異構(gòu)化反應(yīng)器中心管約翰遜網(wǎng)焊縫開裂原因分析

趙 奎，繆 苗，熊衛(wèi)國

（1.福建聯(lián)合石油化工有限公司，福建泉州362800；2.福建煉油化工有限公司，福建 泉州362800）

在某公司3.2 Mt／a芳烴聯(lián)合裝置的異構(gòu)化單元開工階段，對異構(gòu)化反應(yīng)系統(tǒng)進行烘爐、干燥之后，對反應(yīng)器進行檢查發(fā)現(xiàn)，中心管中部約翰遜網(wǎng)環(huán)焊縫出現(xiàn)弧長約1 500 mm，寬約5 mm的裂紋。中心管是異構(gòu)化反應(yīng)系統(tǒng)核心部件，為雙層管狀結(jié)構(gòu)，外層為約翰遜網(wǎng)、內(nèi)層為孔板結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為0Cr18Ni10Ti，規(guī)格φ1 155 mm×14 725 mm，其作用是：從扇形筒進入的反應(yīng)物料徑向流經(jīng)催化劑發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)，經(jīng)約翰遜網(wǎng)過濾，在中心管內(nèi)部流道匯聚后流出反應(yīng)器，達到反應(yīng)物料與催化劑分離、催化劑停留在反應(yīng)器內(nèi)部的目的。

1 檢測分析

1.1 宏觀檢查

經(jīng)宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，中心管篩網(wǎng)的環(huán)向焊縫在多個位置出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象，其中最嚴重的是環(huán)向焊縫開裂（長度超過整個焊縫的1／6），其他環(huán)向焊縫也出現(xiàn)開裂（見圖1）。對焊縫開裂部位的斷口進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，開裂斷口主要集中在篩條與焊縫的熔合區(qū)（見圖2）。在取樣斷口試樣上清晰可見：幾乎所有的篩條的焊縫均存在未熔合和未焊透現(xiàn)象，焊縫根部有大量的熔渣。中心管篩網(wǎng)外表面的平整度差。由此可以判斷，焊接前未按設(shè)計要求開坡口，焊縫間隙相差大，極不規(guī)范。

1.2 材質(zhì)檢驗

對篩條和焊縫的化學(xué)成分進行分析，結(jié)果見表1。將分析結(jié)果和材料標準值比對，發(fā)現(xiàn)材料成分中除了Ni含量略微偏低外，其他材料成分符合相關(guān)規(guī)范要求?？梢哉J為母材及焊縫材料基本滿足規(guī)范要求。

圖1 環(huán)向焊縫開裂

圖2 取樣焊縫斷口

1.3 硬度檢測

對焊縫的母材、焊縫及熱影響區(qū)材料進行顯微硬度檢測，檢測結(jié)果見表2。由表2可見，材料的顯微硬度基本正常。

表1 篩條母材和焊縫化學(xué)成分分析 w，%

表2 材料的硬度 HV

1.4 金相分析

分別對取樣材料的母材、熔合線和熱影響區(qū)，進行金相形貌觀察和夾雜物評定［1-2］，金相組織見圖3。由圖3可以看出：焊縫組織為鐵素體+奧氏體，組織情況基本正常，焊縫上發(fā)現(xiàn)有微裂紋，在未焊透和未熔合區(qū)域，有明顯的夾渣缺陷。母材的組織基本正常，晶粒較細，但是在組織上有夾渣物存在。熔合線附近的組織為奧氏體組織，晶粒較母材晶粒粗大，組織中也存在析出物。

圖3 金相檢驗

1.5 掃描電鏡分析

為了進一步明確材料組織狀況，對金相檢驗試樣進行了掃描電鏡分析，結(jié)果見圖4。電鏡檢驗進一步證明了上述金相檢查的結(jié)果，焊縫中的確存在微裂紋和夾渣缺陷，且熔合區(qū)和母材的組織中有夾渣物存在。

1.6 能譜分析

為了明確母材和熔合線區(qū)域材料組織中夾渣物構(gòu)成，對夾渣物進行了能譜檢驗，檢驗結(jié)果顯示組織中的夾渣物是氮化鈦（見圖5）。

1.7 篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

為了明確結(jié)構(gòu)承載對焊縫開裂的影響，特對篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力分析。采用有限元軟件ANSYS對該中心管進行有限元分析。由于中心管結(jié)構(gòu)基本上為軸對稱，因此按筒體截面進行有限元建模分析，在軸對稱面施加對稱約束。中心管當量應(yīng)力分布情況見圖6。由圖6可以看出，由于中心管內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力較小，設(shè)計是合理的，在保證制造質(zhì)量情況下，中心管能承受設(shè)計的載荷。也就是說，在正常設(shè)計、制造和操作條件下，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平很低，不會在焊縫部位出現(xiàn)應(yīng)力過大導(dǎo)致焊縫開裂的現(xiàn)象。從而排除由于結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致焊縫開裂的可能性。

