多晶硅還原爐尾氣管、視鏡泄漏的原因分析及其處理方法

鄧 華

（亞洲硅業(yè)（青海）有限公司，青海 西寧 810007）

多晶硅生產(chǎn)中，還原爐底盤(pán)尾氣管材料一般選用耐高溫的INCO8800、INCO8810材料，目前我國(guó)使用的該型號(hào)材料主要以進(jìn)口為主。其主要特性為800H/HT為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，是一種廣泛應(yīng)用于高溫承壓結(jié)構(gòu)件的奧氏體耐熱合金。800H/HT的高強(qiáng)度主要是由于添加了碳，鋁，鈦元素，并且在最低1149℃溫度下退火以達(dá)到晶粒度ASTM5等級(jí)或者更粗。極低的碳含量和提高了的Ti：C比率增加了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和最大的抗敏化性以及抗晶間腐蝕性，950℃左右的低溫退火保證了細(xì)晶結(jié)構(gòu)。其次其較高的鎳含量使其在水性腐蝕條件具有很好的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，在538℃以上可能發(fā)生的應(yīng)力松弛而導(dǎo)致晶界開(kāi)裂，800H能耐很多腐蝕介質(zhì)腐蝕，較高的鎳含量使其在水性腐蝕條件具有很好的抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能。還原爐筒體材料采用316L材料，視鏡短節(jié)采用3016L鍛件材料，底盤(pán)選用316L材料，316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性和冷成型性及良好的低溫性能。由于在Cr18Ni8的基礎(chǔ)上添加了2%的Mo，賦予了鋼良好的耐還原性介質(zhì)和耐點(diǎn)蝕能力，但不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化。

1 缺陷類型

在實(shí)際使用中當(dāng)此部分位置出現(xiàn)泄漏主要表現(xiàn)為在管材與底板板材或者鍛件與板材的焊縫區(qū)域出現(xiàn)圓形缺陷、裂紋。

缺陷區(qū)域出現(xiàn)白色水解物出現(xiàn)或者線性白色水解物，這種針狀就意味著還原爐底盤(pán)尾氣管、視鏡短節(jié)焊縫內(nèi)部已出現(xiàn)裂紋擴(kuò)延至金屬表面，此時(shí)還原爐應(yīng)立即停止使用冷卻后對(duì)還原爐和底盤(pán)重點(diǎn)部位進(jìn)行缺陷區(qū)域的全面質(zhì)量檢查，消除隱患檢驗(yàn)合格后方可投入生產(chǎn)運(yùn)行。

2 成因分析

還原爐底盤(pán)尾氣管、視鏡短節(jié)焊縫區(qū)域的缺陷經(jīng)2年多對(duì)不同還原爐尾氣管、視鏡等部位的檢查、分析和處理，認(rèn)為出現(xiàn)此類缺陷主要存在以下幾方面的原因：

（1）設(shè)備尾氣夾套管、視鏡短節(jié)焊接過(guò)程中，底盤(pán)與夾套管之間的焊接區(qū)域存在內(nèi)部缺陷如未焊透、未融合等；此類缺陷主要是焊接工藝控制不嚴(yán)格造成的。見(jiàn)圖1。

圖1 底盤(pán)與夾套管之間的焊接區(qū)域存在的內(nèi)部缺陷

（2）尾氣管或鍛件存在內(nèi)部缺陷，如細(xì)小微裂紋、氣孔等在材料的檢測(cè)檢驗(yàn)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)自身所存在缺陷，在還原爐使用中由于定期進(jìn)行開(kāi)停爐，材料溫度發(fā)生從1200攝氏度到800攝氏度到50攝氏度的周期性波動(dòng)，在溫差應(yīng)力作用下使得微觀裂紋擴(kuò)展成宏觀裂紋。見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 尾氣管存在的內(nèi)部缺陷

