潘俊 李鵬

河南能源化工集團(tuán)永城園區(qū)（河南永城 476600）

化工裝置中壓力容器及壓力管道所占比例巨大，其最多的連接方式是焊接，因此焊接在化工裝置中的地位及作用不言而喻，其施工及檢維修管理直接關(guān)系到裝置的安全穩(wěn)定，尤其是部分異種鋼焊縫，更是容易成為事故發(fā)生的突破口，稍有不慎就會造成安全生產(chǎn)事故。本研究通過一個實(shí)際案例來論述異種鋼焊接在施工及檢修時的注意事項(xiàng)。

1 事件經(jīng)過

2018年10月23日凌晨2時05分，某化工園區(qū)醋酸廠凈化崗位巡檢工在酸脫2號框架一層位置發(fā)現(xiàn)便攜式可燃?xì)怏w檢測儀出現(xiàn)報警 （CO體積分?jǐn)?shù)為 30×10-5），經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)是框架頂部（4層）的原料氣冷卻器E04203殼程入口配對法蘭焊縫處泄漏，缺陷為4 cm長近管側(cè)焊縫裂紋，泄漏介質(zhì)為煤氣，壓力為3.45 MPa、溫度為15℃。為避免漏點(diǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大釀成事故，經(jīng)園區(qū)負(fù)責(zé)人同意，果斷對醋酸裝置進(jìn)行了停車處理。

2 h后，裝置全部停運(yùn)，檢查時發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)焊縫已開裂至30 cm，如果停車處理再晚一步，可能造成整個焊縫炸裂，引發(fā)一次爆炸著火的重大安全事故。

2 事發(fā)裝置概況

該裝置于2016年10月正式投產(chǎn)，設(shè)計年產(chǎn)40萬t醋酸、20萬t乙二醇，園區(qū)配套有鍋爐、空分、水處理等公用裝置，原料氣采用中國五環(huán)工程有限公司自主研發(fā)設(shè)計的2臺爐供氣，經(jīng)變換、低溫甲醇洗、深冷分離、變壓吸附（PSA）等裝置凈化后，分別去往醋酸和乙二醇裝置。事發(fā)設(shè)備E04203位于醋酸廠低溫甲醇洗工段。原料氣與來自冷卻器E04207后的二次壓縮循環(huán)氣一起在原料氣冷卻器E04203中進(jìn)一步冷卻。這些氣流包括冷的合成氣（來自深冷分離單元的前端凈化）、CO2產(chǎn)品氣 （來自CO2洗滌塔C04203）以及再循環(huán)氣 （來自中壓閃蒸塔C04202）。離開E04203的原料氣在原料氣終冷器E04225中由-40℃的氨制冷劑進(jìn)行最后一次冷卻并送往甲醇洗滌塔C04201。

3 初次分析檢驗(yàn)過程

該處焊縫的母材為異種材質(zhì)，E04203設(shè)備殼程進(jìn)口法蘭材質(zhì)為304SS，管道材質(zhì)為SA106-B，屬于典型的異種鋼焊接。經(jīng)查驗(yàn)，裂紋沿著管道側(cè)的焊縫焊趾處周向開裂，且整個裂紋與焊縫熔合線重合，因此初步判斷是焊縫熔合不好導(dǎo)致開裂，而最有可能導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因有兩點(diǎn)：一是焊接工藝不良，二是焊材使用錯誤。因此擬從以下幾個方面進(jìn)行檢查、對比和判斷。

（1）對法蘭、焊縫及管道進(jìn)行光譜分析，確認(rèn)是否存在焊材錯用現(xiàn)象；

（2）檢查整道焊縫外觀成型，并排查原始施工資料，確認(rèn)該道焊縫施焊人員資質(zhì)及其他施焊焊縫有無出現(xiàn)類似問題；

（3）用砂輪機(jī)從焊縫中心將整條焊縫徑向切割開，使法蘭、管道兩側(cè)均保留原始焊肉，以便于進(jìn)一步分析，并觀察根部打底焊縫和裂紋處的情況；

（4）對于切割開的焊縫，對其打底層、填充層和蓋面層分別進(jìn)行光譜分析。

4 初步檢測結(jié)果

經(jīng)原始施工資料排查，該道焊縫的施焊焊工具備相應(yīng)施工范圍的焊接特種設(shè)備作業(yè)人員證，且在整個原始安裝階段其所施工的焊縫抽查比例中未發(fā)現(xiàn)不合格現(xiàn)象；經(jīng)觀察，整道焊縫外觀成型良好。因此，初步排除施焊人員焊接工藝選擇不當(dāng)?shù)脑颉?/p>

焊縫頂部東側(cè)30°位置至水平90°位置靠管道側(cè)（材質(zhì)為SA106-B）的焊趾處明顯開裂，且切割開后能輕易地沿著焊縫熔合線將焊肉撬開，具體見圖1～圖 3。

光譜分析結(jié)果顯示，法蘭材質(zhì)為304SS，管道材質(zhì)為SA106-B，與設(shè)計一致。焊縫材質(zhì)卻存在多種分析結(jié)果，其中蓋面層焊縫為Cr22Ni12，中間填充層焊肉為Cr17Ni8，根部焊縫為Cr16Ni7。

