1986《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼厚鋼板》中對(duì)該除塵器材質(zhì)20R鋼的化學(xué)成分要求，可以看出，4條有裂紋焊縫的Mn含量均高于標(biāo)準(zhǔn)［4］要求，Mn含量超標(biāo)將降低焊縫的抗腐蝕性能及焊接性能［5-6］。

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

使用SHT 4106萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和WE-600A試驗(yàn)機(jī)對(duì)母材和縱焊縫分別進(jìn)行拉伸和彎曲性能測(cè)試。拉伸試驗(yàn)取全壁厚板狀試樣，彎曲試驗(yàn)取矩形試樣，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)比相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5］，得出除塵器的拉伸和彎曲性能滿足要求。

采用JBN-500試驗(yàn)機(jī)，對(duì)17管干式除塵器的筒體和縱焊縫進(jìn)行夏比沖擊性能測(cè)試。夏比沖擊試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口試樣，試驗(yàn)溫度為-20℃和20℃。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，筒體及熱影響區(qū)的夏比沖擊功滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫Z2的-20℃沖擊功小于18 J，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)［7］要求和技術(shù)規(guī)定，說(shuō)明焊縫低溫韌性較差。

表1 取樣化學(xué)成分分析結(jié)果%

表2 試樣的拉伸及彎曲性能

表3 試樣的夏比沖擊性能

2.4 金相試驗(yàn)

對(duì)除塵器Z2焊縫試樣進(jìn)行形貌分析。通過(guò)與焊接工藝規(guī)程中接頭結(jié)構(gòu)（圖3）的對(duì)比可以看出，Z2焊縫接頭宏觀形貌明顯與焊接工藝規(guī)程中的接頭結(jié)構(gòu)不符，表明焊接工藝控制不嚴(yán)格。

采用MEF3A金相顯微鏡和MEF4M金相顯微鏡對(duì)除塵器母材和Z2焊縫進(jìn)行金相分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4?？梢钥闯?，焊縫中并未出現(xiàn)對(duì)冷裂紋十分敏感的馬氏體組織，因此基本排除外表面裂紋為冷裂紋的可能性。

對(duì)Z2焊縫裂紋進(jìn)行金相分析，除了已發(fā)現(xiàn)的外表面裂紋，還發(fā)現(xiàn)了多處內(nèi)表面裂紋，裂紋位置和深度見(jiàn)表5。

Z2焊縫裂紋的顯微組織如圖4所示。從外表面焊縫裂紋金相檢測(cè)結(jié)果可以看出，裂紋起源于外表面焊縫熔合線處，與表面基本垂直，開(kāi)口大，尖端細(xì)小，呈V字形，均為先開(kāi)裂后腐蝕特征，腐蝕產(chǎn)物呈灰色非金屬物質(zhì)，沿裂紋邊界產(chǎn)生并生長(zhǎng)，形態(tài)較致密，裂紋附近及其附近焊區(qū)組織無(wú)異常。

圖3 焊縫焊接接頭宏觀形貌與焊縫接頭簡(jiǎn)圖

表4 除塵器母材和Z2焊縫金相分析結(jié)果

表5 焊縫裂紋金相分析結(jié)果

內(nèi)表面焊縫裂紋起源于內(nèi)表面熔合線處，裂紋寬窄不一，裂紋內(nèi)有灰色非金屬物質(zhì)，靠裂紋中心非金屬物質(zhì)較疏松，為外來(lái)夾雜物，裂紋尖端附近非金屬物質(zhì)較致密，為裂紋產(chǎn)生后受工作介質(zhì)影響形成的腐蝕產(chǎn)物；裂紋附近及其附近焊區(qū)組織無(wú)異常。同時(shí)，焊縫內(nèi)表面存在未焊透焊接缺陷，并且在未焊透缺陷處由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋。

圖4 Z2焊縫裂紋顯微組織

采用TESCAN-Ⅱ型電子掃描鏡對(duì)Z2焊縫裂紋內(nèi)外表面斷口進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖5所示。可以看出，外表面焊縫裂紋斷面腐蝕產(chǎn)物主要為氧化鐵，為外裂紋在空氣中腐蝕產(chǎn)物。內(nèi)表面焊縫裂紋夾雜物含有一定數(shù)量的Ca，Si，Al等元素，明顯為外來(lái)雜質(zhì)，應(yīng)為焊接過(guò)程中帶入焊縫中。

圖5 內(nèi)外表面裂紋斷面掃描電鏡形貌及能譜分析

3 分析與討論

（1）無(wú)損檢測(cè)結(jié)果表明，除塵器Z1和Z2縱焊縫處發(fā)現(xiàn)多處裂紋，而環(huán)焊縫僅在H1環(huán)焊縫和H3環(huán)焊縫處發(fā)現(xiàn)裂紋，H2環(huán)焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋；

（2）對(duì)比縱焊縫接頭金相宏觀形貌和焊接工藝規(guī)程接頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，縱焊縫焊接工藝規(guī)程控制不嚴(yán)格。檢測(cè)的4道焊縫Mn含量均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高值，且局部焊縫-20℃夏比沖擊功小于18 J，最低為6 J，表明局部焊縫韌性較差；

（3）內(nèi)外焊縫表面裂紋均起源于焊趾應(yīng)力集中處，外表面裂紋沿焊縫表面垂直方向擴(kuò)展，縱焊縫Z2內(nèi)表面裂紋沿夾雜物方向擴(kuò)展。

針對(duì)以上結(jié)論建議：

（1）嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程進(jìn)行焊接，避免夾雜、未焊透等焊接缺陷的產(chǎn)生，并保證焊縫各項(xiàng)化學(xué)成分指標(biāo)與力學(xué)性能滿足制造標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）立即采用磁粉檢測(cè)技術(shù)對(duì)目前正在服役的同批除塵器進(jìn)行焊縫外表面檢測(cè)，采用小晶片探頭和高頻率超聲波技術(shù)手段對(duì)焊縫內(nèi)表面進(jìn)行全面檢測(cè)。出現(xiàn)焊縫裂紋問(wèn)題的除塵器位于北部冬季寒冷地區(qū)，因此應(yīng)對(duì)低溫地區(qū)運(yùn)行的同批除塵器密切監(jiān)測(cè)，縮短檢測(cè)周期。

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