圖3 鍛件存在的內(nèi)部缺陷

（3）在金屬的焊接過(guò)程，焊縫一次結(jié)晶出現(xiàn)的結(jié)晶裂紋沿著焊縫縱向中心線的長(zhǎng)度方向開(kāi)裂形成的縱向裂紋，在后期焊接中形成的缺陷遺留，在還原爐使用周期中在交變載荷和溫差應(yīng)力作用下，裂紋不斷擴(kuò)展至金屬表面形成貫穿性裂紋。見(jiàn)圖4。

圖4 貫穿性裂紋

（4）IN8810材料在焊接過(guò)程中一般不會(huì)形成冷裂紋，容易產(chǎn)生熱裂紋、液化裂紋和氣孔等焊接缺陷，所以應(yīng)制定嚴(yán)格的焊接工藝控制，防止在焊接應(yīng)力及其他致脆因素共同作用下材料的金屬原子結(jié)合遭到破壞形成的裂紋，如結(jié)構(gòu)剛性、冷卻速度、焊縫成型系數(shù)等原因。

（5）金屬材料在接觸含氯工藝物料時(shí)形成的金屬氯離子晶間腐蝕，也可能是造成裂紋形成的原因。

3 處理措施

根據(jù)還原爐使用中出現(xiàn)的視鏡短節(jié)、底盤(pán)尾氣管滲漏情況，經(jīng)過(guò)對(duì)泄漏部位裂紋成因分析、金屬材料焊接工藝分析、壓力容器焊接工藝評(píng)定、打磨過(guò)程裂紋分布情況的檢查，制定和采取了如下處理方案：

（1）由于焊道表面出現(xiàn)的裂紋是從焊縫內(nèi)部擴(kuò)延出來(lái)的，所以必須沿焊縫區(qū)域左右10毫米對(duì)焊道進(jìn)行全部徹底的打磨，打磨至焊底磨穿并對(duì)管材、板材作PT無(wú)損檢測(cè)合格為止。角磨機(jī)磨輪采用白鋼玉不銹鋼專用切割片，不容許采用碳鋼切割片。

（2）還原爐尾氣管內(nèi)管材料為INCO800材料，使用 82（ER NiCr-3）的焊絲 R A 330-04（N08334）焊絲或 ENICRFE-3（AWA/SFA5.11）、JWENiCrFe-3（GB/T13814-2008）的焊條，焊接前對(duì)焊條進(jìn)行復(fù)烘，溫度控制在300~350℃保溫1h，焊接時(shí)放在保溫筒內(nèi)隨用隨取。

（3）焊接前做好管口和設(shè)備附近表面的保護(hù)和隔離工作，用無(wú)水乙醇或丙酮對(duì)焊道進(jìn)行脫脂清洗，去除焊道表面的粉塵、金屬碎屑、水跡等污物。

（4）制定焊接工藝：焊接環(huán)境溫度控制在15~20℃，氬氣純度在99.9%。焊道第一遍焊接采用鎢基氬弧焊（GTAW-Ar）焊接工藝，待焊接完畢后冷卻20 min，做PT檢查是否有焊接缺陷，無(wú)缺陷可進(jìn)行下一步焊接。

（5）對(duì)于尾氣出口管存在裂紋的處理方法，應(yīng)采取逐層打磨檢測(cè)逐層做PT檢測(cè)直至無(wú)裂紋。打磨過(guò)程中應(yīng)考慮尾氣管處理的深度和長(zhǎng)度，避免過(guò)于深得打磨和切割會(huì)影響到焊接工藝的執(zhí)行。

（6）316L材料的焊接工藝應(yīng)遵守合理的《不銹鋼焊接技術(shù)》執(zhí)行，同時(shí)遵照以上條款要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)還原爐裂紋的修復(fù)處理，目前還原爐使用正常未出現(xiàn)裂紋問(wèn)題。通過(guò)對(duì)裂紋成因的分析和焊接工藝的制定及方案實(shí)施，認(rèn)為該處理工藝制定合理能徹底消除還原爐原有的焊接缺陷，在設(shè)備缺陷處理后保證了還原爐的正常運(yùn)行。