甲醇轉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

甲醇轉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

闡述了轉化爐下集氣箱異徑管接頭裂縫事故的調研、檢測、修補等情況，依據現場狀況、裂縫狀態及金相分析，結合高鉻鎳不銹鋼焊接裂縫生成的理論，對異徑管焊接頭產生裂縫原因進行了全面的分析，從而提出了行之有效的異徑管接頭裂縫修補方案。對同類產品的施焊、修補有實際應用的指導意義，對轉化爐下集氣箱系統管路的熱膨脹及異徑管接頭設計有一定的參考價值。

轉化爐 下集氣箱 異徑管接頭 裂紋 修補工藝

內蒙古某甲醇裝置轉化爐下集氣箱與“豬尾巴”管之間的異徑管接頭，在投運半年后出現第一條裂縫，管內轉化氣外泄燃燒，當時曾對其作過焊補緊急搶修，后來繼續運行中又陸續出現了多處裂縫，于2006年8月被迫停產檢修。

對轉化爐下集箱異徑管接頭裂縫的調查、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，以供轉化爐制造、安裝、檢修、現場焊接、化工生產及設計有關技術人員參考。

1 轉化爐工況及結構簡介

轉化爐是甲醇生產裝置中的核心設備，爐內裝有288根豎向轉化爐管，爐管材質為40K高鉻鎳鑄管，管內滿裝甲醇氣轉化觸媒。爐管上端伸出爐頂用彈簧吊架固定在鋼結構橫梁上（見圖1），彈簧吊架起到承擔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，當爐受熱膨脹伸長時能上下移動。轉化爐工作時天然氣從下集氣箱（管）經過“豬尾巴”管進入轉化爐管，再由上部“豬尾巴”管匯集到上集氣管引出。

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

下集氣箱（管）橫臥在管座上，兩側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”管的對接焊縫在現場采用手工氬氣保護焊進行焊接。異徑管接頭為鍛制機加件，材質為Cr20Ni32Nb,與“豬尾巴”管相似，外徑Φ60/38mm，內徑Φ28mm，豬尾巴管規格為Φ38×5mm，材質均為Incoloy800H（Cr20Ni32）高鉻鎳低碳奧氏體不銹鋼。原設計要求管材與管接頭均由國外進口，實際異徑管接頭系國內上海某大學實習工廠自產。造成轉化爐泄漏的裂縫全部出現在離焊縫3～8mm的異徑管接頭上。

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

2 現場勘查、檢測實錄

2.1 下集氣箱（管）的冷態位移

在停產檢修的現場可以看到，幾乎所有的下集氣管發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計預定值，在高溫狀態下產生了塑性變形，冷卻后管系統收縮將下集氣管抬起。造成該現象的原因可能是“豬尾巴”管的彈性變形量小于實際熱膨脹量，或運行曾出現超溫現象。

2.2 裂縫的所在位置、形態及數量

在現場對所有下集氣異徑管接頭進行了100%的表面滲透（PT）檢測，共發現95個異徑管接頭存在裂縫或裂紋跡象（包括以前發現及已處理的裂縫），占全部管接頭總數的三分之一。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）的部位，離異徑管接頭環縫熔合線約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。裂縫呈環向分布，與熔合線平行，長度和深度不一。在進行表面滲透檢測時，凡顯現紅色的部位，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。較嚴重的裂縫大多集中在轉化爐中部爐底的異徑管接頭上。

焊縫的“豬尾巴”管側熱影響區未發現任何裂縫或裂紋跡象。

2.3 異徑管焊接接頭裂縫區的金相分析

為了進一步了解焊接接頭的微觀情況，對異徑管接頭裂縫區做了覆膜金相分析，據內蒙古鍋檢所提供的覆膜金相報告（見圖 5、6、7、8），可以看到：

近縫的高溫熱影響區出現2～3級的粗大晶粒，顯微組織均為奧氏體；

顯微裂紋群布發生在晶間，多出現在離熔合線較遠的“低溫”熱影響區。

2.4 轉化爐竣工文件及焊接、檢測記錄

專家組查閱了轉化爐有關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《現場設備工業管道焊接工程施工及驗收規范》進行了焊接工藝評定，并依據設計要求和合格的焊接工藝評定報告編制了轉化爐豬尾巴管的焊接工藝操作規程。其中：

（1）焊接方法：氬電聯焊，手工氬弧焊打底，電弧焊蓋面。

（2）焊接規范：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。（設備制造廠提供的焊接工藝評定，焊接電流為85～160A。）

（3）環境條件：環境溫度高于10℃，相對濕度小于90%，風速小于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督檢查考證；據對焊工訪談回憶，當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），均未發現裂縫跡象。

3 裂紋成因分析

內蒙古鍋檢所對轉化爐下集氣箱異徑管接頭裂縫性質進行了評定——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，以及轉化爐豬尾巴管和異徑管接頭在運行中的受力情況，認為該裂縫屬“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力反復作用下逐步形成的，那么異徑管接頭的顯微裂縫又是如何產生和發展的，分析如下。

