N2O4冷卻器管板接頭泄漏焊接修復(fù)

陳 玲，任小鴻，周林軍，肖銀生

（1.四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川瀘州 646009；2.四川瀘天化弘旭工程建設(shè)有限公司，四川瀘州 646300）

0 引言

硝酸是工業(yè)生產(chǎn)中一種常見(jiàn)的氧化性酸，在化肥、農(nóng)藥、炸藥、染料及鹽類(lèi)等生產(chǎn)中得到了普遍應(yīng)用[1]。由于其極強(qiáng)的強(qiáng)氧化性和腐蝕性[2-3]，硝酸生產(chǎn)的過(guò)程設(shè)備容易出現(xiàn)硝酸腐蝕，影響設(shè)備的正常使用。因此，生產(chǎn)硝酸的設(shè)備需要選擇耐硝酸腐蝕的奧氏體型不銹鋼。00Cr14Ni14Si4（下文簡(jiǎn)稱(chēng)C4 鋼）屬于高硅單相奧氏體不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性，常在濃硝酸介質(zhì)中使用[4]。

某廠C4 鋼制造的濃硝酸設(shè)備投入使用已經(jīng)10 年，其N(xiāo)2O4冷卻器管板部分均為C4 鋼焊接而成，其接頭在正常使用6 年后出現(xiàn)泄漏，之后每年都進(jìn)行不間斷管口補(bǔ)焊，但少數(shù)焊縫在焊后試壓還是出現(xiàn)了泄漏現(xiàn)象?，F(xiàn)在出現(xiàn)了大面積的滲漏，修補(bǔ)的焊縫金屬呈現(xiàn)出焊接鐵水不清潔、不光亮，焊縫熔合區(qū)邊緣裂紋，通過(guò)補(bǔ)焊已不能解決問(wèn)題，需對(duì)接頭進(jìn)行分析并制定詳細(xì)檢修方案，從根本解決泄漏的問(wèn)題，保證設(shè)備安全運(yùn)行。

1 裂紋產(chǎn)生原因

為觀察焊縫表面和內(nèi)部泄漏點(diǎn)情況，先清洗漏點(diǎn)管板焊口，采用射線探傷找出焊縫上的泄漏點(diǎn)；再將管板焊接接頭泄漏點(diǎn)部分截取試樣，制作焊接接頭表面金相試樣；腐蝕清洗后利用100 倍金相顯微鏡進(jìn)行觀察，檢查焊縫表面腐蝕情況；最后將試樣銑削2 mm 后制作金相，繼續(xù)觀察焊接接頭內(nèi)部泄漏情況，顯微組織如圖1～圖3 所示。

圖1 母材顯微組織

圖2 熔合區(qū)顯微組織

圖3 焊縫顯微組織

由圖可看出母材的顯微組織均為單相奧氏體和少量碳化物；在焊縫表面和焊縫內(nèi)部熔合區(qū)的熔合線上發(fā)現(xiàn)微觀晶間腐蝕裂紋，裂紋從焊縫向母材延伸，在熔合線上出現(xiàn)腐蝕空洞；焊縫表面和內(nèi)部組織均為細(xì)小的奧氏體和碳化物，在焊縫上均發(fā)現(xiàn)了微觀晶間腐蝕裂紋，裂紋沿晶界延伸。

從金相檢查結(jié)果可看出，C4 鋼母材組織中出現(xiàn)了少量的碳化物，造成出現(xiàn)碳化物的原因是由于反復(fù)返修加熱造成的碳化物聚集；在管板表面和內(nèi)部?jī)蓚€(gè)區(qū)域的熔合區(qū)和焊縫處都出現(xiàn)了腐蝕裂紋，表明N2O4冷卻器使用多年后表面腐蝕已較深。隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕深度加深，是檢修時(shí)出現(xiàn)鐵水不清潔和邊緣裂紋的原因。為了避免再次出現(xiàn)缺陷，采取將接頭已腐蝕的部分全部銑削去除，再設(shè)計(jì)工藝進(jìn)行補(bǔ)焊和堆焊恢復(fù)焊縫。

