陳明健張 偉楊吉梅

（1.合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心；2.安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

焦炭塔鉻鉬鋼過(guò)渡段焊接裂紋分析

陳明健1，2張 偉1，2楊吉梅1，2

（1.合肥通用機(jī)械研究院國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心；2.安徽省壓力容器與管道安全技術(shù)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

針對(duì)某石化公司230萬(wàn)t/年延遲焦化裝置焦炭塔過(guò)渡段與裙座、錐形封頭環(huán)縫焊接裂紋問(wèn)題，分析產(chǎn)生原因，提出防止措施。

焦炭塔；焊接；裂紋

焦炭塔是煉化裝置延遲焦化的重要設(shè)備，塔體長(zhǎng)期處于450～500℃高溫、充焦和除焦的冷熱疲勞作用下運(yùn)行，承受高溫交變載荷作用，塔體受高溫蠕變低周熱疲勞，急冷急熱溫差熱應(yīng)力等因素的影響。國(guó)內(nèi)焦炭塔的主體材料目前均采用鉻鉬鋼，使用壽命12年。由于鉻鉬鋼材質(zhì)本身的脆硬性和回火脆性，可焊性較差，對(duì)焊接環(huán)境、焊接參數(shù)等要求很高，一旦操作不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋，裂紋的返修對(duì)接頭的回火脆性影響很大，可能造成一類(lèi)回火脆性，對(duì)接頭性能造成不可逆的影響。

一、焦炭塔設(shè)計(jì)參數(shù)

設(shè)計(jì)壓力0.35MPa，設(shè)計(jì)溫度505℃，操作介質(zhì)渣油、油氣、焦炭、水、蒸汽，主體材質(zhì)（0Cr13+15CrMoR）/15CrMoR，規(guī)格φ9000×（22+3）（24+3）/30/32/34/36/40mm，總高40480mm，總重278911kg。

二、焦炭塔結(jié)構(gòu)及材料

焦炭塔是一個(gè)直立圓柱殼裙座自支撐塔式壓力容器，頂部是分片拼焊成的球形封頭，中部是圓柱形塔體，下部是錐形封頭，頂部封頭正中開(kāi)有除焦口，側(cè)面有油氣出口，錐形封頭下部筒體側(cè)面開(kāi)進(jìn)料口，正中是排焦口，塔內(nèi)無(wú)構(gòu)件。

經(jīng)過(guò)多年的使用和調(diào)研，目前我國(guó)設(shè)計(jì)院普遍選用耐高溫鉻鉬鋼作為焦塔體主體材料，塔泡沫層（包括泡沫層以下200mm）以上全部為復(fù)合板，選用耐高溫鉻鉬鋼復(fù)合板。

焦炭塔過(guò)渡段的設(shè)計(jì)采用整體鍛件對(duì)接型，過(guò)渡段與裙座、錐形封頭及筒節(jié)均采用對(duì)接接頭，錐形封頭材料為15CrMoR，過(guò)渡段為14Cr1MoⅣ鍛件，過(guò)渡段與錐形封頭對(duì)接處厚度均為40mm。裙座段材質(zhì)為15CrMoR，過(guò)渡段與裙座段焊接處厚度均為24mm。過(guò)渡段整體連接型式如圖1所示。

圖1　過(guò)渡段整體連接型式

三、材料的焊接性

15CrMoR和14Cr1Mo都是珠光體耐熱鋼，供貨狀態(tài)是正火加回火，根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)碳當(dāng)量計(jì)算公式，Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%）,計(jì)算出15CrMoR鋼的碳當(dāng)量0.44%～0.65%，14Cr1Mo鍛的碳當(dāng)量是0.44%～0.77%，實(shí)際冶煉出的鋼材碳當(dāng)量一般在0.56%～0.65%之間。鋼種的脆硬傾向主要取決于自身的化學(xué)成分，其次是結(jié)構(gòu)的厚度、焊接工藝和冷卻條件。

碳當(dāng)量高，鋼的淬硬傾向很大，冷裂傾向大，焊接性差。由于Cr、Mo元素使鋼材具有一定的淬硬性，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋，同時(shí)，Cr、Mo、S、P等元素使鋼材具有一定的回火脆性，所以，焊接這類(lèi)鋼主要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題，一是防止裂紋的產(chǎn)生，二是避免回火脆性。金屬的回火脆性主要與金屬本身的化學(xué)成份及回火參數(shù)選擇有關(guān)，所以，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼材和焊接材料引起脆性的元素（S、P、As、Sb等雜質(zhì)）。有些技術(shù)條件提出單項(xiàng)或者多項(xiàng)元素的含量上限來(lái)防止回火脆性，例如Si+Mo≤1.2，X系數(shù)（10P+5Sb+4Sn+As）×100≤15，（Cu+Sn+As）×100≤15（以上所有元素含量均按質(zhì)量百分比）。

