復(fù)合板厚壁筒體與不銹鋼接管焊接裂紋的修復(fù)

王巖

（大連市化工設(shè)計院有限公司大連市116092）

1 前言

在石化裝備中復(fù)合板的應(yīng)用越來越廣泛，它既具有一定的強度，又有耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性能，而且價格也相對低廉。在使用厚壁復(fù)合板生產(chǎn)制造設(shè)備過程中，設(shè)備筒體與接管之間的角焊縫在焊接過程中很容易出現(xiàn)焊接裂紋。為避免角焊縫焊接裂紋的出現(xiàn)，現(xiàn)就某公司在厚壁復(fù)合板制造過程中接管與筒體之間的焊接產(chǎn)生的焊接裂紋后，提出焊接返修方案進(jìn)行簡單介紹。

粗甲醇2#分離器是某公司年產(chǎn)100萬噸乙二甲醇項目中一臺立式設(shè)備，設(shè)備封頭及筒體為復(fù)合板材質(zhì)，接管為碳鋼堆焊不銹鋼材質(zhì)和不銹鋼材質(zhì)。碳鋼堆焊不銹鋼接管與復(fù)合板筒體之間焊接的角焊縫在焊接完成后，沒有出現(xiàn)焊接裂紋并經(jīng)過無損檢測合格。不銹鋼接管與復(fù)合板筒體之間焊接的角焊縫在焊接完成后，在沿復(fù)合板筒體熔合線處出現(xiàn)了貫穿性裂紋。由于復(fù)合板筒體壁厚較厚，導(dǎo)致這種焊接裂紋返修難度大，返修時間長，若返修方案處理不好，還有可能會再次出現(xiàn)裂紋?，F(xiàn)結(jié)合某公司粗甲醇2#分離器中兩種不同材質(zhì)接管與復(fù)合板厚壁筒體之間的焊接接頭對比分析，不銹鋼接管與復(fù)合板筒體之間的焊接接頭裂紋產(chǎn)生的原因，針對其原因提出了返修方案。

2 設(shè)備概況

粗甲醇2#分離器其設(shè)計壓力為8.3MPa，設(shè)計溫度為120℃/-19.3℃：材質(zhì)為S30403+Q345R，筒體規(guī)格為DN3760X（3+96）mm，接管材質(zhì)分別為16MnⅢ堆焊S30403和S30403Ⅲ，設(shè)備總長10500mm。

3 復(fù)合板筒體與接管之間焊接時的基本參數(shù)及過程

3.1 S30403Ⅲ鍛管與復(fù)合板筒體之間的焊接：

筒體材質(zhì)為S30403+Q345R，t2=（3+96）mm；

接管材質(zhì)為S30403III，t1=37.5mm；

焊接坡口形式采用K型坡口，如圖一所示：

圖1

焊接之前對坡口進(jìn)行清理干凈，露出金屬光澤,

并進(jìn)行100%MT無損檢測，不銹鋼側(cè)刷白堊粉漿；

預(yù)熱溫度為≥100℃（碳鋼側(cè)），層間溫度控制在100～200℃；

采用焊條電弧焊的焊接方法，用A062焊條從坡口內(nèi)側(cè)開始焊接，焊接一定深度后，背面清根，用砂輪進(jìn)行修磨露出金屬光澤，焊接坡口另一側(cè)，坡口內(nèi)外兩側(cè)交替焊接，最后焊接耐蝕層，采用焊條A062焊接過渡層，采用焊條A002焊接面層，與母材平齊；

焊接參數(shù)如表1：

表1

焊接過程控制：焊接時，應(yīng)采用小的線能量，直焊道，多道壓焊的方法，道間認(rèn)真清理熔渣，每道焊接厚度約2mm。在焊接過程中除面層及打底層外，進(jìn)行逐層錘擊。焊后清理飛濺，焊縫修磨，進(jìn)行外觀檢查。

