丙烷脫氫干燥器現(xiàn)場(chǎng)組焊裂紋分析及返修措施①

陶昌明 洪 朝 費(fèi)東輝 鄭 燕

(寧波市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院)

2016年初，寧波市特檢院對(duì)某化工企業(yè)丙烷脫氫反應(yīng)裝置兩臺(tái)反應(yīng)流出物干燥器(21D0206-1/2)現(xiàn)場(chǎng)組焊施工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)檢。經(jīng)TOFD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)干燥器下封頭與筒體連接的B5環(huán)焊縫存在多處裂紋缺陷。安裝單位根據(jù)返修方案對(duì)編號(hào)為21D0206-2的干燥器進(jìn)行第1次返修。經(jīng)TOFD再次檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，局部仍存在裂紋缺陷,部分裂紋發(fā)生擴(kuò)展現(xiàn)象。

Q345R是一種常用的、可焊性較好的壓力容器用鋼板，且相對(duì)應(yīng)的焊接工藝比較成熟，一般在壓力容器實(shí)際焊接過(guò)程中很少出現(xiàn)多次返修的情況。同時(shí)，干燥器的工作溫度和壓力較高，內(nèi)部介質(zhì)(氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、異丁烯、硫化氫、異丁烷、苯)具有易燃、易爆和有毒的特點(diǎn)。在筒體封頭焊縫現(xiàn)場(chǎng)組焊過(guò)程中出現(xiàn)如此嚴(yán)重的裂紋，無(wú)疑會(huì)給今后的生產(chǎn)使用埋下極大的隱患。因此，分析裂紋產(chǎn)生的原因顯得非常必要。

干燥器基本情況丙烷脫氫反應(yīng)裝置反應(yīng)流出物干燥器主要參數(shù)如下：

容器級(jí)別 III類

材料 Q345R(正火)

規(guī)格φ7800mm×15185mm

筒體厚度 50mm

封頭厚度 60/55mm

檢測(cè)手段 100%TOFD/100%MT/100%RT(接管)

熱處理工藝 620±20℃×2h

設(shè)計(jì)壓力 -0.1/0.8/1.18MPa

設(shè)計(jì)溫度 42/260/120℃

工作壓力 0.0～0.4/0.00～1.23MPa

工作溫度 42～232℃

2016年2月，安裝單位根據(jù)返修方案及焊接工藝評(píng)定和焊接工藝規(guī)程，對(duì)21D0206-2干燥器的B5環(huán)焊縫進(jìn)行了第1次返修。先采用碳弧氣刨清除缺陷，砂輪機(jī)修磨刨道，再采用SMAW焊接方法補(bǔ)焊。打底層：φ4.0 mmJR507RH，140～160A，23±2V；其余層：φ4.0 mm、JR507RH，150～170A，23±2V；焊接速度均為12～15cm/min，預(yù)熱及層間溫度控制要求為150±20℃。

返修完畢后經(jīng)TOFD檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，下封頭與筒體連接處的環(huán)焊縫上仍存在裂紋。

1 缺陷分析

一次返修未能真正解決裂紋等超標(biāo)缺陷，安裝和使用單位邀請(qǐng)監(jiān)檢機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位和無(wú)損檢測(cè)單位召開(kāi)了專題會(huì)議，來(lái)分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因。同時(shí)，對(duì)該容器使用材料(焊材、母材)、封頭等進(jìn)行了一系列的檢測(cè)和分析，最終認(rèn)為返修后仍存在裂紋的原因主要有以下3個(gè)方面：

