加氫高壓空冷器管板與管子焊接焊縫開(kāi)裂原因的探討

楊楓

摘 要：加氫高壓空冷器作為整個(gè)裂化裝置體系中的關(guān)鍵設(shè)備，一般具有高溫高壓、臨氫系統(tǒng)的特點(diǎn)，可將其看做特種設(shè)備。結(jié)合國(guó)內(nèi)高壓空冷器運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，大部分空冷器的失效是發(fā)生在管子和管板相連接位置，管和管板連接接頭對(duì)整個(gè)化工裝置的穩(wěn)定性具有決定性影響。本文結(jié)合加氫高壓空冷器管板和20鋼換熱管焊接后的裂紋進(jìn)行分析，得出具體原因、焊接工藝措施等要素，旨在快速提高加強(qiáng)高壓空冷器的設(shè)備質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：加氫高壓空冷器;管板;焊接質(zhì)量

1 前言

近十幾年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)加工進(jìn)口含硫原油數(shù)量逐漸增加，高壓空冷器的腐蝕問(wèn)題日漸突出。為解決這個(gè)影響裝置安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題，從2008年開(kāi)始，高壓空冷器的主體材料由碳鋼逐漸采用合金材料，而且，通過(guò)中國(guó)石化組織的國(guó)產(chǎn)化工程技術(shù)開(kāi)發(fā)，合金材料可全部國(guó)內(nèi)自主生產(chǎn)。截止目前，國(guó)內(nèi)加氫裝置的高壓空冷器主體材料基本采用Incoloy825合金材料，解決了介質(zhì)的腐蝕泄漏問(wèn)題。為進(jìn)一步拓展高壓空冷器的材料選擇范圍，降低設(shè)備投資，解決雙相鋼高壓空冷器制造難度較高的問(wèn)題，必須結(jié)合實(shí)際情況對(duì)空冷器焊接工藝進(jìn)行全面分析和探討，針對(duì)管板和管子焊接開(kāi)裂原因進(jìn)行徹底分析。

2 焊接工藝及故障分析

對(duì)加氫高壓空冷器管板與管子進(jìn)行焊接試驗(yàn)。焊接材料為：16MnR（管板）+20鋼（管子）;焊接方式：手工無(wú)焊絲（條）熔化焊;焊接參數(shù)：電壓200V;電流50A，焊接速度400mm/min;保護(hù)氣體：氬氣7～9L/min;焊前預(yù)熱150～200℃。焊后不久，發(fā)現(xiàn)在該焊接接頭處出現(xiàn)開(kāi)裂。對(duì)出現(xiàn)開(kāi)裂部位進(jìn)行解剖分析，其特征如下：

①裂紋出現(xiàn)在管子與管板的連接焊縫處管子一側(cè)。試樣在試驗(yàn)室經(jīng)過(guò)研磨拋光，并浸蝕，宏觀上可清晰的看出焊縫、焊接熱影響區(qū)以及焊接熔深等試樣的細(xì)節(jié)（照片中發(fā)白的區(qū)域）。裂紋出現(xiàn)在管子一側(cè)發(fā)白的區(qū)域內(nèi)。裂口附近的形狀尺寸比較完整，無(wú)明顯塑性變形痕跡，屬宏觀脆性斷裂;②對(duì)管子與管板材料試樣進(jìn)行金相組織檢測(cè)，其顯微組織均為正常的鐵素體+珠光體組織。在出現(xiàn)裂紋的管子焊接熱影響區(qū)，出現(xiàn)了淬硬的回火馬氏體和下貝氏體組織。對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，焊縫裂口部位的硬度值最高;隨著距離的增加，硬度逐步下降;③通過(guò)對(duì)微觀裂紋分析發(fā)現(xiàn)，裂紋微觀上是塑性穿晶斷裂模式，由斷口兩側(cè)的偶合情況及變形痕跡，可以確定裂紋擴(kuò)展的主受力方向。促使裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力，實(shí)際上是管子所受的徑向力與其所受的軸向力的合成。根據(jù)它們與主受力方向的交角可知，導(dǎo)致焊接管出現(xiàn)裂紋的應(yīng)力中，管子所受的徑向力起主要作用。

