蒸發(fā)器加熱室焊縫開(kāi)裂的原因及措施探討

黃世省

摘要：現(xiàn)代社會(huì)，隨著經(jīng)濟(jì)和工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，氧化鋁廠的產(chǎn)能也越來(lái)越大，發(fā)展到現(xiàn)在已達(dá)到單條生產(chǎn)線120萬(wàn)噸/年，在形成規(guī)模效應(yīng)的同時(shí)，也對(duì)生產(chǎn)線的設(shè)備質(zhì)量提出了更高的要求。本文主要對(duì)溶出系統(tǒng)的蒸發(fā)器加熱室管板焊縫開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析和研究，初步確定應(yīng)力腐蝕—堿脆是導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂的主要原因，在對(duì)蒸發(fā)器進(jìn)行焊接的過(guò)程中焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致蒸發(fā)器焊縫開(kāi)裂的主要應(yīng)力，并針對(duì)性地提出了一些相應(yīng)的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：蒸發(fā)器；焊縫開(kāi)裂；原因；措施；研究

蒸發(fā)器是氧化鋁工程確保形成氧化鋁生產(chǎn)能力的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)備直徑為3m～5m不等，由加熱室和分離器組成，總高度約為17m左右。主要材質(zhì)為Q345R，板厚依設(shè)備直徑和工作壓力不同而不等，一般為10～30mm，加熱室管板厚度為70mm～120mm。設(shè)備工作壓力范圍在-0.1～4MPa不等，工作溫度在140～250℃，屬Ⅰ～Ⅱ類鋼制壓力容器。焊縫接頭系數(shù)為1.0，A、B類焊縫100%射線檢測(cè)，符合JB4730中Ⅱ級(jí)以上為合格。設(shè)備焊后要求整體熱處理。加熱室為管殼式熱交換設(shè)備，殼程介質(zhì)為蒸汽，管程介質(zhì)為Na2AlO2料液；設(shè)備在使用過(guò)程中，由于受到Na2AlO2料液的腐蝕作用，管程中的換熱管、管板使用壽命大為縮短，停車(chē)檢修和更換費(fèi)用使運(yùn)營(yíng)成本大為提高。特別是管板由于堿脆開(kāi)裂失效，導(dǎo)致極大的浪費(fèi)。加熱室中的管板、換熱管在使用過(guò)程中由于堿脆導(dǎo)致的設(shè)備失效，是影響設(shè)備使用壽命的關(guān)鍵因素，預(yù)防和減輕堿脆、延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命是設(shè)備制造不可忽視的命題。

在我公司為某鋁業(yè)公司檢修過(guò)程中，就碰到了Ⅰ效加熱室堿脆導(dǎo)致管板開(kāi)裂失效的事件，不得已委托我公司制作新設(shè)備進(jìn)行更換。停產(chǎn)檢修更換給鋁業(yè)公司帶來(lái)了巨大損失。為了避免類似事件發(fā)生，我公司對(duì)該設(shè)備堿脆失效原因進(jìn)行了分析研究，并提出了一些制造過(guò)程中的預(yù)防措施。

1、加熱室焊縫開(kāi)裂原因分析

（1）設(shè)備堿脆現(xiàn)狀

該Ⅰ效加熱室為管殼式熱交換設(shè)備，殼程介質(zhì)為蒸汽，管程介質(zhì)為Na2AlO2料液；工作溫度殼程為200℃，管程為160℃；工作壓力殼程為-0.1～0.6MPa，管程為-0.1～0.6MPa，屬Ⅰ類壓力容器。殼體材料為16MnR（Q345R），板厚16mm；殼程管板材料為16MnR（Q345R），板厚70mm，換熱管材料為P265GH ENl0216-2+S.C（注：機(jī)械結(jié)構(gòu)碳素鋼，日本產(chǎn)的一種碳素鋼無(wú)縫管。），規(guī)格為￠54×2.6mm。蒸發(fā)加熱面積為1500m2。我們?cè)趯?duì)該容器進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，加熱室內(nèi)部所有與液體介質(zhì)接觸的部位在焊縫上都出現(xiàn)了不同程度的開(kāi)裂的現(xiàn)象，特別是管板與筒體的角焊縫開(kāi)裂最為嚴(yán)重。按照裂紋所處的位置以及裂紋的相關(guān)走向進(jìn)行分類，可以分為以下主要幾類：一是沿著管板內(nèi)熔合線進(jìn)行擴(kuò)展的裂紋；二是沿著焊道擴(kuò)展的焊縫縱向裂紋；三是位于焊縫內(nèi)部、橫過(guò)焊道擴(kuò)展的焊縫橫向裂紋。在這三種焊縫裂紋中尤其以熔合線裂紋的出現(xiàn)是最多的，而且裂紋的危險(xiǎn)程度也是最高的，一旦出現(xiàn)熔合線裂紋，大多是在焊縫雙側(cè)出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象。

