異種鋼焊縫泄漏原因分析及解決措施

朱白欽，孫守業(yè)

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

在化工生產(chǎn)裝置中，壓力管道所占比例較大，發(fā)生事故所占比例較高，管道連接方式最多采取焊接，而事故之中管道焊縫問題往往又占到了一定比例。本文對化工裝置生產(chǎn)中遇到的管道異種鋼焊縫泄漏進行了原因分析，并對異種鋼焊接在施工及檢修中出現(xiàn)的問題提供幫助。

1 裝置概況

河南龍宇煤化工有限公司原料氣冷卻器(E04203)為40萬t/a醋酸裝置配套低溫甲醇洗工段，原料氣采用中國五環(huán)工程有限公司自主設計的2臺氣化爐，經(jīng)變換裝置、低溫甲醇洗裝置、變壓吸附等裝置，分別向醋酸和乙二醇裝置供氣。原料氣(H2、CO、CO2、 N2、CH4等)與來自冷卻器 E04207 后的二次壓縮的循環(huán)氣一起在原料氣冷卻器E04203 中進一步冷卻。在此被一些逆行的氣流冷卻，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(chǎn)品氣(來自 CO2閃蒸塔 C04203 一段)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 中被-40℃級的氨制冷劑做最后一次冷卻，并送往甲醇洗滌塔 C04201。

E04203為繞管式換熱器，殼程溫度為15.8℃，運行壓力為3.25MPa，運行流量為145 000Nm3/h，管程CO2入口運行溫度為38.3℃，運行壓力為0.17MPa，出口運行溫度為18℃。

2 泄漏失效經(jīng)過

2020年6月18日23時00分，氣體凈化崗位巡檢人員在酸脫2號框架第4層E04203合成氣入口法蘭處，發(fā)現(xiàn)便攜可燃氣體檢測儀報警，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，E04203合成氣入口法蘭焊縫處有合成氣噴出，法蘭焊縫約有4cm左右裂紋，且裂紋有往兩邊擴展趨勢，泄漏時壓力、溫度無明顯波動，為避免漏點進一步擴大釀成事故，果斷采取切氣、停車隔離置換處理。下圖1、圖2為漏點情況，分別為泄漏過程中位置和停車后位置。

圖1 泄漏過程中位置

圖2 泄漏停車位置

3 焊縫失效泄漏原因分析

該處焊縫的母材為異種鋼焊接，E04203設備殼程進口法蘭(DN500 300LB)材質(zhì)為304SS，管道材質(zhì)為A106-B。通過一系列檢測，分析焊縫失效泄漏的原因。

3.1 宏觀檢查

管道直徑約510mm，法蘭側(cè)管壁厚約為30mm，管道側(cè)壁厚約為13mm，管道內(nèi)部焊縫成形較差，存在焊瘤、未焊透、未熔合、錯邊等缺陷(見圖3、圖4)。用砂輪機從焊縫中心將整條焊縫徑向切割開，以使得法蘭、管道兩側(cè)均保留原始焊肉，以便于進一步分析和觀察根部打底焊縫的情況和裂紋處的情況。對切割開的焊縫，從法蘭焊肉側(cè)、管道焊肉側(cè)以及切下來的焊縫的打底層、填充層和蓋面層分別進行光譜分析。從焊縫靠碳鋼側(cè)的焊趾處明顯開裂，且切割開后能很輕易地沿著坡口角度將焊肉撬開并打開裂紋，裂紋面呈褐色，為焊縫表面原始形態(tài)，焊道清晰，焊縫表面光滑，為焊接所留自由表面。裂紋沿管道側(cè)焊縫熔合線，從管內(nèi)側(cè)開裂，向管壁厚方向擴展。

圖3 法蘭側(cè)管內(nèi)焊縫焊接情況

圖4 法蘭側(cè)管內(nèi)焊縫無損檢測情況

3.2 無損檢測

對泄漏法蘭管內(nèi)、外進行滲透檢測，法蘭內(nèi)側(cè)焊縫存在裂紋，裂紋沿管道側(cè)熔合線擴展，裂紋較直、無分叉；在裂紋開口較大區(qū)域，揭開覆蓋在裂紋表面的管母材，裂紋面為焊縫原始自由表面，焊縫形態(tài)清晰，管外壁未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

