醋酸裝置原料氣冷卻器入口煤氣管線異種鋼焊縫開裂原因分析及預防措施

潘俊 李鵬

河南能源化工集團永城園區(qū)（河南永城 476600）

化工裝置中壓力容器及壓力管道所占比例巨大，其最多的連接方式是焊接，因此焊接在化工裝置中的地位及作用不言而喻，其施工及檢維修管理直接關系到裝置的安全穩(wěn)定，尤其是部分異種鋼焊縫，更是容易成為事故發(fā)生的突破口，稍有不慎就會造成安全生產事故。本研究通過一個實際案例來論述異種鋼焊接在施工及檢修時的注意事項。

1 事件經(jīng)過

2018年10月23日凌晨2時05分，某化工園區(qū)醋酸廠凈化崗位巡檢工在酸脫2號框架一層位置發(fā)現(xiàn)便攜式可燃氣體檢測儀出現(xiàn)報警 （CO體積分數(shù)為 30×10-5），經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是框架頂部（4層）的原料氣冷卻器E04203殼程入口配對法蘭焊縫處泄漏，缺陷為4 cm長近管側焊縫裂紋，泄漏介質為煤氣，壓力為3.45 MPa、溫度為15℃。為避免漏點進一步擴大釀成事故，經(jīng)園區(qū)負責人同意，果斷對醋酸裝置進行了停車處理。

2 h后，裝置全部停運，檢查時發(fā)現(xiàn)漏點焊縫已開裂至30 cm，如果停車處理再晚一步，可能造成整個焊縫炸裂，引發(fā)一次爆炸著火的重大安全事故。

2 事發(fā)裝置概況

該裝置于2016年10月正式投產，設計年產40萬t醋酸、20萬t乙二醇，園區(qū)配套有鍋爐、空分、水處理等公用裝置，原料氣采用中國五環(huán)工程有限公司自主研發(fā)設計的2臺爐供氣，經(jīng)變換、低溫甲醇洗、深冷分離、變壓吸附（PSA）等裝置凈化后，分別去往醋酸和乙二醇裝置。事發(fā)設備E04203位于醋酸廠低溫甲醇洗工段。原料氣與來自冷卻器E04207后的二次壓縮循環(huán)氣一起在原料氣冷卻器E04203中進一步冷卻。這些氣流包括冷的合成氣（來自深冷分離單元的前端凈化）、CO2產品氣 （來自CO2洗滌塔C04203）以及再循環(huán)氣 （來自中壓閃蒸塔C04202）。離開E04203的原料氣在原料氣終冷器E04225中由-40℃的氨制冷劑進行最后一次冷卻并送往甲醇洗滌塔C04201。

3 初次分析檢驗過程

該處焊縫的母材為異種材質，E04203設備殼程進口法蘭材質為304SS，管道材質為SA106-B，屬于典型的異種鋼焊接。經(jīng)查驗，裂紋沿著管道側的焊縫焊趾處周向開裂，且整個裂紋與焊縫熔合線重合，因此初步判斷是焊縫熔合不好導致開裂，而最有可能導致該現(xiàn)象的原因有兩點：一是焊接工藝不良，二是焊材使用錯誤。因此擬從以下幾個方面進行檢查、對比和判斷。

（1）對法蘭、焊縫及管道進行光譜分析，確認是否存在焊材錯用現(xiàn)象；

（2）檢查整道焊縫外觀成型，并排查原始施工資料，確認該道焊縫施焊人員資質及其他施焊焊縫有無出現(xiàn)類似問題；

（3）用砂輪機從焊縫中心將整條焊縫徑向切割開，使法蘭、管道兩側均保留原始焊肉，以便于進一步分析，并觀察根部打底焊縫和裂紋處的情況；

（4）對于切割開的焊縫，對其打底層、填充層和蓋面層分別進行光譜分析。

4 初步檢測結果

經(jīng)原始施工資料排查，該道焊縫的施焊焊工具備相應施工范圍的焊接特種設備作業(yè)人員證，且在整個原始安裝階段其所施工的焊縫抽查比例中未發(fā)現(xiàn)不合格現(xiàn)象；經(jīng)觀察，整道焊縫外觀成型良好。因此，初步排除施焊人員焊接工藝選擇不當?shù)脑颉?/p>

焊縫頂部東側30°位置至水平90°位置靠管道側（材質為SA106-B）的焊趾處明顯開裂，且切割開后能輕易地沿著焊縫熔合線將焊肉撬開，具體見圖1～圖 3。

光譜分析結果顯示，法蘭材質為304SS，管道材質為SA106-B，與設計一致。焊縫材質卻存在多種分析結果，其中蓋面層焊縫為Cr22Ni12，中間填充層焊肉為Cr17Ni8，根部焊縫為Cr16Ni7。

