柴油加氫高溫高壓臨氫不銹鋼工藝設(shè)備焊縫裂紋分析及處理

王 毅 李江華 翟德宏 羅曉軍

蘭州石化公司 甘肅蘭州 730060

在某加氫裂化裝置國V 質(zhì)量升級(jí)改造中，在對(duì)反應(yīng)區(qū)急冷氫混合器與氫氣線接管對(duì)接焊接接頭進(jìn)行試壓后表面無損檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)廠家急冷氫混合器法蘭角接接頭（φ168×14）處存在環(huán)向裂紋（圖1），遂對(duì)此次升級(jí)改造中所有高壓不銹鋼混合器焊縫全部做滲透（PT）檢驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，急冷氫混合器法蘭與三通對(duì)接接頭亦存在裂紋，規(guī)格為φ273×30，管道材質(zhì)為TP321，打磨后發(fā)現(xiàn)焊縫裂紋最深達(dá)26mm，長度最長達(dá)20mm，分布在焊縫、熔合線、母材和焊縫熱影響區(qū)，有縱向（主要形式）及橫向線狀，且數(shù)量較多（圖2）。

圖1 角接接頭環(huán)向裂紋

圖2 混合器法蘭與三通對(duì)接接頭裂紋

1 工藝設(shè)備原始施工和返修情況

1.1 原始施工情況

急冷氫混合器的材質(zhì)為TP321。從原廠提供的工藝資料看，該工藝設(shè)備焊接前進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，編制了焊接作業(yè)指導(dǎo)書，并經(jīng)過廠家技術(shù)部門確認(rèn)，其無損檢測結(jié)果均為合格。該設(shè)備焊接接頭采用氬電聯(lián)焊，TP321 焊材為H08Cr19Ni10Ti（ER321）+A132。其在廠家廠房內(nèi)制造，制造時(shí)間為6 月份，不存在冬季施工的問題。但焊道坡口表面未經(jīng)PT 檢驗(yàn)，雖然經(jīng)100%無損檢測合格（射線探傷及角接接頭為PT 檢測），但熱處理后未按照SHT3554- 2013《石油化工鋼制管道熱處理》規(guī)范要求進(jìn)行表面無損檢測，工藝設(shè)備制造完成并合格后未進(jìn)行水壓試驗(yàn)（因設(shè)計(jì)要求為隨工藝試壓）。

1.2 返修措施及過程

返修施工前為確保施工質(zhì)量，編制了返修方案、返修焊接指導(dǎo)書、穩(wěn)定化熱處理方案等技術(shù)文件，經(jīng)裝置車間、工程部和監(jiān)理審查通過，要求在返修過程中，嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行。

具體措施：首先對(duì)焊縫及母材進(jìn)行光譜分析，確定母材材質(zhì)符合要求（圖3）。對(duì)要求檢查的所有焊縫作PT 檢測，復(fù)查裂紋位置，由檢測人員對(duì)焊縫的缺陷標(biāo)位，指導(dǎo)打磨返修。裂紋打磨前，需在裂紋兩端打小孔，防止裂紋擴(kuò)散，打磨深度小于2mm 時(shí)，需圓滑過渡后再PT 檢查。確認(rèn)裂紋消除后進(jìn)行補(bǔ)焊處理。裂紋打磨方向：由裂紋兩側(cè)向裂紋中心打磨。裂紋深度由檢測人員測厚確定（圖4）。確認(rèn)消除裂紋后進(jìn)行施焊，焊后還要進(jìn)行PT、RT 檢查。

整個(gè)過程要求嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，控制層間溫度；對(duì)焊口做好標(biāo)識(shí)及記錄；焊后檢測合格后，及時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定化處理；對(duì)打磨位置、長度、深度及焊接層間溫度做好控制（圖5），確保受控；打磨時(shí)使用不銹鋼專用砂輪片；現(xiàn)場質(zhì)量檢查員要對(duì)每道工序進(jìn)行嚴(yán)格的檢查記錄，確保質(zhì)量受控。

圖3 光譜分析

圖4 裂紋打磨

圖5 層間溫度測量

1.3 返修后檢測情況

（1）著色檢驗(yàn)：按工序要求對(duì)焊縫進(jìn)行焊接后的PT 檢查，發(fā)現(xiàn)全部合格；經(jīng)穩(wěn)定化熱處理后，PT 檢測合格；待冷卻后帶入高壓管道系統(tǒng)進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)后對(duì)全部焊縫再次進(jìn)行PT 檢測，合格。

（2）超聲波檢驗(yàn)：由于不銹鋼焊縫的特殊性，僅能對(duì)厚度較小的焊縫的熔合線位置進(jìn)行超聲波探傷，結(jié)果合格。

（3）射線探傷：對(duì)接接頭進(jìn)行100%射線探傷，檢測合格。

（4）金相分析：以上幾種檢測手段并不能檢測母材及焊縫的金屬微觀變化，也不能確保母材處無缺陷。因此將母材取樣后進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖6 所示。由圖可見，母材晶粒較大，且能明細(xì)地看到有裂紋產(chǎn)生，因此現(xiàn)場對(duì)存在問題的混合器法蘭及接管進(jìn)行了更換。