3.2 16MnⅢ堆焊S30403鍛管與復(fù)合板筒體之間的焊接：

筒體材質(zhì)為S30403+Q345R，t2=（3+96）mm；

鍛管材質(zhì)為16MnⅢ堆焊S30403，t1=（128+6）mm

焊接坡口形式采用K型坡口，如圖二所示：

圖2

焊接之前對坡口進(jìn)行清理干凈，并進(jìn)行100%MT無損檢測，

不銹鋼側(cè)刷白堊粉漿；

預(yù)熱溫度為≥100℃，層間溫度控制在100～200℃；

采用焊條電弧焊的焊接方法，用焊條J507從內(nèi)側(cè)開始焊接，焊接一定深度后，背面清根，用砂輪進(jìn)行修磨露出金屬光澤，焊接坡口另一側(cè)，坡口內(nèi)外兩側(cè)交替焊接，內(nèi)側(cè)坡口填充到距復(fù)合板熔合線1.5～2.0mm，最后焊接耐蝕層，采用焊條A062焊接過渡層，采用焊條A002焊接面層，與母材平齊；

焊接參數(shù)如表2：

表2

焊接過程控制：焊接時，應(yīng)采用小的線能量，直焊道，多道壓焊的方法，道間認(rèn)真清理熔渣，每道焊接厚度約2mm。在焊接過程中除面層及打底層外，應(yīng)進(jìn)行逐層錘擊。焊后清理飛濺，焊縫修磨，進(jìn)行外觀檢查。

4 對裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析

在同一個復(fù)合板筒體上焊接，同樣的坡口形式，同一個焊接工人施焊，相似的焊接熱過程，不同的母材材質(zhì)，不同的焊接材料，不同的接管直徑產(chǎn)生了不同的焊接結(jié)果。根據(jù)這幾點的不同，我們發(fā)現(xiàn)在復(fù)合板厚壁筒體與不銹鋼接管在焊接的過程中可能存在如下問題：

4.1 在復(fù)合板基層Q345R與S30403Ⅲ接管焊接時，采用A062焊條作為填充焊縫材質(zhì)，由于復(fù)合板基層Q345R與焊材A062的化學(xué)成分差異較大，熔化的Q345R母材金屬在熔池邊緣上與焊材A062填充金屬不能很好地熔合，使得靠近Q345R側(cè)母材的一個狹窄的區(qū)域內(nèi)，形成和焊縫金屬內(nèi)成分不同的過渡層。對照舍弗勒組織圖，可推測出這一區(qū)域很可能是高硬度的馬氏體或奧氏體加馬氏體組織，而這種淬硬組織可能會導(dǎo)致焊接裂紋。

4.2 當(dāng)復(fù)合板基層Q345R與S30403Ⅲ接管焊接時，由于復(fù)合板基層Q345R的含碳量較高，而且合金元素較少，而S30403Ⅲ接管卻相反，因此在復(fù)合板基層Q345R側(cè)熔合區(qū)兩邊形成了碳的活度差。在高溫加熱過程中，復(fù)合板基層Q345R與S30403Ⅲ接管界面附近發(fā)生反應(yīng)擴(kuò)散造成碳的遷移。一部分碳將通過界面由復(fù)合板基層Q345R一側(cè)遷移到S30403Ⅲ接管一側(cè)，在復(fù)合板基層Q345R一側(cè)形成脫碳層，同時在S30403Ⅲ接管一側(cè)形成增碳層。這個結(jié)果會造成兩側(cè)力學(xué)性能相差很大，當(dāng)接頭受力時，該處可能會引起應(yīng)力集中。

4.3 復(fù)合板基層Q345R與S30403Ⅲ接管的線脹系數(shù)相差較大，復(fù)合板基層Q345R的導(dǎo)熱能力很好，S30403Ⅲ接管的導(dǎo)熱能力差，而復(fù)合板筒體導(dǎo)熱面積相對接管的導(dǎo)熱面積大，在焊接的過程中復(fù)合板基層Q345R的焊接散熱速度較快，S30403Ⅲ接管的散熱速度較慢，從而使得焊縫兩側(cè)產(chǎn)生很大溫度梯度，溫度梯度越大，焊后的殘余應(yīng)力也會越大[1]。

4.4 由于接管與筒體之間的角焊縫是封閉焊縫，接管與筒體之間的焊接是在較大拘束條件下進(jìn)行的，焊后其內(nèi)應(yīng)力值也會比較大。而接管直徑與筒體直徑比值越小，拘束度就越大，鋼管的中的內(nèi)應(yīng)力就越大。所以在不銹鋼接管與筒體焊接后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力就比碳鋼堆焊不銹鋼接管與筒體焊接后產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大。