5 二次實(shí)驗(yàn)分析檢驗(yàn)過程及結(jié)論

根據(jù)初次光譜分析結(jié)果，結(jié)合焊接理論，初步判斷開裂原因?yàn)楹覆倪x擇錯誤。為判定其焊材使用是否存在問題，園區(qū)安排了一次實(shí)驗(yàn)，分別采用正常焊接工藝和錯誤的焊接工藝各焊接了一個試件，并對焊縫進(jìn)行切割，分析其合金成分，用以與問題焊縫進(jìn)行比較。根據(jù)304SS與SA106-B的異種鋼焊接工藝，正確的焊材選擇應(yīng)為ER309氬弧焊絲打底及E309電焊條填充及蓋面[1]，標(biāo)記為“實(shí)驗(yàn)1焊縫”；而錯誤的焊接工藝選擇了ER308氬弧焊絲打底及E308電焊條蓋面，標(biāo)記為“實(shí)驗(yàn)2焊縫”。其檢測結(jié)果及最終對比情況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)焊縫與問題焊縫合金元素含量分析對比

根據(jù)表1可以看出，問題焊縫打底層及填充層Cr，Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于正常焊接工藝的數(shù)值，與采用了E308焊材的焊縫接近，蓋面層焊縫的Cr，Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)與E309焊材的焊縫接近，故而推斷該問題焊縫是由焊接過程中焊材誤用所致——焊接采用了E308焊材進(jìn)行打底及填充，該焊材是304SS奧氏體不銹鋼，不能用于奧氏體不銹鋼與碳鋼的異種鋼焊接。

圖1 管道側(cè)焊趾處的裂紋

從金相角度分析：SA106-B由鐵素體和少量滲碳體構(gòu)成，其中鐵素體為體心立方組織，滲碳體為密排六方組織；304SS為奧氏體不銹鋼，其組織為面心立方的奧氏體組織。2種材料的晶格類型不同，但都屬于鐵基材料，能很好地互溶，其焊接過程最大的問題是合金元素的稀釋問題。其焊縫金屬的組成主要取決于2個因素：母材與填充金屬各自的化學(xué)成分和它們各自在焊縫中所占的比例，即母材的稀釋率。SA106-B中含有很少的合金元素，它對焊縫的稀釋作用使得焊縫中奧氏體元素含量大大降低，焊縫中可能出現(xiàn)馬氏體組織；且在焊接時焊縫熔池邊緣的業(yè)態(tài)金屬溫度較低，流動性較差，液態(tài)停留時間短，機(jī)械攪拌作用較弱，熔池靠近焊縫邊界一個很窄的范圍內(nèi)存在不完全混合區(qū)，其內(nèi)各成分濃度梯度更加顯著。因此，如果在選擇焊材時不能克服碳鋼對焊縫金屬的稀釋作用，則焊縫熔合面及附近難以保留足夠的奧氏體形成元素，從而導(dǎo)致馬氏體組織大量出現(xiàn)，形成一層淬硬層，其組織呈板條狀，分布具有方向性，比非方向性分布的奧氏體組織脆性大、韌性差，在使用中極易出現(xiàn)脆性開裂。而出問題的該處焊縫正是由于選擇了308不銹鋼焊材，其Cr，Ni含量較低，在進(jìn)行異種鋼焊接時由于碳鋼側(cè)的元素稀釋作用，奧氏體形成元素被稀釋，在碳鋼側(cè)的焊縫熔合面出現(xiàn)大量淬硬的馬氏體組織，韌性極低，因此在后期使用過程中出現(xiàn)了開裂和剝離現(xiàn)象[2]。而蓋面層采用E309焊材沒有問題，這也解釋了為什么裝置運(yùn)行了將近兩年焊縫才出現(xiàn)開裂。

根據(jù)上述結(jié)論基本可以判斷：造成本次焊縫開裂泄漏的原因在于原始施工時焊工誤用焊材，其打底層焊絲及中間填充層均使用了普通的E308型不銹鋼焊材，僅蓋面層正確使用了E309異種鋼焊條。

6 結(jié)語

由于化工生產(chǎn)的危險性，設(shè)備及管道的焊接在施工和檢修中均為重中之重，必須注意以下幾點(diǎn)：

（1）焊接作業(yè)必須制定嚴(yán)格的焊接工藝，所有焊工在施焊時必須準(zhǔn)確掌握焊接工藝卡的內(nèi)容，防止焊材使用錯誤；

（2）焊材發(fā)放過程必須加強(qiáng)管理，每個焊工在領(lǐng)取焊材時必須嚴(yán)格登記，并不得一次性領(lǐng)取成分相近的多種焊材，以免造成焊材誤用；

（3）施工過程中必須加強(qiáng)監(jiān)管，尤其是合金鋼材料和異種鋼的焊接，必須逐條焊縫進(jìn)行檢查，確保焊材使用正確，焊縫成型良好，質(zhì)量可靠；

（4）施工過程中盡量選擇第三方檢驗(yàn)單位進(jìn)行無損檢測，避免施工方內(nèi)部單位進(jìn)行無損檢測；

（5）設(shè)計及施工時盡量避免異種鋼的焊接；

（6）較大的工程施工及技改、檢修工作應(yīng)合理配備專業(yè)焊接工程師，以確保焊接施工質(zhì)量；

（7）焊接工程師必須熟悉施工現(xiàn)場，了解焊工技能水平，并重點(diǎn)選擇異種鋼焊縫、固定焊縫及外觀成型不太好的焊縫等代表性焊縫進(jìn)行抽查。