周武強 呂毓蛟

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

甲醇轉(zhuǎn)化爐下集氣管異徑管接頭裂縫及其修補工藝

周武強 呂毓蛟

中化二建集團有限公司 山西太原 030021

闡述了轉(zhuǎn)化爐下集氣箱異徑管接頭裂縫事故的調(diào)研、檢測、修補等情況，依據(jù)現(xiàn)場狀況、裂縫狀態(tài)及金相分析，結(jié)合高鉻鎳不銹鋼焊接裂縫生成的理論，對異徑管焊接頭產(chǎn)生裂縫原因進(jìn)行了全面的分析，從而提出了行之有效的異徑管接頭裂縫修補方案。對同類產(chǎn)品的施焊、修補有實際應(yīng)用的指導(dǎo)意義，對轉(zhuǎn)化爐下集氣箱系統(tǒng)管路的熱膨脹及異徑管接頭設(shè)計有一定的參考價值。

轉(zhuǎn)化爐 下集氣箱 異徑管接頭 裂紋 修補工藝

內(nèi)蒙古某甲醇裝置轉(zhuǎn)化爐下集氣箱與“豬尾巴”管之間的異徑管接頭，在投運半年后出現(xiàn)第一條裂縫，管內(nèi)轉(zhuǎn)化氣外泄燃燒，當(dāng)時曾對其作過焊補緊急搶修，后來繼續(xù)運行中又陸續(xù)出現(xiàn)了多處裂縫，于2006年8月被迫停產(chǎn)檢修。

對轉(zhuǎn)化爐下集箱異徑管接頭裂縫的調(diào)查、檢測、分析，以及修補方案的討論與實施的全過程加以整理、闡述，以供轉(zhuǎn)化爐制造、安裝、檢修、現(xiàn)場焊接、化工生產(chǎn)及設(shè)計有關(guān)技術(shù)人員參考。

1 轉(zhuǎn)化爐工況及結(jié)構(gòu)簡介

轉(zhuǎn)化爐是甲醇生產(chǎn)裝置中的核心設(shè)備，爐內(nèi)裝有288根豎向轉(zhuǎn)化爐管，爐管材質(zhì)為40K高鉻鎳鑄管，管內(nèi)滿裝甲醇?xì)廪D(zhuǎn)化觸媒。爐管上端伸出爐頂用彈簧吊架固定在鋼結(jié)構(gòu)橫梁上（見圖1），彈簧吊架起到承擔(dān)爐管全部重量和消除部分熱膨脹位移的作用；爐管下端伸出爐底，用“豬尾巴”管通過異徑管接頭與下集氣箱（Dg200的高鉻鎳管）相連；爐管伸出爐頂和爐底的部位，裝有與爐體密封固定的套管，爐管與套管之間用耐高溫纖維填料密封，當(dāng)爐受熱膨脹伸長時能上下移動。轉(zhuǎn)化爐工作時天然氣從下集氣箱（管）經(jīng)過“豬尾巴”管進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐管，再由上部“豬尾巴”管匯集到上集氣管引出。

轉(zhuǎn)化爐內(nèi)是燃燒的天然氣火焰，爐膛溫度高達(dá)1360℃；爐管內(nèi)介質(zhì)為易燃易爆的天然氣和轉(zhuǎn)化氣，工作壓力4.5MP,下部工作溫度750～800℃，管內(nèi)轉(zhuǎn)化氣出口溫度達(dá)960℃，轉(zhuǎn)化管在運行中受熱膨脹伸長，上下“豬尾巴”管的功能除了起聯(lián)通作用外，將其彎曲成盤蛇形就是為了消除和減少轉(zhuǎn)化管與上下集氣管之間的熱膨脹應(yīng)力和變形。