（2）試件分析

為了分析蒸發(fā)器焊縫開(kāi)裂的原因和性質(zhì)，我們從蒸發(fā)站現(xiàn)場(chǎng)更換下來(lái)的加熱室殼體與管板焊縫開(kāi)裂部位切取試件進(jìn)行分析研究。試件的尺寸為60mm×50mm×16mm，從試件表面進(jìn)行外觀檢查就會(huì)發(fā)現(xiàn)，試件內(nèi)壁和外部都出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，而且試件大部分的銹蝕都出現(xiàn)了暗褐色，在一些局部的區(qū)域出現(xiàn)了紅棕色，而且不用借助任何的工具，通過(guò)肉眼就可以清晰的看見(jiàn)在試件的焊縫處出現(xiàn)了比較明顯的裂紋，我們分別進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)和金相分析。

1）宏觀檢驗(yàn)

我們通過(guò)肉眼和低倍放大鏡對(duì)試件進(jìn)行宏觀檢驗(yàn)，經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察，可以發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)的裂紋是比較多的，我們將這些裂紋進(jìn)行分類主要是可以分為熔合線裂紋、焊縫縱向裂紋和焊縫橫向裂紋三類，如下圖所示。通過(guò)試件宏觀檢驗(yàn)表明，焊縫開(kāi)裂試件中出現(xiàn)的所有裂紋其實(shí)主要是來(lái)源于內(nèi)壁，然后是逐漸的向外進(jìn)行擴(kuò)展的，而且在擴(kuò)展的過(guò)程中還出現(xiàn)了一些分叉。

a.焊縫縱向裂紋 b.焊縫橫向裂紋 c.熔合線裂紋

2）金相檢驗(yàn)

金相檢驗(yàn)試樣采用冷法加工磨制。在金相顯微鏡下用不同的倍率分別對(duì)焊縫縱向裂紋、橫向裂紋和熔合線裂紋進(jìn)行觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)：

①各種裂紋的擴(kuò)展途徑曲折延伸；

②熔合線裂紋的出現(xiàn)主要是位于焊縫熱影響區(qū)，與焊縫的擴(kuò)展方向平行；

③裂紋存在著顯微分叉現(xiàn)象；

④焊縫的金相組織出現(xiàn)了復(fù)雜情況，主要是由多種形態(tài)的鐵素體和滲碳體組成。

3）相關(guān)的結(jié)論

通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行宏觀分析和微觀分析，我們是可以得出以下的結(jié)論：

①加熱室焊縫試件的裂紋都是來(lái)源于內(nèi)壁，說(shuō)明這些的裂紋的出現(xiàn)是與加熱室內(nèi)的介質(zhì)是有關(guān)系的。

②加熱室焊縫試件的裂紋主要是起源于焊接接頭區(qū)內(nèi)。通常在相關(guān)的焊接結(jié)構(gòu)中，焊接接頭是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)，存在較高的焊接殘余應(yīng)力和各種各樣的焊接缺陷。在加熱室的焊接接頭處出現(xiàn)了裂紋，說(shuō)明這種裂紋的出現(xiàn)是與接頭區(qū)內(nèi)的許多缺陷是有關(guān)的，是裂紋萌生主要區(qū)域。

③一般來(lái)說(shuō)，腐蝕疲勞裂紋主要是成群的出現(xiàn)的，而且腐蝕疲勞裂紋的發(fā)展平直，是很少出現(xiàn)分叉的；但是應(yīng)力腐蝕裂紋與其則恰好相反，應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)展大多數(shù)是曲折的，而且還會(huì)出現(xiàn)較多的宏觀分叉和顯微分叉。從以上對(duì)加熱室焊縫裂紋分析可以發(fā)現(xiàn)，裂紋的形貌符合應(yīng)力腐蝕裂紋的相關(guān)特征。

（3）相關(guān)原因的確認(rèn)

從以上分析可以得出蒸發(fā)器加熱室焊縫開(kāi)裂的原因主要是因?yàn)閼?yīng)力腐蝕—堿脆所致，主要有以下依據(jù)：

1）通過(guò)對(duì)試件進(jìn)行宏觀和微觀分析發(fā)現(xiàn)，試件上的裂紋具有應(yīng)力腐蝕的特征，裂紋呈現(xiàn)宏觀分叉和顯微分叉，而且相關(guān)的裂紋傳播方向主要是由內(nèi)壁向外壁擴(kuò)展，微觀走向主要是沿晶間開(kāi)裂。endprint