5 二次實驗分析檢驗過程及結論

根據(jù)初次光譜分析結果，結合焊接理論，初步判斷開裂原因為焊材選擇錯誤。為判定其焊材使用是否存在問題，園區(qū)安排了一次實驗，分別采用正常焊接工藝和錯誤的焊接工藝各焊接了一個試件，并對焊縫進行切割，分析其合金成分，用以與問題焊縫進行比較。根據(jù)304SS與SA106-B的異種鋼焊接工藝，正確的焊材選擇應為ER309氬弧焊絲打底及E309電焊條填充及蓋面[1]，標記為“實驗1焊縫”；而錯誤的焊接工藝選擇了ER308氬弧焊絲打底及E308電焊條蓋面，標記為“實驗2焊縫”。其檢測結果及最終對比情況見表1。

表1 實驗焊縫與問題焊縫合金元素含量分析對比

根據(jù)表1可以看出，問題焊縫打底層及填充層Cr，Ni質量分數(shù)明顯低于正常焊接工藝的數(shù)值，與采用了E308焊材的焊縫接近，蓋面層焊縫的Cr，Ni質量分數(shù)與E309焊材的焊縫接近，故而推斷該問題焊縫是由焊接過程中焊材誤用所致——焊接采用了E308焊材進行打底及填充，該焊材是304SS奧氏體不銹鋼，不能用于奧氏體不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接。

圖1 管道側焊趾處的裂紋

從金相角度分析：SA106-B由鐵素體和少量滲碳體構成，其中鐵素體為體心立方組織，滲碳體為密排六方組織；304SS為奧氏體不銹鋼，其組織為面心立方的奧氏體組織。2種材料的晶格類型不同，但都屬于鐵基材料，能很好地互溶，其焊接過程最大的問題是合金元素的稀釋問題。其焊縫金屬的組成主要取決于2個因素：母材與填充金屬各自的化學成分和它們各自在焊縫中所占的比例，即母材的稀釋率。SA106-B中含有很少的合金元素，它對焊縫的稀釋作用使得焊縫中奧氏體元素含量大大降低，焊縫中可能出現(xiàn)馬氏體組織；且在焊接時焊縫熔池邊緣的業(yè)態(tài)金屬溫度較低，流動性較差，液態(tài)停留時間短，機械攪拌作用較弱，熔池靠近焊縫邊界一個很窄的范圍內存在不完全混合區(qū)，其內各成分濃度梯度更加顯著。因此，如果在選擇焊材時不能克服碳鋼對焊縫金屬的稀釋作用，則焊縫熔合面及附近難以保留足夠的奧氏體形成元素，從而導致馬氏體組織大量出現(xiàn)，形成一層淬硬層，其組織呈板條狀，分布具有方向性，比非方向性分布的奧氏體組織脆性大、韌性差，在使用中極易出現(xiàn)脆性開裂。而出問題的該處焊縫正是由于選擇了308不銹鋼焊材，其Cr，Ni含量較低，在進行異種鋼焊接時由于碳鋼側的元素稀釋作用，奧氏體形成元素被稀釋，在碳鋼側的焊縫熔合面出現(xiàn)大量淬硬的馬氏體組織，韌性極低，因此在后期使用過程中出現(xiàn)了開裂和剝離現(xiàn)象[2]。而蓋面層采用E309焊材沒有問題，這也解釋了為什么裝置運行了將近兩年焊縫才出現(xiàn)開裂。

根據(jù)上述結論基本可以判斷：造成本次焊縫開裂泄漏的原因在于原始施工時焊工誤用焊材，其打底層焊絲及中間填充層均使用了普通的E308型不銹鋼焊材，僅蓋面層正確使用了E309異種鋼焊條。

6 結語

由于化工生產的危險性，設備及管道的焊接在施工和檢修中均為重中之重，必須注意以下幾點：

（1）焊接作業(yè)必須制定嚴格的焊接工藝，所有焊工在施焊時必須準確掌握焊接工藝卡的內容，防止焊材使用錯誤；

（2）焊材發(fā)放過程必須加強管理，每個焊工在領取焊材時必須嚴格登記，并不得一次性領取成分相近的多種焊材，以免造成焊材誤用；

（3）施工過程中必須加強監(jiān)管，尤其是合金鋼材料和異種鋼的焊接，必須逐條焊縫進行檢查，確保焊材使用正確，焊縫成型良好，質量可靠；

（4）施工過程中盡量選擇第三方檢驗單位進行無損檢測，避免施工方內部單位進行無損檢測；

（5）設計及施工時盡量避免異種鋼的焊接；

（6）較大的工程施工及技改、檢修工作應合理配備專業(yè)焊接工程師，以確保焊接施工質量；

（7）焊接工程師必須熟悉施工現(xiàn)場，了解焊工技能水平，并重點選擇異種鋼焊縫、固定焊縫及外觀成型不太好的焊縫等代表性焊縫進行抽查。