3 結(jié)果分析及討論

①經(jīng)分析管子和管板的顯微組織正常，均為鐵素體+珠光體;②開(kāi)裂出現(xiàn)在管子一側(cè)的焊接熱影響區(qū)，宏觀上是脆性斷裂，而微觀上是塑性穿晶斷裂;由于鋼的淬硬傾向越大，越易產(chǎn)生裂紋，通過(guò)對(duì)焊縫及熱影響區(qū)顯微硬度的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)生裂紋的焊縫處硬度最高，且相應(yīng)部位的顯微組織為淬硬的回火馬氏體和下貝氏體，從而導(dǎo)致焊縫處產(chǎn)生焊接冷裂紋;③根據(jù)微觀裂紋分析，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生及擴(kuò)展的主應(yīng)力為管子所受徑向力與軸向力的合成力，其中，導(dǎo)致焊縫處產(chǎn)生裂紋的合成力中，管子所受徑向力起主要作用。此外，在實(shí)際的焊縫檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，管子與管板孔口的配合松動(dòng)，并且沒(méi)有完全貼脹，此種結(jié)構(gòu)經(jīng)無(wú)焊絲熔化焊接以后，極易產(chǎn)生上述應(yīng)力分布狀態(tài);④對(duì)于出現(xiàn)焊接缺陷及微裂紋形成原因，也可能與焊接時(shí)環(huán)境濕度、環(huán)境溫度以及焊接區(qū)域的清潔度有關(guān)。在實(shí)施焊接時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響，如環(huán)境濕度大于90%時(shí)，空氣中含有大量的水分，施焊時(shí)因?yàn)樗之a(chǎn)生氫，大量的氫溶入焊接熔池中，在隨后的冷卻和凝固過(guò)程中，由于溶解度的急劇降低，和冷卻速度過(guò)快，導(dǎo)致氫來(lái)不及逸出而保留在焊縫金屬中，使焊縫中氫處于飽和狀態(tài)，并在焊縫處產(chǎn)生較大的氫壓，誘發(fā)并促使焊接冷裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，最終在外應(yīng)力作用下導(dǎo)致焊縫失效。

4 改進(jìn)措施

加氫高壓空冷器管板與管子連接焊縫的開(kāi)裂是焊接冷裂紋。引起開(kāi)裂的主要原因有兩個(gè)：一是焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)了高硬度顯微組織;二是管子與管板沒(méi)有完全貼脹，配合間隙偏大，在焊接后出現(xiàn)了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，為冷裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展提供了應(yīng)力條件。

具體改進(jìn)措施如下：

①施焊時(shí)確保焊接工藝合理并嚴(yán)格按照焊接工藝進(jìn)行，并加強(qiáng)焊件的清理和焊接保護(hù)，減少環(huán)境因素的影響等;②根據(jù)材料的化學(xué)成分進(jìn)行必要的焊接冷裂紋敏感性估算分析，適當(dāng)調(diào)整所選鋼材的化學(xué)成分，盡量降低材料中增加焊接冷裂紋傾向的元素含量，改善復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的開(kāi)裂;③減小管子與管板的配合間隙及貼脹，以降低焊接區(qū)的應(yīng)力水平，抑制裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展。

5 結(jié)語(yǔ)

本次通過(guò)對(duì)加氫高壓空冷器管板與管子連接焊縫開(kāi)裂原因進(jìn)行分析，找出了焊縫開(kāi)裂的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施。以上的分析，為提高加氫高壓空冷器管板與管子的焊縫質(zhì)量提供了理論依據(jù)，通過(guò)采取控制材料化學(xué)成分、改進(jìn)焊接工藝等措施，提高了空冷器設(shè)備運(yùn)行的可靠性及安全性。

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