下集氣箱（管）橫臥在管座上，兩側(cè)通過異徑管接頭與十余根“豬尾巴”管相連（見圖2、3、4）。異徑管接頭與下集氣管的焊縫在制造廠焊接，與“豬尾巴”管的對接焊縫在現(xiàn)場采用手工氬氣保護(hù)焊進(jìn)行焊接。異徑管接頭為鍛制機加件，材質(zhì)為Cr20Ni32Nb,與“豬尾巴”管相似，外徑Φ60/38mm，內(nèi)徑Φ28mm，豬尾巴管規(guī)格為Φ38×5mm，材質(zhì)均為Incoloy800H（Cr20Ni32）高鉻鎳低碳奧氏體不銹鋼。原設(shè)計要求管材與管接頭均由國外進(jìn)口，實際異徑管接頭系國內(nèi)上海某大學(xué)實習(xí)工廠自產(chǎn)。造成轉(zhuǎn)化爐泄漏的裂縫全部出現(xiàn)在離焊縫3～8mm的異徑管接頭上。

根據(jù)現(xiàn)場勘查、裂縫位置、覆膜金相、焊工詢查及原始施焊記錄等進(jìn)行綜合分析，評估可能產(chǎn)生裂縫的原因，且根據(jù)高鉻鎳奧氏體不銹鋼的焊接特性提出現(xiàn)場焊接修補工藝，并對“豬尾巴”管的熱膨脹設(shè)計和異徑管接頭的供貨狀態(tài)提出質(zhì)疑，提請有關(guān)方考慮。

2 現(xiàn)場勘查、檢測實錄

2.1 下集氣箱（管）的冷態(tài)位移

在停產(chǎn)檢修的現(xiàn)場可以看到，幾乎所有的下集氣管發(fā)生了不同程度的位移，普遍向上方抬起100mm左右（見圖3）。說明運行中“豬尾巴”管的膨脹量已超過了設(shè)計預(yù)定值，在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生了塑性變形，冷卻后管系統(tǒng)收縮將下集氣管抬起。造成該現(xiàn)象的原因可能是“豬尾巴”管的彈性變形量小于實際熱膨脹量，或運行曾出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。

2.2 裂縫的所在位置、形態(tài)及數(shù)量

在現(xiàn)場對所有下集氣異徑管接頭進(jìn)行了100%的表面滲透（PT）檢測，共發(fā)現(xiàn)95個異徑管接頭存在裂縫或裂紋跡象（包括以前發(fā)現(xiàn)及已處理的裂縫），占全部管接頭總數(shù)的三分之一。裂縫位置全部在管接頭變徑機加處上方“10-12-2點”（時鐘坐標(biāo)）的部位，離異徑管接頭環(huán)縫熔合線約3～8mm處（見圖4），接近異徑管接頭外部變徑坡口機加拐點，屬焊接接頭的熱影響區(qū)。裂縫呈環(huán)向分布，與熔合線平行，長度和深度不一。在進(jìn)行表面滲透檢測時，凡顯現(xiàn)紅色的部位，用手提角形砂輪磨光機打磨，接著再做滲透檢測，直至裂紋跡象完全消失為止。較嚴(yán)重的裂縫大多集中在轉(zhuǎn)化爐中部爐底的異徑管接頭上。

焊縫的“豬尾巴”管側(cè)熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)任何裂縫或裂紋跡象。

2.3 異徑管焊接接頭裂縫區(qū)的金相分析

為了進(jìn)一步了解焊接接頭的微觀情況，對異徑管接頭裂縫區(qū)做了覆膜金相分析，據(jù)內(nèi)蒙古鍋檢所提供的覆膜金相報告（見圖 5、6、7、8），可以看到：

近縫的高溫?zé)嵊绊憛^(qū)出現(xiàn)2～3級的粗大晶粒，顯微組織均為奧氏體；

顯微裂紋群布發(fā)生在晶間，多出現(xiàn)在離熔合線較遠(yuǎn)的“低溫”熱影響區(qū)。

2.4 轉(zhuǎn)化爐竣工文件及焊接、檢測記錄

專家組查閱了轉(zhuǎn)化爐有關(guān)竣工文件和施工期間的焊接記錄。施工單位在施焊前，按照GB5236《現(xiàn)場設(shè)備工業(yè)管道焊接工程施工及驗收規(guī)范》進(jìn)行了焊接工藝評定，并依據(jù)設(shè)計要求和合格的焊接工藝評定報告編制了轉(zhuǎn)化爐豬尾巴管的焊接工藝操作規(guī)程。其中：