3.3 化學成分分析

為進一步分析法蘭管失效泄漏原因，對失效件進行取樣加工，在滲透顯示內(nèi)部裂紋部位截取金相試樣和斷口形貌分析試樣，在法蘭側(cè)鉆取母材化學成分分析試樣，并在外側(cè)焊縫處鉆取焊縫化學成分分析試樣，根據(jù)鋼鐵及合金化學分析方法，對該試樣進行化學成分分析，化學成分分析結(jié)果見表1，法蘭側(cè)母材化學成分符合GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》中S30408的要求。

表1 母材化學成分分析 (%)

3.4 金相組織分析

取試樣進行金相分析，法蘭管側(cè)母材金相組織為奧氏體+析出相，析出相呈顆粒狀，分布在晶內(nèi)或晶界，個別晶界上析出相呈鏈狀，存在敏化跡象。焊縫金相組織為奧氏體+δ鐵素體，管道側(cè)母材金相組織為鐵素體+珠光體，管道側(cè)熱影響區(qū)金相組織為共析鐵素體+珠光體，裂紋位于焊縫熔合線，啟裂紋于管內(nèi)壁，沿管壁厚方向擴展。

3.5 硬度試驗

依據(jù)GB/T4340.1的要求，對試樣硬度進行測定，測定結(jié)果見表2，焊接接頭硬度滿足GB/T 13296中0Cr18Ni9(S30408)要求。

表2 測定結(jié)果

3.6 焊縫失效原因

設備法蘭側(cè)材質(zhì)為不銹鋼，管線側(cè)管材質(zhì)為碳鋼，異種鋼焊接選用了不銹鋼焊條。焊縫與法蘭側(cè)管均為不銹鋼，其熱膨脹系數(shù)相差不大，而管線側(cè)材質(zhì)為碳鋼，焊縫為不銹鋼，兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，在焊縫冷卻過程受力較法蘭側(cè)熔合區(qū)大；再者，管內(nèi)壁焊縫成型較差，存在焊瘤、未熔合、未焊透、焊縫余高等缺陷，焊接缺陷部位易產(chǎn)生應力集中，兩者應力疊加，易在缺陷部位優(yōu)先發(fā)生開裂；從失效點位于E04203入口側(cè)、介質(zhì)來自經(jīng)C04207氨洗滌后的原料氣、管內(nèi)壁附著有鐵銹色垢物與垢物的存在等問題，說明原料氣在失效法蘭部位發(fā)生了冷凝，有水相析出，原料氣中的酸性氣體在有水相的環(huán)境下，易形成電解質(zhì)環(huán)境，不銹鋼的焊縫與碳鋼母材存在電位差，在電解質(zhì)環(huán)境中沿熔合線發(fā)生電位腐蝕，在應力的作用下，對焊法蘭沿熔合線發(fā)生開裂，這與裂紋宏觀檢驗結(jié)果一致。

綜合以上針對焊法蘭附近的介質(zhì)存在冷凝現(xiàn)象的分析，認為不銹鋼焊縫與碳鋼母材發(fā)生電偶腐蝕是管道焊縫開裂的主要原因。內(nèi)壁焊縫焊接質(zhì)量缺陷，介質(zhì)易在缺陷部位殘留、聚集，并且缺陷部位易產(chǎn)生應力集中，管道焊縫成型較差是造成焊縫開裂的次要原因。

4 防范措施

為減少異種鋼焊接產(chǎn)生焊縫開裂，將采取以下措施：一方面，將設備法蘭(DN500 300LB)304SS材質(zhì)更換為碳鋼法蘭，焊接作業(yè)前編制焊接工藝，焊工在施焊時必須準確掌握焊接工藝卡的內(nèi)容，為提高焊接質(zhì)量，焊縫委托第三方檢驗單位進行無損檢測，避免焊瘤、未熔合、未焊透、焊縫余高等缺陷的出現(xiàn)；另一方面，在管道外壁增加蒸汽伴熱，避免介質(zhì)的冷凝現(xiàn)象。

5 結(jié)語

對異種鋼焊縫失效泄漏的原因進行了分析，并采取了防范措施，避免焊縫泄漏造成的事故，保證了裝置長周期運行。