圖4 掃描電鏡分析

圖5 夾渣物能譜分析

圖6 有限元計算結(jié)果應(yīng)力分布

2 分析與討論

（1）由結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析可知，中心管篩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理的。在正常設(shè)計、制造和操作條件下，篩網(wǎng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平很低，不會在焊縫部位出現(xiàn)應(yīng)力過大導(dǎo)致焊縫開裂的可能性。

（2）檢驗發(fā)現(xiàn)：在材料成分中，Ni的質(zhì)量分數(shù)略微偏低（檢測結(jié)果約為8.7%，略低于標準要求的9%），但是其他材料成分基本正常。材料成分的少量偏差可能會對設(shè)備的長期使用后的綜合性能造成不利的影響，但在裝置運行階段尚未體現(xiàn)，可排除材料成分不當造成焊縫開裂的可能性。

（3）在材料中含有大量氮化鈦夾渣物，說明材料質(zhì)量控制不好，不利于材料長期使用。在不銹鋼中添加Ti的目的是細化晶粒，降低材料晶間腐蝕傾向，當材料中Ti與N形成了氮化鈦后，材料中添加Ti就失去意義了。氮化鈦的存在會降低材料綜合性能，對材料長期使用有不利的影響，對焊縫強度有一定的影響，但不是本次焊縫開裂的原因。

（4）開裂斷口主要集中在篩條與焊縫的連接部位，并且斷裂部位主要在焊縫的熔合區(qū)。在取樣斷口上發(fā)現(xiàn)：幾乎所有篩條與焊縫連接部位均有未焊透現(xiàn)象，焊縫底部有大量的熔渣。金相和掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，焊縫中還存在微裂紋，存在未熔合、未焊透缺陷，在缺陷縫隙中存在明顯夾渣物。大量焊接缺陷的存在大大增加了焊縫開裂的可能性，同時在缺陷附近形成應(yīng)力集中，對焊縫開裂起到推動作用。在缺陷的起止部位，尤其是缺陷的尖角處由于應(yīng)力高度集中，焊縫沿熔合線開裂并不斷擴展，最終導(dǎo)致斷裂失效。

（5）焊縫未按照設(shè)計要求開坡口、焊接時焊縫間隙不均勻、焊縫中存在大量的焊接缺陷（未焊透和未熔合）。這說明焊接質(zhì)量差，尤其在焊縫間隙過大的焊縫上，焊接過程中焊縫金屬冷卻收縮時，會產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，從而加速了焊縫開裂。

（6）焊接結(jié)構(gòu)表面的平整度差，造成實際焊接接頭為高約束區(qū)域，使得焊接接頭存在高拘束、高應(yīng)力現(xiàn)象，這也易導(dǎo)致焊縫開裂。設(shè)計要求中心管表面應(yīng)該平整、光滑，為此制造方在焊接后對焊縫外表面進行打磨。在正常焊接情況下，外表面的打磨不會對結(jié)構(gòu)強度造成不利的影響。但是對本次分析的情況則不同。由于焊接過程不符合要求，焊縫存在嚴重的未熔合、未焊透等缺陷，當打磨焊縫外表面金屬后，會出現(xiàn)打磨后的篩條與焊縫連接的金屬量很少，焊接接頭難以滿足基本的強度要求，甚至?xí)霈F(xiàn)篩條與焊縫分離情況。

綜上所述，焊接工藝操作不當導(dǎo)致的焊接缺陷是造成中心管環(huán)向焊縫開裂的主要原因。

3 建 議

鑒于中心管焊縫開裂損傷嚴重，修復(fù)具有不確定性和難以預(yù)見的風(fēng)險，基本失去了修復(fù)的價值，為保證設(shè)備的長周期安全運行，提出以下建議：

（1）更換中心管；

（2）制造廠家嚴格按照設(shè)計要求進行施焊，有效控制中心管篩網(wǎng)表面的平整度；

（3）嚴格控制篩條材料的化學(xué)成分。避免材料成分不當和材料組織中有氮化鈦夾渣物存在。