a. 現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)封頭坡口與筒體坡口形式搞錯(cuò)，按照工藝設(shè)計(jì)要求B5環(huán)焊縫的外口為U形大坡口，里口為V形小坡口，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)封頭和筒體的坡口里外大小坡口搞反，為了趕工期特意采用了碳弧氣刨的加工方式使兩者坡口一致。在此過(guò)程中，可能將碳組織殘留在焊道里，且在碳弧氣刨后的修磨工序中未把氣刨碳棒產(chǎn)生的滲碳層修磨干凈，且在第1次返修過(guò)程中碳弧氣刨操作失誤粘滯或脫落于坡口中的碳棒端部熔入焊接熔池中(夾碳)，這可能是造成上述區(qū)域增碳加并導(dǎo)致嚴(yán)重開(kāi)裂的關(guān)鍵因素[1]。

b. 焊接預(yù)熱工藝和執(zhí)行不到位，產(chǎn)生過(guò)大焊接殘余應(yīng)力。焊前預(yù)熱的目的是使焊縫金屬的實(shí)際冷卻速度低于該種鋼的臨界冷卻速度。如果焊接時(shí)焊縫冷卻速度超過(guò)該種鋼的臨界冷卻速度，焊縫和熱影響區(qū)就會(huì)形成馬氏體組織，在氫和熱應(yīng)力的作用下就有可能產(chǎn)生裂紋[2]。根據(jù)焊接工藝要求，預(yù)熱及層間溫度應(yīng)控制為150±20℃，焊工在實(shí)際施工過(guò)程中可能未按工藝要求嚴(yán)格控制預(yù)熱和層間溫度，且由于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境惡劣、氣溫較低，預(yù)熱后鋼板容易快速冷卻，部分焊道的溫度已低于工藝要求。

同時(shí)，該設(shè)備的第1次返修補(bǔ)焊過(guò)程也有可能產(chǎn)生更復(fù)雜的殘余應(yīng)力分布。補(bǔ)焊是在原有的焊道上進(jìn)行施焊，其殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布遠(yuǎn)比初始焊接復(fù)雜，補(bǔ)焊過(guò)程中焊接參數(shù)(多道焊、熱輸入和層間溫度)對(duì)補(bǔ)焊的影響遠(yuǎn)比初始焊接重要[3]。

2 缺陷處理措施

通過(guò)對(duì)上述裂紋成因的分析，以及了解設(shè)備返修預(yù)熱工藝處理的效果，滲碳組織和焊接殘余應(yīng)力等拘束應(yīng)力集中是裂紋產(chǎn)生的主要原因。為此，對(duì)該臺(tái)產(chǎn)品編號(hào)為21D0206-2反應(yīng)流出物干燥器二次返修的主要處理措施有：

a. 用磨光機(jī)把整體焊縫(包括熔合線)打磨干凈，完全清除滲碳層；

b. 嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行預(yù)熱，保證預(yù)熱效果，使預(yù)熱溫度和面積達(dá)到規(guī)定要求，同時(shí)焊后消氫處理作部分調(diào)整，增加保溫時(shí)間及延長(zhǎng)緩冷操作要求，減少溫差致收縮應(yīng)力影響；

c. 增大坡口表面檢驗(yàn)及無(wú)損檢測(cè)面積，避免缺陷殘留；

d. 所有返修工序的檢驗(yàn)檢測(cè)工作由檢驗(yàn)部門(mén)專人負(fù)責(zé)，嚴(yán)格把關(guān)；

e. 焊后整體熱處理。

對(duì)21D0206-2下封頭與筒體連接焊縫重新進(jìn)行TOFD檢測(cè)，標(biāo)出缺陷存在的位置、深度。把整條焊縫(包括熔合線)清理去除，然后返修焊接，二次返修方案和工藝要求如下：

a. 碳弧氣刨清根前在焊縫上、下熔合線上每隔100mm打上樣沖眼，便于雙方確認(rèn)清除整體焊縫(打完樣沖眼后，告知監(jiān)理方)。

b. 氣刨清除缺陷前對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱采用返修焊縫整體電加熱的措施，預(yù)熱位置為返修焊縫的外側(cè)(并覆蓋保溫棉在后熱處理后再進(jìn)行拆除)(保溫棉的寬度每側(cè)不少于500mm，保溫厚度40～60mm)，控制預(yù)熱溫度不低于80℃，測(cè)溫儀在焊縫的返修面測(cè)溫。焊縫預(yù)熱面積為24800mm(焊縫總長(zhǎng))×200mm(電熱帶寬度)。

