汽提塔用爆炸復(fù)合板典型裂紋原因分析及修復(fù)

（山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院棗莊分院 棗莊 277800）

某壓力容器生產(chǎn)單位制造一臺(tái)加氫裝置用汽提塔，主要承壓部件采用爆炸復(fù)合板材質(zhì)。在筒節(jié)組對焊接過程中，通過廠內(nèi)制造環(huán)節(jié)射線檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)該材質(zhì)焊縫中間位置出現(xiàn)典型裂紋缺陷，而行業(yè)內(nèi)對于該類缺陷制造過程的研究記錄較少。本文記錄了該缺陷原因分析、修復(fù)工藝制定、檢測等全過程，以求為類似材質(zhì)再制造過程中的缺陷發(fā)現(xiàn)及處理提供幫助，以進(jìn)一步保證爆炸復(fù)合板板制容器的產(chǎn)品質(zhì)量。

設(shè)備基本情況：塔器總長約30m，共分兩段。 其中， 下段規(guī)格為1800×（3+10）mm， 材 質(zhì)為S11348+Q345R，約長3450mm；上段規(guī)格為1200×（3+10）mm， 材 質(zhì) 為 S11348+Q345R， 約 長19150mm；另有錐形段（φ1800/φ1200）變徑段長600mm×（3+10）mm，材質(zhì)為 S11348+Q345R；裙座高6000mm，材質(zhì)為Q345R。

汽提塔容積為32.59m3，殼體材料為S11348+Q345R的爆炸復(fù)合板，采用標(biāo)準(zhǔn)為NB/T 47002.1—2009/B1級，設(shè)計(jì)壓力0.68MPa（工作壓力0.5MPa），設(shè)計(jì)溫度270℃（最高工作溫度250℃（底）/150 ℃（頂）），介質(zhì)為氫氣、硫化氫、氨、柴油、石腦油、C1～C4等，屬中度危害介質(zhì)，易燃易爆，該容器屬II類容器[1]。

按照《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的要求，該制造廠完成了材料、工藝、焊接等前期工序，進(jìn)行了無損檢測程序[2]。在射線檢測完成后，最后一道環(huán)焊縫個(gè)別位置處發(fā)現(xiàn)明顯裂紋（見圖1、見圖2）。裂紋所屬位置為變徑段與上端焊接環(huán)縫B9處。裂紋共兩條，長約80mm，情況較嚴(yán)重。

圖1 裂紋射線底片一

圖2 裂紋射線底片二

1 原因分析

1.1 現(xiàn)場勘查

接到返修通知后，該公司立即按照質(zhì)量保證體系的有關(guān)程序要求，啟動(dòng)質(zhì)量事故應(yīng)急預(yù)案，組織主要技術(shù)人員成立調(diào)查處理小組，并邀請相關(guān)專家共同進(jìn)行勘查和技術(shù)分析。

經(jīng)現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，焊縫裂紋分布于焊縫中間位置，縱向開裂，表面觀察基層對接焊縫側(cè)裂紋較清晰，復(fù)層側(cè)肉眼不可見，現(xiàn)場滲透檢測后確定該焊接裂紋非貫穿性裂紋，但缺陷深度較深，經(jīng)機(jī)械去除缺陷過程中發(fā)現(xiàn)，該裂紋最深處到達(dá)過渡層。

1.2 相關(guān)測試

材質(zhì)分析：調(diào)查處理小組查閱了該批不銹鋼復(fù)合板的材質(zhì)證明書以及公司委托第三方實(shí)施復(fù)驗(yàn)的報(bào)告[3]，并將其中C、Cr、Ni等關(guān)鍵元素含量指標(biāo)對照GB 24511—2017有關(guān)技術(shù)要求，均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)[4]。此次特意用光譜分析儀對焊縫兩邊母材現(xiàn)場測試，結(jié)果符合要求（見表1）。

表1 焊縫兩側(cè)母材光譜分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

硬度測試：采用布氏硬度計(jì)硬度測試，裂紋部位的相關(guān)指標(biāo)經(jīng)換算后，數(shù)值在經(jīng)驗(yàn)閾值范圍內(nèi)。

厚度測試：采用超聲波測厚儀對焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行厚度測試。實(shí)測最小厚度符合圖紙要求，無明顯削薄和減小。

1.3 檢查焊接工藝評定及焊接工藝指導(dǎo)書

不銹鋼復(fù)合板焊接的質(zhì)量保證關(guān)鍵在于能否通過預(yù)先進(jìn)行的焊接工藝評定試驗(yàn)。經(jīng)檢查，該不銹鋼復(fù)合板的焊接工藝評定應(yīng)按照NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》附錄C“復(fù)合金屬材料焊接工藝評定”進(jìn)行，并符合正文中相關(guān)技術(shù)規(guī)定[5]。該焊接工藝評定焊接參數(shù)、力學(xué)性能均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，評定合格。焊接工藝指導(dǎo)書根據(jù)該焊接工藝評定編制，焊接參數(shù)及焊接層次方法均未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。