（1）焊接方法：氬電聯(lián)焊，手工氬弧焊打底，電弧焊蓋面。

（2）焊接規(guī)范：氬弧焊電極直徑Φ2mm，電流85～120A，焊絲直徑Φ2.5mm；手工電弧焊焊條直徑Φ2.5mm，焊接電流85～120A。（設(shè)備制造廠提供的焊接工藝評定，焊接電流為85～160A。）

（3）環(huán)境條件：環(huán)境溫度高于10℃，相對濕度小于90%，風(fēng)速小于2m/s；焊后自然空氣冷卻；要求層間溫度≤100℃。

焊接工藝實施記錄只能看到每道焊口對應(yīng)的施焊焊工、施焊日期、使用的焊接材料和焊接方法，對實際施焊的焊接層次、焊接電流、焊接電壓、焊接速度及焊縫層間溫度沒有記錄和監(jiān)督檢查考證；據(jù)對焊工訪談回憶，當(dāng)時的實際焊接電流很可能超過120A，對焊縫層間溫度沒有注意控制，每道焊縫的焊接方向，都是由下向上兜焊，收弧在上部。

焊縫成品進(jìn)行100%表面滲透檢測、100%γ射線探傷檢測（因受豬尾巴管阻擋，X線機頭安置不便，故采用γ射線探傷檢測），均未發(fā)現(xiàn)裂縫跡象。

3 裂紋成因分析

內(nèi)蒙古鍋檢所對轉(zhuǎn)化爐下集氣箱異徑管接頭裂縫性質(zhì)進(jìn)行了評定——他們綜合了管接頭裂縫的金相分析、斷口分析、裂縫位置及狀態(tài)，以及轉(zhuǎn)化爐豬尾巴管和異徑管接頭在運行中的受力情況，認(rèn)為該裂縫屬“疲勞破裂”。

疲勞破裂的裂縫是由眾多的顯微裂縫在長時間的交變應(yīng)力反復(fù)作用下逐步形成的，那么異徑管接頭的顯微裂縫又是如何產(chǎn)生和發(fā)展的，分析如下。

3.1 對異徑管接頭材質(zhì)的質(zhì)疑

據(jù)檢測，所有裂縫都出現(xiàn)在焊接接頭的異徑管接頭一側(cè)，因而該批異徑管接頭的供貨質(zhì)量值得質(zhì)疑。從材質(zhì)分析看，異徑管接頭與豬尾巴管的主要化學(xué)成分基本相同，都屬于高鉻鎳Incoloy800H鋼（化學(xué)成分見表1，異徑管接頭的化學(xué)成分除表中所列外，尚含有0.014%的磷），金相組織為奧氏體，但某些微量元素和雜質(zhì)，以及產(chǎn)品熱處理狀態(tài)不一定相同。從出現(xiàn)裂縫的傾向看，從同樣的焊接熱循環(huán)條件下，所有裂縫全部出現(xiàn)在焊接接頭的異徑管一側(cè)，所以說，異徑管接頭對產(chǎn)生裂縫的敏感性較豬尾巴管大得多。

焊接金屬學(xué)的研究成果表明，高鉻鎳奧氏體不銹鋼的焊接熱影響區(qū)有可能產(chǎn)生兩種熱裂縫：一種是發(fā)生在靠近焊縫高溫區(qū)的液化裂縫，又稱熱撕裂，是由于低熔點的共晶化合物在晶界發(fā)生局部熔化形成液態(tài)薄膜，受焊接應(yīng)力的作用而產(chǎn)生的晶間熱裂縫；另一種是高溫低延性裂縫，又稱失塑裂縫，它不是由于低熔點雜質(zhì)偏析引起的，而是金屬在高溫下延性喪失導(dǎo)致的高溫裂縫，其形成溫度大約在1200～850℃之間，斷口也呈現(xiàn)晶間斷裂的特征。以上兩種裂縫均可能成為發(fā)生在異徑管接頭的初始顯微裂縫。