2）加熱室工況具備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕（堿脆）所必須的三個(gè)條件：一是較高濃度的氫氧化鈉溶液，試驗(yàn)指出，濃度大于10%的堿液即足以引起鋼的堿脆。管程中的Na2AlO2料液堿濃度雖然不會(huì)達(dá)到產(chǎn)生堿脆的程度，但在局部地方，常常會(huì)因?yàn)闅溲趸c富集而使料液的堿濃度增大。例如在焊縫表面及其他一些存在縫隙的地方，料液進(jìn)入后常被逐漸濃縮，就很有可能達(dá)到堿脆所需要的濃度。二是較高的溫度，堿脆的溫度范圍較寬，但最容易引起堿脆的溫度是在溶液的沸點(diǎn)附近。加熱器中堿的濃度、工作壓力和工作溫度之間存在一個(gè)函數(shù)關(guān)系，具備使溶液達(dá)到沸點(diǎn)的條件。三是拉伸應(yīng)力，可以是外載荷引起的應(yīng)力，也可以是殘余應(yīng)力，或者是兩者的聯(lián)合作用。加熱器的管板與殼體焊接過(guò)程中受熱的不均勻變形存在一定的拉伸應(yīng)力，換熱管的脹接以及在正常運(yùn)行情況下，管板承受一定的壓力并處在較高的溫度和拉伸應(yīng)力的作用下，局部區(qū)域也存在不均勻的應(yīng)力。拉伸應(yīng)力的大小雖然是堿脆的一個(gè)影響因素，但更重要的因素是應(yīng)力的均勻與否，局部的拉伸應(yīng)力最容易引起堿脆。

3）容器焊縫開(kāi)裂的時(shí)候僅僅是發(fā)生在部件中接觸溶液的位置上，而容器上沒(méi)有接觸到溶液的其他部位卻沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他的裂紋。

4）容器部件的焊縫上出現(xiàn)開(kāi)裂其實(shí)是容器在運(yùn)行了一段時(shí)間之后出現(xiàn)的，而相關(guān)的設(shè)備操作是不具備其他失效模式的工藝條件和使用環(huán)境。

2、產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的主要應(yīng)力

從蒸發(fā)器加熱室產(chǎn)生堿脆的原因分析中可以發(fā)現(xiàn)，高濃度堿溶液和高溫度工作條件是比較容易進(jìn)行測(cè)量的，主要是由相關(guān)生產(chǎn)工藝的需要而確定，一般是很難進(jìn)行相關(guān)的適應(yīng)性調(diào)整或者是進(jìn)行較大的改變。而第三項(xiàng)也就是臨界以上的拉伸應(yīng)力這個(gè)條件是屬于應(yīng)力方面的因素，這個(gè)因素比較復(fù)雜，而且對(duì)于一些應(yīng)力的比較是很難進(jìn)行確定和控制的。

經(jīng)過(guò)對(duì)蒸發(fā)器加熱室各個(gè)部件的應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算就會(huì)發(fā)現(xiàn)，殼程筒體受內(nèi)壓產(chǎn)生的最大應(yīng)力也就是周向應(yīng)力約為14 MPa，加熱室管板的最大應(yīng)力也就是環(huán)向應(yīng)力約為11.2 MPa，加熱室換熱管的最大應(yīng)力（周向）約為13.75 MPa，由于接管開(kāi)孔導(dǎo)致的最大局部應(yīng)力小于等于55 MPa，而殼體材料Q345R工作溫度下允許的許用應(yīng)力183MPa，換熱管20#鋼管工作溫度下允許的許用應(yīng)力131MPa，加熱室所受到的應(yīng)力都遠(yuǎn)低于材料的許用應(yīng)力。從這我們就可以看出，容器部件由于工況承載的內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力是很小的，其中也包括結(jié)構(gòu)不連續(xù)應(yīng)力在內(nèi)的綜合應(yīng)力也是不大的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)是低于材料的屈服強(qiáng)度。加熱室筒體的開(kāi)孔部位，雖然在一定的程度上存在著較大的熱應(yīng)力，但是由于軸向壓縮應(yīng)力以及由于該部分不接觸相關(guān)溶液，所以不存在導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的拉伸應(yīng)力。