c. 達(dá)到要求的預(yù)熱溫度后，內(nèi)側(cè)用碳弧氣刨清除整條焊縫，包括焊縫熔合線(外側(cè)焊縫留深度10mm不清除，待內(nèi)側(cè)焊縫返修完后再清除返修外側(cè)焊縫)。待溫度緩冷降至常溫，用PT檢測(cè)坡口部位，以確認(rèn)缺陷是否清除(檢測(cè)結(jié)果如還遺存有缺陷，則需依照以上工藝?yán)^續(xù)清除缺陷，直至缺陷全部被清理)。卸去保溫帶，外側(cè)(背面)用UT檢測(cè)是否存在裂紋，以確認(rèn)缺陷是否清除(檢測(cè)結(jié)果如還遺存有缺陷，則需依照以上工藝?yán)^續(xù)清除缺陷，直至缺陷全部被清理)。刨道的寬度按缺陷深度利用計(jì)算。用砂輪機(jī)對(duì)刨道進(jìn)行坡口修磨處理，直至磨出金屬光澤。(打磨滲碳層厚度不低于3～5mm)。

d. 確認(rèn)返修焊縫中所有的缺陷被清理消除后，在焊縫的外側(cè)進(jìn)行焊前預(yù)熱(整條)，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度在150±20℃，測(cè)溫儀在焊縫的返修面測(cè)溫。焊縫預(yù)熱面積為24800mm(焊縫總長(zhǎng))×200mm(電熱帶寬度)，同時(shí)應(yīng)檢測(cè)坡口面的溫度)。

e. 返修補(bǔ)焊采用SMAW，多名焊工(4人)同時(shí)對(duì)稱地對(duì)返修焊縫進(jìn)行焊接，焊接位置為橫焊。焊接材料為焊條J507RH，打底用φ4mm焊條， 130～150A， 24±2V,焊接速度12～15cm/min；填充用φ5mm焊條, 160～190A， 26±2V，焊接速度12～15cm/min。開(kāi)始焊接時(shí)4名焊工同時(shí)沿順時(shí)針?lè)较蚴┖福耙粚雍缚p焊接結(jié)束再焊接下一層焊縫，焊接方向與前一層方向相反。焊接過(guò)程中注意控制焊接線能量，采用多層多道焊接，盡量錯(cuò)開(kāi)每層的焊接接頭，注意層間雜質(zhì)應(yīng)清理干凈，控制道間溫度不小于預(yù)熱溫度，在150±20℃之間(整個(gè)返修焊接過(guò)程中，加熱裝置全程監(jiān)控，保證道間溫度不低于預(yù)熱溫度)。每道焊縫焊接完應(yīng)仔細(xì)觀察焊縫是否有其他缺陷產(chǎn)生(如表孔或夾渣)，如出現(xiàn)缺陷，應(yīng)馬上修磨清除，若沒(méi)有問(wèn)題，再接著焊接下一道焊縫。

f. 焊接時(shí)每層應(yīng)多設(shè)焊接段，每層段與段保留150mm之間缺口，待所有焊接段完成后，統(tǒng)一對(duì)稱封口，封口時(shí)用φ4mm焊條并覆蓋每層焊接段5～10mm，封口后停留5～10min，打磨封口接頭并全部清理焊縫表面的夾渣和缺陷；焊接時(shí)焊層厚度不大于焊條直徑+1mm，擺動(dòng)寬度不大于焊條直徑的4倍。返修蓋面層采用φ4.0mm焊條。