3.2 焊接規(guī)范熱輸入量的影響

從表面滲透檢測所反映的表象所見，幾乎所有裂縫都在焊接接頭的熱影響區(qū)范圍內(nèi)，說明顯微裂縫的生成與焊接熱循環(huán)有關(guān)。在焊接過程中，熱影響區(qū)受焊接熱循環(huán)的影響是必然的，然而產(chǎn)生熱裂縫必需有一個高溫孕育期。金屬處于高溫時間越長，產(chǎn)生熱裂縫的可能性越大，而焊接接頭高溫時間持續(xù)的長短，焊接的熱輸入量起到?jīng)Q定性的作用。影響熱輸入量的主要因素是焊接電流、焊接速度、環(huán)境溫度等焊接規(guī)范，因而為防止奧氏體不銹鋼焊接時過熱，應(yīng)該從控制焊接熱輸入量入手。為防止焊接熱裂縫產(chǎn)生，要求Incoloy800系列鋼的理想焊接熱線能量（Q）控制在11k J/cm以下。

式中：U——電弧電壓（V），手工電弧焊一般為10～12V；

I——焊接電流（A），焊接工藝評定要求為85～120A；

V——焊接速度（cm/m in），手工焊通常為10～15cm/m in。

據(jù)上公式計算，線能量Q最大值為8.64k J/cm，小于11k J/cm，符合理想要求。然而影響焊接接頭在高溫停留的時間長短，除了焊接熱輸入量外，還與工件類型及大小、焊接順序、層間溫度、環(huán)境溫度以及工件的傳熱情況等因素有關(guān)。對于小規(guī)格的管接頭來說，焊接熱影響區(qū)的溫度上升很快，熱量不易散失，特別是水平管環(huán)縫焊接接頭，由管兩側(cè)下方向上兜焊，管口上部熱量集中，因而焊接接頭上部的高溫停留時間較長，為孕育熱裂縫創(chuàng)造了條件。要使小工件的高溫停留時間不至于過長，就須采取控制層間溫度、改變焊接順序，或改變冷卻方式等方法。

此外，從走訪曾參加該轉(zhuǎn)化爐管焊接的原焊工得知：管口上部平坡位置施焊時往往焊速較慢，會增加焊接熱輸入量；施焊中對焊接電流沒有嚴(yán)格控制，有時為了搶進(jìn)度，“操作順手”，電流可能超過120A。

因而，在實際焊接操作中，過大的焊接熱輸入量及不當(dāng)?shù)暮附硬僮黜樞蚓苎娱L焊接接頭在高溫的停留時間，以致增加熱影響區(qū)產(chǎn)生熱裂縫的傾向。

表1 Incoloy800H鋼化學(xué)成分一覽表 （%）

3.3 焊接接頭的工況促進(jìn)顯微裂縫的擴展

轉(zhuǎn)化爐運行中爐管受熱向上下兩個方向膨脹。向上膨脹量由爐頂彈簧吊架和上部豬尾巴管吸收，向下膨脹時受下集箱（管）支座的制約，膨脹量只能靠爐下豬尾巴（蛇形）管的彈性變形來吸收。由于受爐管自重和轉(zhuǎn)化觸媒重量作用，爐管向下的變形量大于向上變形量。如(圖3)所示，當(dāng)轉(zhuǎn)化爐停車?yán)鋮s后，下集氣箱（管）因兩側(cè)連接的豬尾巴管冷卻收縮而被抬起，說明轉(zhuǎn)化爐在運行中產(chǎn)生的熱膨脹量已超過了預(yù)定設(shè)計值，豬尾巴管在高溫狀態(tài)下已喪失彈性，同時增大了異徑管接頭因熱膨脹引起的彎曲壓力。