1.4 焊接材料的選擇

因該設(shè)備此處為錐形段與平直段對接焊縫，采用了易于掌握的焊接的手工電弧焊（SWAW），基層選用J507焊條，過渡層選用A307焊條，復(fù)層選用A107焊條[6]。符合設(shè)計(jì)圖紙技術(shù)特性表內(nèi)焊材選擇說明及NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)推薦選用焊接材料[7]。該設(shè)備選用焊材質(zhì)量證明書及復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，且用于其他處同批次焊材均未出現(xiàn)相同問題。

1.5 坡口形式分析

據(jù)圖樣要求或工藝條件選用標(biāo)準(zhǔn)坡口。該不銹鋼復(fù)合板坡口形式和尺寸參考了NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規(guī)程》附錄B：表B.1“不銹鋼復(fù)合鋼對接接頭常用坡口形式與尺寸”[7]，采用了X型坡口形式（如圖3所示）并經(jīng)機(jī)械加工，加工完成后坡口做滲透檢測，無分層裂紋等缺陷。

圖3 不銹鋼復(fù)合板坡口形式

1.6 對接與焊接過程分析

該設(shè)備筒節(jié)采用冷卷加工，卷制時(shí)對卷板機(jī)上下棍采用塑膠包裹，采取了防護(hù)措施，避免不銹鋼復(fù)合板復(fù)層刮傷及與碳鋼鋼板直接接觸，對接后木材根部平齊，錯(cuò)變量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，焊接采用手工電弧焊（SMAW），施焊焊工具有焊接項(xiàng)次資質(zhì)，并且電流、電壓參數(shù)符合焊接工藝要求。焊接工藝參數(shù)見表2。

焊接時(shí)先焊基層，再焊過渡層，最后焊復(fù)層，焊接完成后焊縫在30min左右焊縫基層側(cè)出現(xiàn)可見裂紋，應(yīng)該為焊接后冷裂紋，采用滲透檢測后，機(jī)械去除焊接裂紋缺陷，裂紋深度到達(dá)過渡層處停止。再次做滲透檢測，缺陷去除徹底，未到達(dá)復(fù)層側(cè)。通過去除缺陷過程，發(fā)現(xiàn)該焊接缺陷深度從過渡層至焊縫表面止，初步確定該缺陷發(fā)生原因?yàn)檫^渡層焊接過程出現(xiàn)問題。因該焊接部位特殊，對接過程中雖然對接錯(cuò)邊量符合標(biāo)準(zhǔn)及工藝的要求，但焊接過渡層時(shí)未能完全把握好過渡層范圍，過渡層焊接填充金屬未能完全覆蓋過渡層[8]，基層焊接時(shí)，填充金屬的局部熔化稀釋了不銹鋼焊縫中的合金成分，并易引起鉻、鎳合金元素的損失。隨著不銹鋼焊縫中的鉻、鎳合金元素含量的減少，使得不銹鋼焊縫的含碳量增高，導(dǎo)致不銹鋼焊縫中容易形成馬氏體組織，這樣一種硬脆的金相組織，可大幅度的降低焊接接頭的耐腐蝕性能，特別是塑性、韌性的下降，從而產(chǎn)生了焊接冷裂紋。

表2 焊接工藝參數(shù)

2 修復(fù)措施

以射線探傷底片缺陷成像為依據(jù)，按照探傷結(jié)果找出缺陷范圍[9]，又因該設(shè)備材質(zhì)為不銹鋼復(fù)合板材，若用碳弧氣刨清除缺陷可能會(huì)影響復(fù)層不銹鋼材質(zhì)化學(xué)性能，降低焊縫接頭性能，故采用機(jī)械清除焊接裂紋，用砂輪磨光機(jī)清除裂紋，同時(shí)采用滲透探傷（PT）檢查，以確保裂紋缺陷清除徹底。為完全消除原熱影響區(qū)的母材，需要再利用磨光機(jī)來擴(kuò)大坡口返修的范圍，這樣可防止再次焊接時(shí)產(chǎn)生影響該焊縫力學(xué)性能的新缺陷。在確認(rèn)缺陷全部清除后，采用手工電弧焊方式進(jìn)行填補(bǔ)。需要注意的是，在保證坡口焊透的條件下，應(yīng)盡量采用小直徑電焊條來焊接過渡層，層間焊接成型后，做滲透檢測確保層間焊接未有缺陷情況發(fā)生，填充焊接完成后，為避免復(fù)合鋼板接頭產(chǎn)生冷裂紋的潛伏期，射線檢測未焊后立即進(jìn)行。延長一段時(shí)間后，再進(jìn)行射線檢測（RT）和表面滲透檢測（PT），未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，焊接質(zhì)量合格。