4.5 厚板焊接接頭中除存在縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力外還存在較大的厚度方向的應(yīng)力。另外，板厚增加后，縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力在厚度方向上的分布也會發(fā)生很大變化。本設(shè)備中復(fù)合板厚度為（3+96）mm，多層焊焊縫橫截面積的中心處殘余應(yīng)力沿厚度方向的分布。縱向應(yīng)力在焊縫根部大大超過了屈服強度，這是由于每焊一層就產(chǎn)生一次彎曲作用，多次拉伸塑性變形的積累造成焊縫根部應(yīng)變硬化，使應(yīng)力不斷升高。嚴(yán)重時，甚至?xí)蛩苄院慕叨鴮?dǎo)致焊縫根部開裂[2]。

綜合以上所述，在復(fù)合板筒體側(cè)熔合線處可能存在著淬硬組織和比較大的殘余應(yīng)力，在共同的作用下，沿筒體側(cè)熔合線處出現(xiàn)焊接裂紋。為避免這種現(xiàn)象的再次發(fā)生，在復(fù)合板厚壁筒體與不銹鋼接管之間焊接時，我們應(yīng)將焊接坡口根部留有足夠的距離，為防止焊接材料和母材不能很好的熔合，應(yīng)先將坡口進(jìn)行堆焊，讓焊縫形成化學(xué)成分相近材質(zhì)的焊接，減少焊接殘余應(yīng)力的存在。

5 返修方案

改變原來的坡口形式，坡口形式如圖三所示：

圖3

先將接管用碳弧氣刨切割下來，對接管焊接部位表面

及筒體坡口表面進(jìn)行砂輪修磨，修磨至金屬光澤，然后對

接管和筒體坡口表面進(jìn)行分別進(jìn)行100%PT和100% MT檢

測，按NB/T47013.5和NB/T47013.4 I級合格。

采用焊條電弧焊的焊接方法，用焊條J507對筒體基層缺

口部位進(jìn)行補焊，然后修磨成圖三所示的待堆焊坡口表面，

對其進(jìn)行100%MT檢測，按NB/T47013.4 I級合格，補焊參數(shù)如表三：

表3

在復(fù)合板側(cè)坡口進(jìn)行堆焊，堆焊過渡層采用焊條A062，面層采用焊條A002，過渡層堆焊厚度約為2mm，面層堆焊厚度約為4mm，堆焊參數(shù)如表四：

表4

堆焊后進(jìn)行堆焊面的修磨，對其進(jìn)行100%PT檢測，按NB/T47013.5 I級合格。不銹鋼接管與復(fù)合板筒體在焊接之前，需要在筒體外壁放置環(huán)形不銹鋼墊板，預(yù)熱溫度為室溫，層間溫度≤150℃；用焊條A002從內(nèi)側(cè)開始焊接，焊至與表面2-3mm，清除環(huán)形不銹鋼墊板，修磨焊接部位，露出金屬光澤后，采用焊條A062焊接外側(cè)焊腳，焊腳高應(yīng)滿足圖紙要求，最后焊接內(nèi)側(cè)面層，焊至與母材平齊。

焊接過程控制：焊接時，應(yīng)采用小的線能量，直焊道，多道壓焊的方法，道間認(rèn)真清理熔渣，每道焊接厚度約2mm。在焊接過程中除面層及打底層外，應(yīng)進(jìn)行逐層錘擊。焊后清理飛濺，焊縫修磨，進(jìn)行外觀檢查，進(jìn)行100%UT和100%PT檢測，按NB/T47013.3 I級合格和NB/T47013.5 I級合格。

6 結(jié)束語

在復(fù)合板厚壁筒體與不銹鋼接管之間焊接時，為避免產(chǎn)生裂紋，焊接坡口形式的設(shè)計和焊接工藝方案的編制顯得尤為重要。在返修方案中復(fù)合板側(cè)碳鋼坡口堆焊避免了異種鋼之間的焊接，消除了異種鋼之間焊接時容易產(chǎn)生組織成分不均勻的現(xiàn)象，同時也減小了焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。厚壁設(shè)備中不銹鋼接管與復(fù)合板厚壁筒體的焊接都可以采用這種堆焊形式的焊接結(jié)構(gòu)，焊縫返修率低，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約生產(chǎn)成本。