3.1 對異徑管接頭材質的質疑

據檢測，所有裂縫都出現在焊接接頭的異徑管接頭一側，因而該批異徑管接頭的供貨質量值得質疑。從材質分析看，異徑管接頭與豬尾巴管的主要化學成分基本相同，都屬于高鉻鎳Incoloy800H鋼（化學成分見表1，異徑管接頭的化學成分除表中所列外，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，以及產品熱處理狀態不一定相同。從出現裂縫的傾向看，從同樣的焊接熱循環條件下，所有裂縫全部出現在焊接接頭的異徑管一側，所以說，異徑管接頭對產生裂縫的敏感性較豬尾巴管大得多。

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

3.2 焊接規范熱輸入量的影響

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范圍內，說明顯微裂縫的生成與焊接熱循環有關。在焊接過程中，熱影響區受焊接熱循環的影響是必然的，然而產生熱裂縫必需有一個高溫孕育期。金屬處于高溫時間越長，產生熱裂縫的可能性越大，而焊接接頭高溫時間持續的長短，焊接的熱輸入量起到決定性的作用。影響熱輸入量的主要因素是焊接電流、焊接速度、環境溫度等焊接規范，因而為防止奧氏體不銹鋼焊接時過熱，應該從控制焊接熱輸入量入手。為防止焊接熱裂縫產生，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、環境溫度以及工件的傳熱情況等因素有關。對于小規格的管接頭來說，焊接熱影響區的溫度上升很快，熱量不易散失，特別是水平管環縫焊接接頭，由管兩側下方向上兜焊，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格控制，有時為了搶進度，“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的焊接操作順序均能延長焊接接頭在高溫的停留時間，以致增加熱影響區產生熱裂縫的傾向。

表1 Incoloy800H鋼化學成分一覽表 （%）

3.3 焊接接頭的工況促進顯微裂縫的擴展

轉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，當轉化爐停車冷卻后，下集氣箱（管）因兩側連接的豬尾巴管冷卻收縮而被抬起，說明轉化爐在運行中產生的熱膨脹量已超過了預定設計值，豬尾巴管在高溫狀態下已喪失彈性，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受到兩方面的外力作用，一個是管內介質的工作壓力（4.5MP），使管接頭整體處于均勻的拉應力狀態；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，導致管接頭上部產生拉應力，下部則產生對應的壓應力。兩個應力疊加后，管接頭的上方形成高拉應力區，在長時間循環應力反復作用下，促使顯微裂縫擴展，最終造成疲勞破裂，導致轉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

據對不銹鋼焊接接頭高溫蠕變強度的研究，焊后未經固溶處理的含鎳奧氏體不銹鋼焊縫熱影響區高溫強度較低，在高溫交變應力作用下容易發生開裂；從產生裂縫的部位均接近異徑管接頭30°機加坡口處來看，該處正是易產生應力集中的部位，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，異徑管接頭上出現的裂縫位置及下集氣管冷卻后留下的殘余變形情況，結合焊接金屬學理論和焊接接頭斷裂力學的研究成果，可以解釋異徑管接頭焊接熱影響區顯微裂縫的擴展和高溫蠕變疲勞斷裂的發展過程。

4 接頭裂縫修補焊接工藝

在新的異徑管接頭供貨前，對現用的異徑管焊接接頭進行全面的檢測和修補。

4.1 對異徑管焊接接頭進行全面檢測

拆除下集箱及兩側豬尾巴管保溫層，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，進行100%表面滲透檢驗。對發現裂縫的焊接接頭做出標識和記錄。據統計，共發現裂縫跡象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，并對打磨槽表面進行100%滲透檢測，如仍有裂紋跡象，繼續進行打磨和滲透檢測，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力集中現象，以及改善接頭的高溫蠕變性能，對所有異徑管（包括經焊補或未經焊補）進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化爐管施焊的焊工，持有有效的氬電聯焊合格證，其中焊接方法、焊接材質、工件類型和規格等合格項目均滿足轉化爐管的焊接要求。

4.6 焊接工藝技術要求

（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內部充滿氬氣，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小于100℃。

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

5 結論

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

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

（3）轉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力狀態，在長期運行中導致疲勞斷裂的發生。

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

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

（6）對轉化爐下集氣管系統熱膨脹超出設計預定量的現象，提請設計單位核查考慮。

1 內蒙古xx公司甲醇轉化爐竣工圖和竣工技術文件

2 內蒙古鍋檢所《現場檢驗焊接接頭報告》《焊接手冊》中國機械工程學會焊接學會編 1992年8月

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

4 上海交通大學 《焊接金屬學》金屬斷裂和斷口分析 1978

5 天津大學 《金屬熔焊原理和工藝》焊接熱熱影響區 1978

6 渡邊正紀 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）