異徑管焊接接頭在工作狀態(tài)受到兩方面的外力作用，一個是管內(nèi)介質(zhì)的工作壓力（4.5MP），使管接頭整體處于均勻的拉應(yīng)力狀態(tài)；另一個是熱膨脹引起的彎矩（見圖9），即豬尾巴管受熱向下膨脹位移，管接頭位于剛性較大的下集氣管根部，受到一個向下的彎矩，導(dǎo)致管接頭上部產(chǎn)生拉應(yīng)力，下部則產(chǎn)生對應(yīng)的壓應(yīng)力。兩個應(yīng)力疊加后，管接頭的上方形成高拉應(yīng)力區(qū)，在長時間循環(huán)應(yīng)力反復(fù)作用下，促使顯微裂縫擴展，最終造成疲勞破裂，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化爐下集氣箱原料氣泄漏。

3.4 異徑接頭坡口對蠕變斷裂強度的影響

據(jù)對不銹鋼焊接接頭高溫蠕變強度的研究，焊后未經(jīng)固溶處理的含鎳奧氏體不銹鋼焊縫熱影響區(qū)高溫強度較低，在高溫交變應(yīng)力作用下容易發(fā)生開裂；從產(chǎn)生裂縫的部位均接近異徑管接頭30°機加坡口處來看，該處正是易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，因而該異徑管接頭的外徑變斷面坡口有助于裂縫的擴展。

綜上所述，異徑管接頭上出現(xiàn)的裂縫位置及下集氣管冷卻后留下的殘余變形情況，結(jié)合焊接金屬學(xué)理論和焊接接頭斷裂力學(xué)的研究成果，可以解釋異徑管接頭焊接熱影響區(qū)顯微裂縫的擴展和高溫蠕變疲勞斷裂的發(fā)展過程。

4 接頭裂縫修補焊接工藝

在新的異徑管接頭供貨前，對現(xiàn)用的異徑管焊接接頭進(jìn)行全面的檢測和修補。

4.1 對異徑管焊接接頭進(jìn)行全面檢測

拆除下集箱及兩側(cè)豬尾巴管保溫層，將異徑管接頭焊接接頭全部暴露出來，并清理干凈。先用放大鏡100%外觀檢查，進(jìn)行100%表面滲透檢驗。對發(fā)現(xiàn)裂縫的焊接接頭做出標(biāo)識和記錄。據(jù)統(tǒng)計，共發(fā)現(xiàn)裂縫跡象95處，其中77道淺表裂縫，18道深層或貫穿性裂縫。

4.2 去除裂紋缺陷

采用手提角向砂輪磨光機打磨裂紋缺陷，并對打磨槽表面進(jìn)行100%滲透檢測，如仍有裂紋跡象，繼續(xù)進(jìn)行打磨和滲透檢測，直至裂紋已完全消除為止。

在用砂輪打磨裂縫的同時，將兩側(cè)磨成30°坡口，以備補焊。

4.3 焊接修補方法

對深層或貫穿性裂縫須把異徑管接頭磨穿，采用手工氬弧焊打底，然后進(jìn)行手工電弧焊填充、蓋面；對沒有打磨穿透的部位，可以直接采用手工電弧焊填充蓋面。

為減少和避免異徑管接頭外部變徑應(yīng)力集中現(xiàn)象，以及改善接頭的高溫蠕變性能，對所有異徑管（包括經(jīng)焊補或未經(jīng)焊補）進(jìn)行一至二層多道手工電弧堆焊，使修補焊縫與異徑管接頭平緩過渡。堆焊范圍從原焊縫邊緣、修補焊縫到異徑管外部變徑坡口處（見圖10）。