3 預(yù)防措施及建議

綜上所述，為保證不銹鋼爆炸復(fù)合板焊接質(zhì)量，預(yù)防產(chǎn)生上述焊接缺陷，建議采取的工藝措施如下：

3.1 焊接坡口樣式應(yīng)利于焊接，設(shè)計(jì)合理

在坡口尺寸確定時(shí)，應(yīng)盡可能將復(fù)層根部與復(fù)層根部對齊，并以復(fù)層為基線設(shè)計(jì)坡口樣式；為降低施焊難度，基層與復(fù)層應(yīng)徹底分離；考慮復(fù)層側(cè)的坡口形式時(shí)，為增加復(fù)層側(cè)施焊的厚度，應(yīng)沿基層—復(fù)層方向穿越過渡層深入1～2mm，同時(shí)也會(huì)明顯提高焊縫力學(xué)性能與耐腐蝕性能。

3.2 不銹鋼復(fù)合板的錯(cuò)邊量應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)

保證不銹鋼復(fù)合板強(qiáng)度和耐蝕性能的一個(gè)關(guān)鍵工序是嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量不超標(biāo)。所以在材料下料切割時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格保證下料尺寸正確，符合計(jì)算的理論尺寸，筒節(jié)卷制時(shí)保證筒節(jié)圓度，筒節(jié)組裝對接時(shí)應(yīng)以復(fù)層為基準(zhǔn)，嚴(yán)格控制錯(cuò)邊量，確保復(fù)層錯(cuò)邊量在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

3.3 焊接前做好準(zhǔn)備工作

焊接前應(yīng)選擇正確的焊接方法，根據(jù)評定合格的焊接工藝選擇焊接材料[7]，做好烘干和保溫措施，由持證焊工采用合理的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接工作。

3.4 焊接時(shí)應(yīng)保證工藝要求的焊接參數(shù)和焊接順序

正確的焊接順序?yàn)橄群附踊鶎?，達(dá)到一定條件時(shí)再焊接過渡層及復(fù)層的。焊接基層時(shí)的焊條應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行烘干程序，使用過程中保證焊條溫度，焊前做好基層預(yù)熱，特別是注意將水分等雜質(zhì)消除干凈；焊接過程中要保證焊接連續(xù)性，不得隨意中斷，同時(shí)保證層間溫度。過渡層及復(fù)層的焊接前應(yīng)采用紅外測溫儀等儀器測量基層溫度，當(dāng)溫度冷卻至60℃以下時(shí)方可開始施焊，焊接方式宜采用多層多道式，采用較小的線能量，為保證層間溫度，每層焊接完成后，建議停留10～20min，道間焊接應(yīng)隨時(shí)注意熔合程度，確保過渡層質(zhì)量。

3.5 焊接后檢驗(yàn)檢測合格

焊后檢驗(yàn)可采用目視、焊檢尺、無損檢測等多種方式，并對基層和復(fù)層分階段進(jìn)行?；鶎雍附油戤呏?，目視檢測基層焊縫表面有無夾渣、裂紋等缺陷，并在過渡層焊接之前進(jìn)行射線檢測（RT）。

上述檢測合格后，在過渡層和復(fù)層焊接前，需打磨焊縫表面至平整，以便進(jìn)行滲透檢測（PT），合格后方可按照工藝要求進(jìn)行施焊。焊接完畢后，還應(yīng)對成型后焊縫表面進(jìn)行射線檢測和滲透檢測，以確保整體焊接質(zhì)量。本文從實(shí)際工程應(yīng)用角度出發(fā)給出了上述不同焊材對不銹鋼復(fù)合板焊接工藝參數(shù)以及注意事項(xiàng)[10]，并考慮了對接頭組織與性能的影響，以期對不銹鋼復(fù)合鋼板的焊接及質(zhì)量保證提供必要參考。

4 結(jié)束語

爆炸復(fù)合板是汽提塔等多種化工生產(chǎn)過程中關(guān)鍵設(shè)備的常用材料，因此其焊接質(zhì)量的優(yōu)劣及穩(wěn)定性尤為重要。其中，過渡層焊接過程是最容易出現(xiàn)問題而又常常難以順利處理的。本文做記錄的過渡層缺陷是典型的缺陷表現(xiàn)形式，并且分析了缺陷產(chǎn)生的原因，剖析了焊接工藝特點(diǎn)，并提出了針對性的修復(fù)措施和預(yù)防建議，進(jìn)一步保證不銹鋼爆炸復(fù)合鋼板和焊接質(zhì)量，有利于提升行業(yè)內(nèi)對爆炸復(fù)合板生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制。