氣化爐殼體環(huán)縫頻繁開(kāi)裂的技術(shù)分析

朱萬(wàn)欽

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院三門(mén)峽分院 三門(mén)峽 472000）

氣化爐殼體環(huán)縫頻繁開(kāi)裂的技術(shù)分析

朱萬(wàn)欽

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院三門(mén)峽分院 三門(mén)峽 472000）

魯奇固態(tài)排渣加壓氣化爐成本低、效益高，在煤化工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其本體采用的BHW35鋼（相當(dāng)于13MnNiMo54）合金元素含量較高，淬硬傾向較大，在制造、返修過(guò)程中，如果工藝控制不當(dāng)，容易產(chǎn)生冷裂紋和再熱裂紋，再加上氣化爐特殊的操作工藝，頻繁的升壓、降壓，使用中更容易誘發(fā)裂紋。本文著重分析氣化爐殼體產(chǎn)生裂紋的原因，并提出應(yīng)對(duì)措施。

裂紋 應(yīng)力集中 擴(kuò)散氫 焊接工藝 熱處理

筆者近期對(duì)某廠(chǎng)1#加壓氣化爐（型號(hào)MARK-Ⅳ/4）進(jìn)行定期檢驗(yàn)，在超聲波檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)該爐B5焊縫存在3條內(nèi)部裂紋，長(zhǎng)度分別為50mm、40mm、20mm，大多位于熱影響區(qū)且沿周向開(kāi)裂，深度距外表面20～30mm。該廠(chǎng)共有5臺(tái)同種類(lèi)型的氣化爐。在每次的定期檢驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)B2和B5環(huán)縫存在不同程度的裂紋，裂紋統(tǒng)計(jì)規(guī)律見(jiàn)表1。

表1 氣化爐B2、B5焊縫出現(xiàn)裂紋的統(tǒng)計(jì)

氣化爐夾套采用德國(guó)BHW35進(jìn)口材料，直徑φ4000mm，壁厚50mm，上封頭為橢圓形，下封頭為錐形，壁厚均為65mm；內(nèi)筒內(nèi)徑3848mm，材料為20g ，壁厚30mm，設(shè)備總長(zhǎng)12500mm，總重約120t，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 氣化爐技術(shù)參數(shù)

1 氣化爐殼體產(chǎn)生裂紋的原因分析

BHW35是德國(guó)鋼號(hào)，對(duì)應(yīng)中國(guó)鋼號(hào)為13MnNiMoNb，屬60kg/cm2強(qiáng)度級(jí)鋼，其特點(diǎn)是含鉬和鈮，高溫性能穩(wěn)定，強(qiáng)度高，低溫沖擊性也較好?；瘜W(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表3、表4。

表3 BHW35鋼的化學(xué)成分

表4 BHW35鋼的力學(xué)性能

1.1 高的碳當(dāng)量決定其可焊性差，制造時(shí)焊縫宜產(chǎn)生冷裂紋

隨著鋼中碳含量和合金元素的增加，鋼材的焊接性會(huì)變差。根據(jù)國(guó)際公認(rèn)的碳當(dāng)量公式：Ceq=C+Mn/6+（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15=0.13+1. 3/6+（0.3+0.3）/5+0.8/15=0.53% ，當(dāng)Ceq值小于0.40%時(shí)，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好；當(dāng)Ceq值大于0.4%～0.6%時(shí)，特別當(dāng)大于0.5%時(shí)，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時(shí)需要采取預(yù)熱、后熱及選用低氫型焊材等一系列工藝措施。而B(niǎo)HW35鋼的碳當(dāng)量Ceq=0.53%，屬可焊性較差的材料，容易產(chǎn)生冷裂紋。

定期檢驗(yàn)時(shí)，從資料審查過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)設(shè)備在制造過(guò)程中都存在有不同程度的返修，這為運(yùn)行時(shí)誘發(fā)裂紋埋下了隱患，從歷次出現(xiàn)裂紋的位置、走向及形態(tài)來(lái)看也證明了這一點(diǎn)。

