李 信，徐 濤，張 生

（四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，四川成都 610061）

0 引言

某天然氣凈化裝置天然氣脫水單元的脫水塔（規(guī)格：Φ1700 mm×14 673 mm、凈重約 38.361 t、主體材料為 16MnR和16MnR+316L，筒體厚（58/54+3）mm，筒體上封頭厚 40 mm，下封頭厚（38+3）mm）。該設(shè)備設(shè)計壓力9.1 MPa，設(shè)計溫度90/160℃；最高工作壓力8.1 MPa，工藝介質(zhì)為脫硫天然氣+TEG（TriEthylene Glycol，三乙二醇/三甘醇）。裝置在大檢修時，在A5焊縫上發(fā)現(xiàn)多處橫向超標(biāo)埋藏缺陷（埋藏裂紋）。

1 取樣

依據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果，采用冷切割的方式取樣，試樣為全壁厚試樣，焊縫位于其中部（表1，圖1～圖2）。

表1 取樣試樣含埋藏缺陷情況表

2 失效分析

2.1 化學(xué)成分分析

對試樣母材和焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，發(fā)現(xiàn)母材和焊縫處金屬成分符合GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》[1]及GB150—2011《壓力容器》[2]和 GB/T 5117—2012 中 E5015 焊條熔敷金屬化學(xué)成分的要求。

2.2 金相及缺陷形貌分析

圖1 1#缺陷部位

經(jīng)金相分析，1#、2#試樣母材金相組織為鐵素體+珠光體；熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體；焊縫組織為珠光體+先共析鐵素體+貝氏體，3個區(qū)域的組織正常。埋藏缺陷（裂紋）位于焊縫內(nèi)部，垂直于焊道分布。在光學(xué)顯微鏡下觀察，裂紋呈臺階狀、穿晶擴(kuò)展，裂紋內(nèi)無產(chǎn)物存在（圖 3、圖 4）。

圖2 2#缺陷部位

2.3 裂紋斷面微觀分析

采用掃描電鏡對裂紋斷面進(jìn)行微觀形貌分析，1#試樣裂紋面低倍形貌見圖5，裂紋深度約2.5 mm，裂紋面存在起伏。圖5中，A區(qū)為裂紋尖端，D區(qū)為啟裂區(qū)。裂紋啟裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)存在“浮云”狀、“魚眼”型白點(diǎn)，以準(zhǔn)解理特征為主，白點(diǎn)與基體之間存在韌窩帶，白點(diǎn)區(qū)外存在韌窩特征，為熱處理后斷口特征（圖6）。裂紋尖端為韌窩特征（圖7）。

表2 試樣母材化學(xué)成分 %

表3 試樣焊縫化學(xué)成分 %

圖3 1#裂紋形貌（腐蝕后）

圖6 “魚眼”、“浮云”白點(diǎn)區(qū)

3 結(jié)果分析

脫水塔筒體母材、焊縫化學(xué)成分、金相組織均符合相關(guān)要求，說明板材冶金質(zhì)量和熱處理制度合理，對裂紋的產(chǎn)生沒有直接影響。裂紋均位于焊縫內(nèi)部，為埋藏缺陷，從金相分析結(jié)果看，裂紋呈臺階狀，且裂紋內(nèi)無產(chǎn)物存在，符合氫致裂紋特征。裂紋面微觀特征以圓形或橢圓形白點(diǎn)、“魚眼”、“浮云”、韌窩及韌窩帶為主，符合氫致斷口微觀形貌特征[3-4]。

對于該焊縫內(nèi)的埋藏缺陷（裂紋）是否擴(kuò)展取決于溶解于焊縫中的氫含量，結(jié)合脫水塔工藝條件，脫水塔內(nèi)介質(zhì)為TEG+脫硫天然氣，外部介質(zhì)不存在產(chǎn)生氫原子的條件，故該焊縫內(nèi)的氫全部來自于焊接過程。

圖7 “浮云”狀白點(diǎn)及韌窩帶

4 建議

（1）控制氫的來源。焊接過程中氫的來源主要是水（H2O）的受熱分解，H2O在焊接電弧的高溫作用下會分解出游離的H，在熔池中溶解形成溶解H。水的來源主要有：受潮焊條、焊絲，管口處的鐵銹，管口處有霜、雪或潮濕，管口有油污、油漆等有機(jī)物，以及空氣濕度過大等。所以，控制氫來源的主要措施可以歸結(jié)為：①焊材的干燥，其中包括焊材的烘干和烘干后的保存，尤其是吸濕力極強(qiáng)的低氫焊條；②管口的清理，焊接作業(yè)前要嚴(yán)格對管口進(jìn)行清理，保證焊口處及周圍無冰霜雪、油污、鐵銹、水分等；③在雨雪霧天，沒有一定的防護(hù)措施不得進(jìn)行焊接作業(yè)；④改善熱處理工藝，將焊接工藝更換為埋弧自動焊，能有效防止有害氣體的浸入、減緩焊縫冷卻速度，有利于焊縫中氫的逸出。

（2）加強(qiáng)氫向金屬外的擴(kuò)散。存在焊縫金屬中的氫會自發(fā)的向金屬外擴(kuò)散，氫的擴(kuò)散速率隨著溫度的增高而加快，所以增加氫向金屬外的擴(kuò)散就是延長焊縫金屬在較高溫度段的停留時間，當(dāng)焊接電壓電流一定時，焊前預(yù)熱、焊后緩冷可以實(shí)現(xiàn)降低焊接接頭的冷卻速度，延長高溫停留時間。

（3）焊后及時進(jìn)行消氫熱處理，使焊縫中的氫迅速向外部擴(kuò)散。