某化工廠蒸汽發(fā)生器修復(fù)過程中的熱處理問題分析

朱 甜

（江蘇焱鑫科技股份有限公司，江蘇 江陰 214421）

0 引言

現(xiàn)有化工生產(chǎn)蒸汽發(fā)生器選用材料的強(qiáng)度大、淬硬傾向也較大，但長(zhǎng)期高溫使用過程中也會(huì)出現(xiàn)韌性下降、韌脆性溫度升高等情況，極易產(chǎn)生氫致裂紋。傳統(tǒng)焊接技術(shù)，由于忽略了熱處理技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致焊接效果較差，因此以某化工廠蒸汽發(fā)生器裂紋修復(fù)方案為例，重點(diǎn)分析該壓力容器的熱處理問題，為同類焊接裂縫的修復(fù)工作提供參考。

1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)及修復(fù)現(xiàn)狀

某化工廠蒸汽發(fā)生器裝置由意大利BOSCO 公司引入，并與當(dāng)年投產(chǎn)運(yùn)行，現(xiàn)已使用近20 年，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。該蒸汽發(fā)生器材質(zhì)外殼為ASTM A516、其余管箱管板材質(zhì)為ASTM A182 GR.F22，管箱管板處也是最易出現(xiàn)裂紋區(qū)域，其材質(zhì)為合金材質(zhì)，其中主要的化學(xué)成分組成為：w（S）=0.015%、w（P）=0.015%、w（Cu）=0.15%、w（C）=0.15%、w（Ni）=0.17%、w（Si）=0.25%、w（Mn）=0.47%、w（Mo）=0.92%、w（Cr）=2.21%。通過對(duì)該項(xiàng)材質(zhì)的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其抗拉強(qiáng)度為656 MPa、屈服強(qiáng)度為452 MPa、材料伸長(zhǎng)率為28%。

表1 蒸汽發(fā)生器主要技術(shù)參數(shù)表

該工廠蒸汽發(fā)生器投產(chǎn)以來，由于管箱與管板環(huán)間的焊縫出現(xiàn)過貫穿性橫向裂紋，導(dǎo)致出現(xiàn)過進(jìn)口側(cè)起火事故，應(yīng)用焊接技術(shù)對(duì)橫向裂紋進(jìn)行修復(fù)，并再次投入使用后，時(shí)間一久焊縫處仍會(huì)產(chǎn)生裂紋。因此通過將焊縫切開重新進(jìn)行焊接，并采用新的熱處理工藝進(jìn)行修復(fù)，徹底解決了焊縫缺陷。在后續(xù)使用過程中，焊縫位置也再未產(chǎn)生裂紋缺陷。

2 焊接裂紋形式

由于現(xiàn)有蒸汽發(fā)生器管箱及管板選用材料大多為對(duì)再熱裂紋敏感性材料，因此兩者在焊接過程中，接頭處再熱裂紋通常包括以下三種類型：

1）蒸汽發(fā)生器長(zhǎng)期高溫工況下生成的裂紋，該類型再熱裂紋形成條件特殊，主要在易發(fā)生二次沉淀硬化的熱強(qiáng)鋼接頭熱影響區(qū)中較為常見；

2）接頭處在焊接后消除應(yīng)力的熱處理工藝流程中產(chǎn)生的裂紋，該類型裂紋也是最常見產(chǎn)生概率最高的一種，是低合金鋼材質(zhì)中接頭再熱裂紋的基本形成方式；

3）堆焊層下產(chǎn)生的裂紋。該類型裂紋主要出現(xiàn)在奧氏體不銹鋼材料堆焊層下基材的熱影響區(qū)，當(dāng)基材屬于再熱裂紋敏感材料時(shí)，通過堆焊工藝就容易使堆焊層產(chǎn)生裂紋。

3 熱處理技術(shù)應(yīng)用

完成上述蒸汽發(fā)生器中管箱以及管板的材質(zhì)以及上述管箱管板焊接點(diǎn)位、裂紋產(chǎn)生形式分析后，在裂紋修復(fù)工序中加入新的熱處理工藝，保障修復(fù)工作取得良好的效果。通過分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生裂紋的主要原因發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)過程中氫氣等氣體在高溫下對(duì)焊縫這些疏松性材質(zhì)的穿透性較強(qiáng)，造成了裂紋的出現(xiàn)以及沿伸；同時(shí)BOSCO 公司制造工藝熱處理工序中溫度500～650 ℃區(qū)域停留時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致焊接點(diǎn)位硬度過高沖擊韌性大幅降低，同時(shí)保溫冷卻速率太慢，又導(dǎo)致材質(zhì)回火脆性難以消除，造成裂紋的產(chǎn)生[1]。因此新的熱處理技術(shù)要考慮到這兩類因素的影響，通過消氫處理、加快升溫降溫速率等方式，降低上述因素對(duì)熱處理工藝造成的影響。

3.1 預(yù)熱、消氫熱處理

結(jié)合上述高溫氫氣對(duì)焊縫穿透性的影響，同時(shí)由于蒸汽發(fā)生器化工廠房濕度大、同時(shí)長(zhǎng)期的制氫過程使得鋼材吸附氫含量較高，所以可以通過預(yù)熱方式清除焊接部位水分，通過消氫步驟對(duì)施焊部位進(jìn)行預(yù)處理，通過上述兩種工序?qū)φ羝l(fā)生器焊接部位進(jìn)行預(yù)處理，減小這些因素對(duì)后續(xù)熱處理工藝造成的干擾。選用的履帶式電加熱器安裝于坡口兩側(cè)超出50 mm的距離，同時(shí)可在距離破口30 mm 處通過點(diǎn)焊手段設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)，在蒸汽發(fā)生器管箱內(nèi)、外兩層以及加熱器上均覆蓋一層80 mm 厚的硅酸鋁耐火纖維保溫層，保持加熱溫度，鋪設(shè)方式，如圖1 所示。該項(xiàng)工藝處理方式要求在350 ℃±20 ℃下維持保溫4 h，后續(xù)熱處理工序中絕熱材料、加熱器的選型也同樣不再變動(dòng)。