4.4 焊接用材料

使用原施工焊接所用相同的焊接材料。焊絲牌號為ERNiCr-3(Φ2.4mm),純度為99.99%的氬氣。焊條牌號WEL 305X-3（Φ2.5mm）。

4.5 焊工

參加修補的焊工均為參加原轉(zhuǎn)化爐管施焊的焊工，持有有效的氬電聯(lián)焊合格證，其中焊接方法、焊接材質(zhì)、工件類型和規(guī)格等合格項目均滿足轉(zhuǎn)化爐管的焊接要求。

4.6 焊接工藝技術(shù)要求

（1）所有裂紋缺陷清除后，把打磨穿透的坡口用不含鋅的膠布臨時粘住密封(焊補該焊道時將其揭開)，將上下集箱與外管隔離，向爐管、豬尾巴管及上下集箱系統(tǒng)內(nèi)部充滿氬氣，已備氬弧焊底層焊補。

（2）焊補時采用窄道、快速、小規(guī)范焊接，盡量減少焊接接頭的熱量輸入。

（3）氬弧焊電極直徑Φ2mm，電流85～110A，焊速10～15cm/m in。

（4）手工電弧焊焊條直徑Φ2.5mm，電流90～120A，焊速10～15cm/m in。

（5）堆焊層采用手工電弧焊，焊接規(guī)范同上，分兩層多道焊接，每道分3～4段焊接，先焊上部后焊下部，焊道接頭應(yīng)予錯開，最終收尾焊道盡量避免在上方部位。

（6）焊后冷卻方式為空氣自然冷卻，所有焊縫層間溫度應(yīng)小于100℃。

（7）焊接環(huán)境要求：環(huán)境溫度大于10℃，風(fēng)速小于2 m/s，相對濕度小于90%。

5 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)化爐下集箱（管）異徑管接頭出現(xiàn)裂縫屬疲勞斷裂，而發(fā)生疲勞斷裂前，該異徑管接頭的焊接熱影響區(qū)已存在原始顯微裂縫缺陷。

（2）產(chǎn)生初始顯微裂縫的主要原因是管接頭本身的質(zhì)量對熱裂縫較敏感，異徑管接頭工件較小，過大的焊接熱量輸入及不當(dāng)?shù)暮附禹樞?，給孕育熱裂縫提供了生成條件。

（3）轉(zhuǎn)化爐的運行工況是促成顯微裂縫擴展的主因，尤其是爐管的熱膨脹使異徑管接頭上部處于高拉應(yīng)力狀態(tài)，在長期運行中導(dǎo)致疲勞斷裂的發(fā)生。

（4）異徑管接頭外部變徑的機加坡口轉(zhuǎn)角處，靠近焊接熱影響區(qū)，在豬尾巴管熱變形時會形成應(yīng)力集中，加劇裂縫的擴展。

（5）現(xiàn)場采取的修補工藝是正確而有效的，按以上補焊工藝進(jìn)行修補的異徑管接頭，經(jīng)多年運行正常，未出現(xiàn)新的裂縫。

（6）對轉(zhuǎn)化爐下集氣管系統(tǒng)熱膨脹超出設(shè)計預(yù)定量的現(xiàn)象，提請設(shè)計單位核查考慮。

1 內(nèi)蒙古xx公司甲醇轉(zhuǎn)化爐竣工圖和竣工技術(shù)文件

2 內(nèi)蒙古鍋檢所《現(xiàn)場檢驗焊接接頭報告》《焊接手冊》中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編 1992年8月

3 李平謹(jǐn) 《從現(xiàn)場工程焊接實例分析壓力容器制造焊接質(zhì)量控制的若干問題》 合肥通用機械研究所

4 上海交通大學(xué) 《焊接金屬學(xué)》金屬斷裂和斷口分析 1978

5 天津大學(xué) 《金屬熔焊原理和工藝》焊接熱熱影響區(qū) 1978

6 渡邊正紀(jì) 向井喜彥《不銹鋼的焊接》不銹鋼的使用可焊性 1975

TE963

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1672-9323（2012）03-0079-05

2012-08-27）