1.2 高的殘余應(yīng)力是誘發(fā)焊縫開(kāi)裂的主要因素

由于氣化爐筒體壁厚較大，在制造和維修過(guò)程中，容易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力和局部預(yù)熱產(chǎn)生的附加應(yīng)力，這些應(yīng)力疊加后，對(duì)焊縫形成極大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致在使用中產(chǎn)生開(kāi)裂，特別是在用設(shè)備的焊縫維修，產(chǎn)生的附加殘余應(yīng)力則更大，運(yùn)行中多次在返修部位出現(xiàn)開(kāi)裂足以得到證明。

1.3 制造時(shí)非超標(biāo)缺陷氣孔和夾渣的存在為設(shè)備運(yùn)行時(shí)焊縫的開(kāi)裂埋下了隱患

在對(duì)1#、2#和5#設(shè)備的資料審查時(shí)均發(fā)現(xiàn)B2和B5焊縫存在有非超標(biāo)缺陷（氣孔和夾渣），在這些部位均產(chǎn)生過(guò)裂紋。因?yàn)閵A渣的端部具有尖銳的特征，具有很大的應(yīng)力集中，在主應(yīng)力的作用下夾渣的端部很容易誘發(fā)裂紋。而氣孔的存在則為焊縫中殘余的擴(kuò)散氫在高溫下向其聚集提供了條件，當(dāng)擴(kuò)散氫聚集到一定程度也會(huì)誘發(fā)裂紋。因此設(shè)備在運(yùn)行和定期檢驗(yàn)時(shí)要重點(diǎn)對(duì)制造中存在氣孔、夾渣等焊縫部位做重點(diǎn)檢測(cè)。

1.4 結(jié)構(gòu)的影響

B2焊縫位于夾套內(nèi)液位經(jīng)常波動(dòng)的部位，具有較大的溫差應(yīng)力，熱疲勞是該焊縫容易產(chǎn)生裂紋的主要根源。B5處于設(shè)備的結(jié)構(gòu)突變位置（壁厚和形狀突變），由于結(jié)構(gòu)的不連續(xù)而產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)一步增強(qiáng)焊縫的應(yīng)力集中是其經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的本質(zhì)原因。

1.5 運(yùn)行工況的影響

該設(shè)備的運(yùn)行工況為間歇作業(yè)，內(nèi)筒內(nèi)從煤層加料到全部產(chǎn)生氣化大約4h，內(nèi)筒泄壓后再重新加料，工藝操作過(guò)程中頻繁的升壓、降壓，升壓產(chǎn)生拉應(yīng)力、降壓產(chǎn)生壓應(yīng)力，頻繁的產(chǎn)生拉、壓應(yīng)力，屬疲勞工況，疲勞使焊縫誘發(fā)裂紋的一個(gè)重要外在條件。

1.6 返修時(shí)熱處理工藝的影響

對(duì)夾套焊縫返修時(shí)大部分采用從外側(cè)返修，內(nèi)筒不割除，這樣在做熱處理時(shí)電加熱帶僅能在外側(cè)加熱，內(nèi)壁無(wú)法實(shí)現(xiàn)保溫，對(duì)于50mm和65mm的筒體來(lái)說(shuō)，外部溫度達(dá)到了規(guī)定溫度，但筒體內(nèi)壁溫度不一定能達(dá)到。溫度和保溫時(shí)間是熱處理工藝的兩個(gè)重要的參數(shù)，但溫度是其決定性的作用，同時(shí)維修單位提供的焊縫工藝評(píng)定基本上都是爐內(nèi)熱處理的評(píng)定，與現(xiàn)場(chǎng)熱處理的條件差別還是很大，因此表面上看嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行了熱處理，但實(shí)際上卻不能起到焊后消應(yīng)力和降低擴(kuò)散氫的作用，導(dǎo)致返修的焊縫部位產(chǎn)生更高的殘余應(yīng)力和高的擴(kuò)散氫含量，一定程度上為該返修部位再次產(chǎn)生開(kāi)裂奠定了基礎(chǔ)。