2 焊接措施

2.1 工藝分析

C4 鋼化學(xué)成分見(jiàn)表1，鋼中含有大量的Si 元素，可以形成致密的SiO2薄膜，保證了鋼的耐腐蝕性能，但Si 在含Ni 量較高的鋼中易于偏析，與Ni、S、P 等合金元素形成低熔共晶夾層[5]，在焊接拉應(yīng)力作用下易產(chǎn)生熱裂紋。因此在焊接時(shí)，需要采用小線能量焊接，使用小電流短弧直道焊，同時(shí)焊道層間溫度嚴(yán)格控制在50 ℃以下[6]。

表1 C4 鋼化學(xué)成分 %

以前返修后試壓，管口出現(xiàn)泄漏，分析原因是過(guò)去采取從管口內(nèi)部補(bǔ)焊方法，未采用快速降溫的方法，焊接管口時(shí)溫度過(guò)高，使焊縫達(dá)到了敏化溫度，使耐腐蝕能力下降而出現(xiàn)了腐蝕。因此，焊接時(shí)除需用小線能量焊接外，還需采取快速降溫的措施，根據(jù)本廠實(shí)際情況，采用水冷紫銅塊進(jìn)行降溫。管板表面加工及坡口形式如圖4 所示，紫銅塊冷卻管頭工具如圖5 所示。

圖4 四氧化氮冷卻器坡口

圖5 水冷銅塊降溫示意

2.2 焊接方法選擇

由于焊接的管子薄，且焊接坡口深度為2 mm，為了防止缺陷、減少熱裂紋產(chǎn)生，采用熱輸入小的鎢極氬弧焊（GTAW）。

2.3 焊接材料選擇

焊接材料管厚2.5 mm，板厚40 mm，且C4 鋼為奧氏體鋼，既要保證焊縫金屬力學(xué)性能，同時(shí)也需保證耐腐蝕能力，因此焊縫成分與母材相似，還應(yīng)保證鐵素體含量為6%～12%，才能保證焊縫性能。之前曾采用過(guò)HC4 焊條和KY704H 氬弧焊絲，焊接過(guò)程裂紋幾率較高，本次焊接選擇C4 鋼專(zhuān)用A082 焊絲，焊絲成分見(jiàn)表2。

表2 A082 焊絲的成分 %

2.4 焊接參數(shù)制定

根據(jù)上述分析，當(dāng)C4鋼焊接線能量過(guò)大時(shí)，易出現(xiàn)熱裂紋，而且焊接接頭長(zhǎng)期在敏化區(qū)加熱，會(huì)使處于高溫濃硝酸環(huán)境下的管板接頭加速腐蝕泄漏，因此采用小線能量、短弧、快速直道焊，保證層間溫度不超過(guò)50 ℃，并采用水冷銅塊降溫。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

2.5 焊接實(shí)施

為減少熱輸入，除采取合理工藝參數(shù)外，焊接時(shí)注意事項(xiàng)：①使用技能熟練的焊工進(jìn)行焊接操作；②焊接時(shí)，為避免因保證焊透而加大熔深，焊接操作時(shí)每層焊接層高如圖6 所示；③每道焊縫寬度應(yīng)控制在≤2 倍焊材直徑，以減少高溫停留時(shí)間；④為避免弧坑裂紋，熄弧時(shí)應(yīng)將熔池填滿(mǎn)，且為防止母材表面劃傷，應(yīng)在焊縫上熄弧，不能引入母材，如圖7 所示。

圖6 焊接層高控制

圖7 修復(fù)后的管板

3 結(jié)論

用金相分析的方法觀察管板接頭腐蝕裂紋的分布。采用小線能量、短弧、快速直道焊，保證層間溫度不超過(guò)50 ℃，用水冷銅塊對(duì)焊縫進(jìn)行降溫的辦法，成功修復(fù)了接頭缺陷。該接頭已成功運(yùn)行沒(méi)有出現(xiàn)泄漏，為不銹鋼管板接頭修復(fù)提供案例參考。