圖1 預(yù)熱消氫熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)示意圖（單位：mm）

3.2 中間熱處理

分析蒸汽發(fā)生器管箱以及管板環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋的原因，再熱裂紋形成方式中的前兩類型形成方式即長(zhǎng)期高溫工況下生成的裂紋、接頭處在焊接后消除應(yīng)力的熱處理工藝流程中產(chǎn)生的裂紋兩者，都是該蒸汽發(fā)生器焊接裂縫存在的，同時(shí)這兩種裂紋的形成方式相似，僅僅在形成時(shí)間上有所不同，裂紋的產(chǎn)生均貼合著接頭熔合線，都是在1 200～1 500 ℃的高溫粗晶區(qū)域產(chǎn)生，同時(shí)向奧氏體晶界方向延展。采用高約束度焊接接頭殘余應(yīng)力較大，因此就導(dǎo)致裂紋很可能從高溫粗晶區(qū)直接穿過整個(gè)接頭壁厚，因此殘余應(yīng)力也就是再熱裂紋產(chǎn)生的重大誘因，在焊接時(shí)要盡量消除殘余應(yīng)力造成的影響。因此通過中間熱處理工藝，在坡口焊接一半后進(jìn)行中間消除殘余應(yīng)力的熱處理，可有效減緩殘余應(yīng)力的影響。其中中間熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)，如圖2 所示[2]。

圖2 中間熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)示意圖

由圖2 可以看出，中間熱處理工藝在蒸汽發(fā)生器管箱以及管板焊接接頭間的坡口，通過預(yù)先焊接一半即35 mm 的方式，來降低殘余應(yīng)力帶來的影響。同時(shí)需要注意的是，在中間熱處理工序中由于兩次焊接步驟的應(yīng)用，消除了殘余應(yīng)力的同時(shí)極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此為避免應(yīng)力集中對(duì)后續(xù)修復(fù)工序帶來的影響，需要嚴(yán)格執(zhí)行熱處理修復(fù)工藝，保障修復(fù)工序的安全有序進(jìn)行。

3.3 最終熱處理階段

再熱裂紋產(chǎn)生的溫度通常在500～650 ℃這一區(qū)域，如圖3 所示為裂紋產(chǎn)生加熱溫度與設(shè)定保溫時(shí)間之間的關(guān)系，形成一條C 形曲線。可以看出，再熱裂紋在這一溫度區(qū)域內(nèi)是十分敏感的，進(jìn)行最終熱處理過程也應(yīng)盡快通過這一溫度區(qū)間。同時(shí)，在升溫階段裂紋尚未焊接修復(fù)，因此這一敏感溫度所需注意的工序應(yīng)處在降溫冷卻階段，通過加快冷卻速率的方式，快速通過這一敏感溫度區(qū)域[3]。

圖3 再生裂紋敏感溫度區(qū)間示意圖

結(jié)合再生裂紋產(chǎn)生原因，BOSCO 公司蒸汽發(fā)生器制造工藝文件中，熱處理工藝在保溫工序后的冷卻階段耗時(shí)較長(zhǎng)，也就導(dǎo)致維持在敏感溫度500～650 ℃這一區(qū)域的時(shí)間很長(zhǎng)，從而影響到裂紋的修復(fù)效果。因此在最終熱處理工藝中要首先考慮到這一點(diǎn)，通過改變升溫、降溫速率的方式對(duì)熱處理工序進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中調(diào)整后的最終熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)，如圖4 所示，工藝流程曲線，如圖5 所示。

圖4 最終熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)示意圖（單位：mm）

從圖4 可以看出，最終熱處理階段蒸汽發(fā)生器管箱以及管板焊接接頭間的坡口，與圖2 相比已全部焊滿，同時(shí)為了緩解500～650 ℃這一再熱裂紋極易產(chǎn)生的溫度區(qū)域?qū)π迯?fù)工序造成的影響，從圖5 可以看出，最終熱處理工序流程中在溫度達(dá)到最高點(diǎn)，完成焊接任務(wù)開始冷卻時(shí)，初始冷卻速率達(dá)到了150 ℃/h，當(dāng)溫度下降到450 ℃之后，冷卻速度開始減小到不足70 ℃/h，大幅縮短了處于500～650 ℃這一敏感溫度區(qū)域的時(shí)間，避免了再熱裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)上述蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)即再熱裂紋產(chǎn)生原因、裂紋形式進(jìn)行分析，同時(shí)應(yīng)用新的熱處理技術(shù)，對(duì)蒸汽發(fā)生器管箱與管板間環(huán)焊縫裂紋進(jìn)行修復(fù)處理，主要包括預(yù)消氫除濕處理、加快冷卻速率兩方面對(duì)熱處理工序進(jìn)行優(yōu)化。將該化工廠蒸汽發(fā)生器采用以上熱處理修復(fù)工序后投入使用，裂紋缺陷再未產(chǎn)生，通過實(shí)際應(yīng)用表明該項(xiàng)熱處理工藝是可行的。為同類型蒸汽發(fā)生器即壓力容器的焊接裂紋修復(fù)過程提供了參考借鑒，保障了化工廠各類壓力容器的安全高效生產(chǎn)使用。