2 應(yīng)對(duì)措施

2.1 設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)

1）使B5的位置上移遠(yuǎn)離設(shè)備的結(jié)構(gòu)突變位置，減小由于結(jié)構(gòu)原因而造成的應(yīng)力集中。這樣勢(shì)必會(huì)增加制造成本，但可有力改善焊縫的應(yīng)力分布，有利于設(shè)備的安全運(yùn)行。

2）制造時(shí)合理選擇鋼板的尺寸，避免使B2焊縫位于液位經(jīng)常波動(dòng)的部位，減少溫差應(yīng)力而使焊縫過(guò)早的疲勞。

2.2 運(yùn)行環(huán)節(jié)

1）嚴(yán)格按照操作工藝規(guī)程，緩慢升壓和降壓，嚴(yán)禁超溫超壓。

2）盡量保持負(fù)荷穩(wěn)定，減小液位波動(dòng)，避免頻繁啟停。

3）對(duì)B2和B5焊縫加強(qiáng)監(jiān)控，每次停車(chē)檢修時(shí)對(duì)其進(jìn)行100%的UT和MT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂紋及時(shí)進(jìn)行維修處理。

2.3 維修環(huán)節(jié)

1）維修單位應(yīng)根據(jù)設(shè)備維修的實(shí)際情況進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，特別是熱處理工藝應(yīng)反映實(shí)際維修工況。

2）焊接材料應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行烘干，焊工應(yīng)具有相應(yīng)材料和焊接位置的特種設(shè)備作業(yè)項(xiàng)目。

3）不管是單面維修還是雙面，熱處理均應(yīng)在內(nèi)壁和外壁保溫，且均加裝熱電偶，只有兩側(cè)溫度都達(dá)到熱處理溫度時(shí)方可記錄保溫時(shí)間，嚴(yán)格按熱處理工藝進(jìn)行。

3 結(jié)論

1）焊縫開(kāi)裂的主要因素是焊縫承受的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力、溫差應(yīng)力和設(shè)備間歇運(yùn)行產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力。

2） B2焊縫位于夾套內(nèi)液位經(jīng)常波動(dòng)的部位，具有較大的溫差應(yīng)力，熱疲勞是該焊縫容易產(chǎn)生裂紋的主要根源。B5處于設(shè)備的結(jié)構(gòu)突變位置，較大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力使其經(jīng)常出現(xiàn)裂紋的本質(zhì)原因。

3）返修時(shí)內(nèi)外壁均加裝熱電偶是確保熱處理質(zhì)量的關(guān)鍵。

4）設(shè)計(jì)制造時(shí)考慮B2和B5所處的位置是其不發(fā)生開(kāi)裂的有效措施，同時(shí)加強(qiáng)設(shè)備的制造質(zhì)量，盡可能的減少非超標(biāo)缺陷的存在

［1］ 焊接手冊(cè) 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編，1992.

［2］ 周振豐，張文鋮.焊接冶金及金屬的焊接性（第二版）［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

［3］ 氣化爐竣工圖和竣工技術(shù)文件.

The Technical Analysis of Crack on the Gasifi er Shell Girth

Zhu Wanqin
（Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing， Sanmenxia Branch Sanmenxia 472000）

Luqi solid-state discharge pressurized gasifier with low cost and high efficiency， has been widely used in the coal chemical industry. Whose matrix with higer hardening tendency， is made of the BHW35 steel（equivalent to 13MnNiMo54） alloy element with higher content. It is easy to produce cold crack and reheat crack in the process of manufacture and repair if the process control is improper. Furthermore， the operation of the special gasifier craft， frequent step-up and step-down pressure， is more likely to induce cracks. The author emphatically analyses the reason of gasifi er shell crack， and puts forward the countermeasures in the article.

Crack Stress concentration Diffusible hydrogen Welding procedure Heat treatment

X933.4

B

1673-257X（2015）04-65-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.016

朱萬(wàn)欽（1966～），男，本科，副院長(zhǎng)，工程師，從事鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

2015-03-18）