四、焊接工藝要求

過(guò)渡段與錐形封頭之間的環(huán)縫采用X形坡口，先從外側(cè)焊接，背面清根打磨后焊接內(nèi)側(cè)，橫焊，手工電弧焊接，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。背面焊前清根，碳弧氣刨需要預(yù)熱150℃，預(yù)熱范圍為坡口兩邊均不小于150mm。焊接過(guò)程中，由于某種原因必須中斷焊接工作時(shí)，應(yīng)維持焊接坡口及兩側(cè)各不小于150mm范圍處于150～250℃之間，直至焊接工作重新開(kāi)始，否則在暫停工作時(shí)應(yīng)立即進(jìn)行消氫處理。焊后立即消氫處理350～400℃，保溫1.5h。

表1　過(guò)渡段與錐形封頭環(huán)縫焊接工藝參數(shù)

過(guò)渡段與錐形封頭環(huán)縫焊接完，再焊接過(guò)渡段與裙座環(huán)縫，此道環(huán)縫與錐形封頭距離近，操作空間受限，內(nèi)側(cè)只能單面焊雙面成形，采用氬弧焊打底，手工電弧焊焊接其他層。過(guò)渡段材質(zhì)為14Cr1MoⅣ級(jí)鍛件，裙座筒節(jié)材質(zhì)15CrMoR，對(duì)接厚度均為24mm，預(yù)熱和后熱等要求同上，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

五、焊接裂紋情況

過(guò)渡段與錐形封頭對(duì)接環(huán)縫焊后檢查發(fā)現(xiàn)多處焊接裂紋，裂紋零散分布在整條環(huán)縫多處，并不連續(xù)，內(nèi)壁裂紋數(shù)量較多，不做磁粉肉眼明顯可見(jiàn)。貫穿環(huán)縫的縱向裂紋居多，長(zhǎng)度在4～10mm，肉眼可見(jiàn)，形態(tài)見(jiàn)圖2；在熱影響區(qū)，沿焊縫與母材的交界線處有較長(zhǎng)裂紋，長(zhǎng)度在6～10mm，肉眼可見(jiàn)；焊縫中心有橫向裂紋，長(zhǎng)度8～16mm。經(jīng)超聲波檢測(cè)，從內(nèi)壁測(cè)量裂紋深度在15～34mm，均為冷裂紋。

過(guò)渡段與裙座環(huán)縫焊接后進(jìn)行磁粉檢測(cè)過(guò)程中，也發(fā)現(xiàn)幾處表面裂紋，裂紋較細(xì)，長(zhǎng)度5～15mm，縱向橫向均有，也有少量樹(shù)枝狀裂紋。經(jīng)打磨3～8mm深后，再進(jìn)行磁粉檢測(cè)，裂紋已去除。此處裂紋為冷裂紋，形態(tài)細(xì)小是因?yàn)闄z測(cè)發(fā)現(xiàn)及時(shí)，未擴(kuò)展。

表2　過(guò)渡段與裙座焊接工藝參數(shù)

圖2　橫向貫穿裂紋

六、焊接過(guò)程及裂紋分析

錐形封頭與過(guò)渡段焊接的整條環(huán)縫由多名焊工均布同時(shí)施焊，夜間加班快速集中焊接，焊接線能量過(guò)大；焊接工作在夜里露天進(jìn)行，焊接時(shí)室外溫度平均18℃左右，夜間風(fēng)大，室外作業(yè)，防風(fēng)防雨設(shè)施不完善，焊接過(guò)程中下過(guò)雨；焊工夜間施焊，預(yù)熱溫度由溫控箱控制但并非一直有人監(jiān)控；焊工中間休息時(shí)，消氫不足或者未能及時(shí)消氫，導(dǎo)致冷裂紋產(chǎn)生。焊縫外側(cè)比內(nèi)側(cè)裂紋少，是在焊接內(nèi)側(cè)時(shí)，預(yù)熱及焊接熱量釋放了部分焊接應(yīng)力，而內(nèi)側(cè)焊接時(shí)遇到下雨，導(dǎo)致焊接金屬中擴(kuò)散氫含量高，同時(shí)焊后消氫不及時(shí)或時(shí)間不充足，也是造成焊接應(yīng)力集中的原因之一。經(jīng)過(guò)多次的預(yù)熱150～250℃和焊后消氫300～400℃，鉻鉬鋼的回火脆性相析出，增加了焊接接頭的脆硬性，從開(kāi)始焊接到整條焊縫整體消應(yīng)力熱處理時(shí)間間隔10天。焊接和焊后熱處理不當(dāng)，是導(dǎo)致裂紋的重要因素之一。

焦炭塔裂紋主要出現(xiàn)在錐形封頭與過(guò)渡段焊接的環(huán)縫處，其他位置焊接未出現(xiàn)明顯大量裂紋，過(guò)渡段為鍛件且結(jié)構(gòu)特殊，錐形封頭拼焊后局部焊接應(yīng)力較大，圓度和直徑公差較大且較難控制，與鍛件在組對(duì)時(shí)結(jié)構(gòu)自身拘束應(yīng)力較大。焊后消應(yīng)力熱處理時(shí)間距開(kāi)始焊接間隔較長(zhǎng)，拘束應(yīng)力一直未得到完全釋放。