通過(guò)以上的分析我們是可以認(rèn)為，容器的各個(gè)承載部件在內(nèi)壓的作用下所產(chǎn)生的相關(guān)應(yīng)力，是不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，而且一些相關(guān)部件的開(kāi)裂部位是集中在焊縫上，所以我們認(rèn)為蒸發(fā)器焊縫開(kāi)裂的應(yīng)力因素主要是由于焊接的殘余應(yīng)力，這與應(yīng)力腐蝕的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)的事實(shí)是一致的。

3、相關(guān)預(yù)防措施

（1）嚴(yán)格控制材料供貨狀態(tài)

加熱器管板材料為Q345R，板厚70mm。由于設(shè)計(jì)沒(méi)有給出材料的供貨狀態(tài)，可供選擇的供貨技術(shù)條件為：1）熱軋、控軋；2）正火狀態(tài)交貨（抗氫鋼、HIC、R-HIC）；3）正火+回火狀態(tài)交貨；4）調(diào)質(zhì)狀態(tài)供貨。由于管板厚度較大，熱軋狀態(tài)下供貨，材料內(nèi)部組織不均勻、應(yīng)力較大，容易導(dǎo)致發(fā)生堿脆。正火狀態(tài)下供貨，材料內(nèi)部獲得較為細(xì)密、均勻的組織，且釋放了軋制過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，有利于預(yù)防和減少堿脆的發(fā)生。

（2）改進(jìn)蒸發(fā)器加熱室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)防蒸發(fā)器加熱室發(fā)生應(yīng)力腐蝕，最根本的辦法就是改進(jìn)蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，改善結(jié)構(gòu)，避免發(fā)生很高的局部應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

a.改進(jìn)前筒體與管板接頭型式 b.改進(jìn)后筒體與管板接頭型式

通過(guò)將加熱室管板與筒體的焊接接頭型式由角焊縫改為對(duì)接焊縫并且全熔透焊，可以減少接頭的焊接應(yīng)力和改善接頭的受力狀況。

（3）進(jìn)行嚴(yán)格的消除應(yīng)力熱處理

管板部件由于板厚較大（70mm），在鉆孔加工過(guò)程中存在局部擠壓應(yīng)力和表面過(guò)熱（藍(lán)脆）現(xiàn)象。在粗加工后精加工前，可進(jìn)行一次完全退火，即加熱到Ac3以上30～50℃（850℃+30～50℃），保溫2.4h后隨爐冷卻，以獲得細(xì)化晶粒、消除內(nèi)應(yīng)力、降低硬度、改善切削加工性能。

加熱器總裝焊接完成后，在水壓試驗(yàn)之前按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行整體退火。焊后熱處理為去應(yīng)力退火，根據(jù)《鋼制壓力容器焊接規(guī)程》，退火溫度為600～640℃，保溫時(shí)間按容器中最厚的板厚選取。加熱器中最厚的部件為管板（70mm），最短保溫時(shí)間為（2+ × ）h，即2.4h。熱處理工藝如下：

1）、焊件進(jìn)爐時(shí)，爐內(nèi)溫度不得高于400℃。

2）、焊件升溫至400℃后，加熱區(qū)升溫速度不得超過(guò)71℃/h，最小可為50℃/h。

3）、焊件升溫期間，加熱區(qū)內(nèi)任意長(zhǎng)度為5000mm內(nèi)的溫差不得大于120℃。

4）、當(dāng)爐內(nèi)溫度升至600～640℃后，保溫最短時(shí)間不少于2.4小時(shí)。

5）、焊件保溫期間，加熱區(qū)內(nèi)最高與最低溫度之差不宜大于65℃。

6）、保溫后，焊件溫度高于400℃時(shí)，加熱區(qū)降溫速度不得超過(guò)92 ℃/h。最小可為50℃/h。

7）、焊件出爐時(shí)，爐溫不得高于400℃，出爐后應(yīng)在靜止的空氣中冷卻。

熱處理工藝示意圖

（4）腐蝕介質(zhì)與焊縫的隔離措施

對(duì)于一些已經(jīng)投產(chǎn)的設(shè)備或者是已經(jīng)使用的設(shè)備如果沒(méi)有進(jìn)行退火處理，可以根據(jù)實(shí)際的情況，采取相應(yīng)的措施將腐蝕介質(zhì)與焊縫進(jìn)行隔離處理，主要是將加熱室內(nèi)的焊縫表面打磨平滑過(guò)渡，不允許有凹凸不平和突變，并進(jìn)行有效的涂層，這樣可以有效的防止腐蝕介質(zhì)與焊縫的直接接觸，避免料液富集使局部濃度升高導(dǎo)致堿脆發(fā)生。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文主要是對(duì)蒸發(fā)器加熱室焊縫開(kāi)裂的原因及預(yù)防措施進(jìn)行分析，希望可以提供一些借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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