圖6 母材裂紋金相圖

2 管道焊縫裂紋產(chǎn)生原因分析

根據(jù)焊縫裂紋發(fā)生的部位，焊接接頭形狀，隨機(jī)資料附帶的焊接記錄，以及檢測記錄可判斷，該類焊縫裂紋主要是奧氏體不銹鋼再熱影響區(qū)的熱裂紋。由于廠家焊接作業(yè)人員對(duì)TP321 焊接工藝不了解，沒有嚴(yán)格按照焊接工藝卡的要求進(jìn)行焊接，存在電流過大，焊條作橫向擺動(dòng)的問題；多層多道焊接時(shí)，對(duì)TP321 材質(zhì)的層間溫度控制不當(dāng)，未嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行，未待層間溫度冷卻至100℃以下就進(jìn)行下一層的焊接。

TP321 為奧氏體不銹鋼，這種材質(zhì)具有較高的熱裂紋敏感性，在焊接熱影響區(qū)都有產(chǎn)生熱裂紋的可能，因此焊接過程中可能造成法蘭及母材熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。熱裂紋通?？煞譃槟塘鸭y、液化裂紋和高溫失塑裂紋三大類，因裂紋均在焊接過程的高溫區(qū)發(fā)生，又稱為高溫裂紋。其中凝固裂紋主要發(fā)生在焊縫區(qū)，液化裂紋主要在靠近熔合線的近縫區(qū)出現(xiàn)。對(duì)于多層多道焊縫，層道間也有可能出現(xiàn)液化裂紋、高溫失塑裂紋，主要在焊縫金屬凝固結(jié)晶后的高溫區(qū)發(fā)生[1]。

奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)小、線膨脹系數(shù)大，在焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫時(shí)承受較高的拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變，這是產(chǎn)生熱裂紋的基本條件[1]。

對(duì)于奧氏體不銹鋼焊縫，通常聯(lián)生結(jié)晶形成方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，在凝固結(jié)晶過程中，一些雜質(zhì)元素及合金元素如S、P、Sn、Sb、B、Nb 易于在晶間形成低熔點(diǎn)的液態(tài)膜，因此造成焊接凝固裂紋。對(duì)于奧氏體不銹鋼母材，當(dāng)上述雜質(zhì)元素的含量較高時(shí)，容易產(chǎn)生近縫區(qū)的液化裂紋[2]。

3 存在問題

在本次返修過程中，發(fā)現(xiàn)下列問題會(huì)影響對(duì)焊縫質(zhì)量的判斷：焊縫做表面PT 檢查，內(nèi)部的缺陷不能查出來；UT 不能對(duì)奧氏體焊縫精確檢查，特別是母材厚度大于20mm 時(shí)更難判斷，因此判斷缺陷的準(zhǔn)確性不高；由于時(shí)間和環(huán)境條件的限制，焊縫不能做100%RT檢測，其是否存在缺陷無法確定，且γ 射線探傷的分辨率低，本次廠家經(jīng)γ 射線檢驗(yàn)合格的焊縫到達(dá)現(xiàn)場經(jīng)PT 檢驗(yàn)后又發(fā)現(xiàn)了裂紋。

基于以上原因，只能對(duì)PT 檢查出的裂紋進(jìn)行返修，對(duì)埋藏在焊縫及母材深處的缺陷，只能在破壞切除后取樣，然后通過金相分析進(jìn)行。但金相分析只能觀察取樣位置的金相及裂紋，對(duì)未進(jìn)行取樣的部分仍然不能確定。若要確認(rèn)需要耗費(fèi)大量的人力、物力，且其過程也是對(duì)母材及材質(zhì)的一種損傷，而且不能完全排除仍然存在裂紋的可能。對(duì)這種高壓不銹鋼厚壁管每種檢驗(yàn)手段都有局限性，都難以準(zhǔn)確診斷焊縫缺陷，因此還有待進(jìn)一步研究。

本次出現(xiàn)裂紋處為工藝設(shè)備，屬于廠家范疇，而且其焊口為設(shè)備口，亦不在高壓管道檢測范圍內(nèi)，但若非及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，將存在較大的安全隱患。建議今后對(duì)高壓管道工藝設(shè)備焊接質(zhì)量進(jìn)行入場檢驗(yàn)，并隨工藝管道進(jìn)行相應(yīng)的檢測。

4 結(jié)論

從混合器發(fā)現(xiàn)第一處裂紋開始，遂對(duì)高壓工藝設(shè)備及管道焊縫進(jìn)行逐一檢查。經(jīng)PT 檢查后，共發(fā)現(xiàn)混合器焊縫有6 處裂紋，又經(jīng)金相分析后，對(duì)該工藝設(shè)備進(jìn)行了更換，確保了裝置安全運(yùn)行，截止目前該裝置安全平穩(wěn)運(yùn)行。

奧氏體不銹鋼焊接工藝成熟，但若焊接過程中層間溫度控制不好，焊縫就容易產(chǎn)生熱裂紋。因此，要嚴(yán)格焊接的過程管理，確保質(zhì)量受控，同時(shí)合理安排工期及無損檢測節(jié)點(diǎn)，切勿趕工，若遇惡劣天氣條件，防護(hù)措施必須到位。