g. 焊接預(yù)熱要分段控制，每段設(shè)一個(gè)熱電偶，準(zhǔn)確控制預(yù)熱溫度，以便于控制層間溫度不超過(guò)200℃。焊后將焊縫余高打磨至不高于齊平，打磨時(shí)保持預(yù)熱溫度。

h. 所有返修焊縫一經(jīng)開(kāi)始焊接，中間不得停頓直至焊接完成。(焊接過(guò)程中如確實(shí)需要停頓，需進(jìn)行250±20℃×2h消氫處理)。

i. 內(nèi)側(cè)焊縫返修完成后，采用相同的工藝返修外側(cè)焊縫。

j. 整條焊縫返修焊接后，應(yīng)立即進(jìn)行加溫消氫處理，加溫溫度在250±20℃之間，保溫時(shí)間120min，然后緩冷至150℃，再保溫60min，最后緩冷至常溫(保溫棉在溫度降至常溫后拆除)。

k. 清理焊縫表面的飛濺雜質(zhì)，修磨焊縫余高與母材齊平，注意焊縫兩側(cè)圓滑過(guò)渡，不允許有咬邊存在。

l. 消氫處理48h后，MT和TOFD檢測(cè)焊縫，MT檢測(cè)要求是焊縫內(nèi)外表面。TOFD對(duì)返修焊縫進(jìn)行檢測(cè)，按 NB/T 47013.10-2015標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定,Ⅱ級(jí)合格[7]。

m. 如有缺陷，可局部挖補(bǔ)處理，局部挖補(bǔ)時(shí)采用角向磨光機(jī)和電動(dòng)金屬旋轉(zhuǎn)銼，挖補(bǔ)工藝同上；當(dāng)焊補(bǔ)工作量較小時(shí)，采用φ3.2mm焊條，操作要求同上。

n. 在焊縫完全返修合格后進(jìn)行設(shè)備整體熱處理，依據(jù)整體熱處理方案執(zhí)行。

3 注意事項(xiàng)

3.1壓力容器焊接要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝的要求，依據(jù)焊接工藝規(guī)程來(lái)控制焊接工藝參數(shù)。對(duì)于厚板焊接，要關(guān)注制造廠是否采取了恰當(dāng)?shù)念A(yù)熱工藝且認(rèn)真執(zhí)行，否則有可能因焊縫內(nèi)外溫差過(guò)大，而致收縮應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生裂紋。

3.2在使用碳弧氣刨焊縫清根、坡口加工及缺陷清除等工序時(shí)，要重點(diǎn)關(guān)注氣刨后的修磨工序，應(yīng)確認(rèn)把氣刨碳棒產(chǎn)生的滲碳層修磨干凈，否則有可能使焊縫出現(xiàn)滲碳現(xiàn)象而產(chǎn)生裂紋。

3.3焊接殘余應(yīng)力的分布復(fù)雜，也與周圍環(huán)境拘束有關(guān)，在一條焊縫上先焊與后焊的時(shí)間早晚不同，彼此都要相互影響。因此，對(duì)于容器制造裝配的工序，要嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)文件的要求執(zhí)行，不可隨意顛倒順序。

3.4焊縫的返修要嚴(yán)格執(zhí)行《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中第4.2.1.4條關(guān)于焊縫返修的要求。焊縫返修應(yīng)當(dāng)首先分析缺陷產(chǎn)生的原因，提出相應(yīng)的返修方案，再嚴(yán)謹(jǐn)?shù)貓?zhí)行，切不可在未確認(rèn)缺陷原因之前就盲目返修，致使缺陷越返越多或?qū)е赂鼑?yán)重的缺陷。

[1] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)——焊接方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：340.

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[3] 沈利民，鞏建鳴，余正剛，等. Q345R鋼焊接接頭不同部位補(bǔ)焊殘余應(yīng)力的有限元分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30(9)：57～60

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[6] GB 150，鋼制壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[7] NB/T 47013，承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)[S].北京：新華出版社，2015.