合理的預(yù)熱可以有效地防止冷裂紋，如果預(yù)熱溫度過(guò)高，一方面惡化了勞動(dòng)條件，另一方面在局部預(yù)熱的條件下，由于產(chǎn)生附加應(yīng)力，反而會(huì)加劇產(chǎn)生冷裂。因此，不是預(yù)熱溫度越高越好。試驗(yàn)證明預(yù)熱不足及未做后熱的情況下，焊縫和熱影響區(qū)的表面硬度值會(huì)大大增加，沖擊韌性會(huì)大大降低。焊接過(guò)程的預(yù)熱和后熱不足會(huì)使焊縫表面脆硬性提高，更易產(chǎn)生裂紋。

裂紋的產(chǎn)生是多種因素造成的，冷裂紋產(chǎn)生的3個(gè)要素是鋼材內(nèi)的淬硬傾向、焊接接頭內(nèi)擴(kuò)散氫含量分布和焊接接頭拘束應(yīng)力的狀態(tài)。這3個(gè)要素集中到一定程度就形成了冷裂紋。

七、防止冷裂紋措施

（1）嚴(yán)格控制組對(duì)錯(cuò)邊量，過(guò)渡段坡口均為機(jī)加工，圓度誤差小，錐形封頭拼焊圓度和直徑難以控制，誤差較大。錐形封頭組對(duì)拼焊過(guò)程中，縱向拼縫較多，控制拼縫組對(duì)間隙，計(jì)算焊后收縮量。錐形封頭與過(guò)渡段局部錯(cuò)邊大，則組對(duì)、焊接應(yīng)力大。

（2）焊前做好清理和預(yù)熱工作，控制層溫，在中間因故停焊時(shí)，及時(shí)消氫后熱。焊前烘烤，徹底清理坡口和焊絲表面的油、水、銹、污等，減少擴(kuò)散氫含量。焊前預(yù)熱、焊后緩冷，及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。采取降低焊接應(yīng)力的工藝措施（圖3）。

（3）選用適當(dāng)?shù)暮盖邦A(yù)熱溫度和預(yù)熱范圍。預(yù)熱溫度應(yīng)通過(guò)工藝評(píng)定來(lái)確定，預(yù)熱范圍一般為坡口兩側(cè)3倍板厚度且不小于100mm。采用拘束應(yīng)力小的窄坡口逐層縮小坡口的焊接工藝，避免熱量過(guò)分集中,避免工藝缺陷的產(chǎn)生。

（4）采用合理的焊接順序，使結(jié)構(gòu)整體同時(shí)對(duì)稱(chēng)地收縮或膨脹，減小焊接殘余應(yīng)力，焊接應(yīng)遵循先縱縫后環(huán)縫、先大坡口后小坡口的原則，避免工藝缺陷的產(chǎn)生。咬邊、未焊透、長(zhǎng)條狀?yuàn)A渣等工藝缺陷部位是應(yīng)力集中區(qū)，這些部位容易產(chǎn)生冷裂紋。避免強(qiáng)行裝配以及焊后錘擊等。

圖3　未預(yù)熱氣刨裂紋擴(kuò)展

（5）定位焊采用焊條電弧焊在塔外側(cè)進(jìn)行，選取用R307焊條，定位焊所采用的焊接工藝應(yīng)與正式焊接時(shí)一致，定位焊縫如發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷時(shí)必須及時(shí)清除，重新進(jìn)行定位焊。焊接時(shí)每道焊縫盡可能一次焊接完畢。焊接過(guò)程中斷時(shí)，應(yīng)使焊縫坡口及兩側(cè)各200mm寬度內(nèi)保持在預(yù)熱溫度范圍內(nèi)，如無(wú)法保持，則應(yīng)消氫處理后保溫緩冷，重新焊接時(shí)預(yù)熱到工藝要求預(yù)熱溫度后再焊接。

（6）由于鉻鉬鋼材的冷熱敏感性，缺陷返修需要謹(jǐn)慎執(zhí)行返修工藝，在去除裂紋時(shí)，先預(yù)熱到150～250℃，在裂紋尖端打止裂孔，氣刨去除缺陷時(shí)隨時(shí)觀察缺陷的發(fā)展和消失情況。

八、結(jié)語(yǔ)

鉻鉬鋼材質(zhì)由于本身的脆硬性和回火脆性，可焊性較差，對(duì)焊接環(huán)境、焊接參數(shù)等要求很高，在焊接過(guò)程中，根據(jù)冷裂紋產(chǎn)生的因素，應(yīng)采取必要措施，控制焊接工藝參數(shù)，及時(shí)焊后消應(yīng)力熱處理?？刂颇覆募昂覆牡拇嘈韵嗪突鼗鸫嘈韵?。優(yōu)化結(jié)構(gòu)減小拘束應(yīng)力，或者采取有效措施控制應(yīng)力集中，焊接的冷裂紋是可避免、可控制的。

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