焦炭塔鉻鉬鋼過渡段焊接裂紋分析

陳明健張 偉楊吉梅

（1.合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心；2.安徽省壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽 合肥 230031）

焦炭塔鉻鉬鋼過渡段焊接裂紋分析

陳明健1，2張 偉1，2楊吉梅1，2

（1.合肥通用機械研究院國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心；2.安徽省壓力容器與管道安全技術省級實驗室，安徽 合肥 230031）

針對某石化公司230萬t/年延遲焦化裝置焦炭塔過渡段與裙座、錐形封頭環縫焊接裂紋問題，分析產生原因，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備，塔體長期處于450～500℃高溫、充焦和除焦的冷熱疲勞作用下運行，承受高溫交變載荷作用，塔體受高溫蠕變低周熱疲勞，急冷急熱溫差熱應力等因素的影響。國內焦炭塔的主體材料目前均采用鉻鉬鋼，使用壽命12年。由于鉻鉬鋼材質本身的脆硬性和回火脆性，可焊性較差，對焊接環境、焊接參數等要求很高，一旦操作不當，就會產生焊接裂紋，裂紋的返修對接頭的回火脆性影響很大，可能造成一類回火脆性，對接頭性能造成不可逆的影響。

一、焦炭塔設計參數

設計壓力0.35MPa，設計溫度505℃，操作介質渣油、油氣、焦炭、水、蒸汽，主體材質（0Cr13+15CrMoR）/15CrMoR，規格φ9000×（22+3）（24+3）/30/32/34/36/40mm，總高40480mm，總重278911kg。

二、焦炭塔結構及材料

焦炭塔是一個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，頂部封頭正中開有除焦口，側面有油氣出口，錐形封頭下部筒體側面開進料口，正中是排焦口，塔內無構件。

經過多年的使用和調研，目前我國設計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）以上全部為復合板，選用耐高溫鉻鉬鋼復合板。

焦炭塔過渡段的設計采用整體鍛件對接型，過渡段與裙座、錐形封頭及筒節均采用對接接頭，錐形封頭材料為15CrMoR，過渡段為14Cr1MoⅣ鍛件，過渡段與錐形封頭對接處厚度均為40mm。裙座段材質為15CrMoR，過渡段與裙座段焊接處厚度均為24mm。過渡段整體連接型式如圖1所示。

圖1　過渡段整體連接型式

三、材料的焊接性

15CrMoR和14Cr1Mo都是珠光體耐熱鋼，供貨狀態是正火加回火，根據國際焊接學會碳當量計算公式，Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%）,計算出15CrMoR鋼的碳當量0.44%～0.65%，14Cr1Mo鍛的碳當量是0.44%～0.77%，實際冶煉出的鋼材碳當量一般在0.56%～0.65%之間。鋼種的脆硬傾向主要取決于自身的化學成分，其次是結構的厚度、焊接工藝和冷卻條件。

碳當量高，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，在焊接過程中容易產生裂紋，同時，Cr、Mo、S、P等元素使鋼材具有一定的回火脆性，所以，焊接這類鋼主要解決兩個方面的問題，一是防止裂紋的產生，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成份及回火參數選擇有關，所以，應嚴格控制鋼材和焊接材料引起脆性的元素（S、P、As、Sb等雜質）。有些技術條件提出單項或者多項元素的含量上限來防止回火脆性，例如Si+Mo≤1.2，X系數（10P+5Sb+4Sn+As）×100≤15，（Cu+Sn+As）×100≤15（以上所有元素含量均按質量百分比）。

四、焊接工藝要求

過渡段與錐形封頭之間的環縫采用X形坡口，先從外側焊接，背面清根打磨后焊接內側，橫焊，手工電弧焊接，焊接工藝參數見表1。背面焊前清根，碳弧氣刨需要預熱150℃，預熱范圍為坡口兩邊均不小于150mm。焊接過程中，由于某種原因必須中斷焊接工作時，應維持焊接坡口及兩側各不小于150mm范圍處于150～250℃之間，直至焊接工作重新開始，否則在暫停工作時應立即進行消氫處理。焊后立即消氫處理350～400℃，保溫1.5h。

表1　過渡段與錐形封頭環縫焊接工藝參數

過渡段與錐形封頭環縫焊接完，再焊接過渡段與裙座環縫，此道環縫與錐形封頭距離近，操作空間受限，內側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。過渡段材質為14Cr1MoⅣ級鍛件，裙座筒節材質15CrMoR，對接厚度均為24mm，預熱和后熱等要求同上，焊接工藝參數見表2。

五、焊接裂紋情況

過渡段與錐形封頭對接環縫焊后檢查發現多處焊接裂紋，裂紋零散分布在整條環縫多處，并不連續，內壁裂紋數量較多，不做磁粉肉眼明顯可見。貫穿環縫的縱向裂紋居多，長度在4～10mm，肉眼可見，形態見圖2；在熱影響區，沿焊縫與母材的交界線處有較長裂紋，長度在6～10mm，肉眼可見；焊縫中心有橫向裂紋，長度8～16mm。經超聲波檢測，從內壁測量裂紋深度在15～34mm，均為冷裂紋。

過渡段與裙座環縫焊接后進行磁粉檢測過程中，也發現幾處表面裂紋，裂紋較細，長度5～15mm，縱向橫向均有，也有少量樹枝狀裂紋。經打磨3～8mm深后，再進行磁粉檢測，裂紋已去除。此處裂紋為冷裂紋，形態細小是因為檢測發現及時，未擴展。

表2　過渡段與裙座焊接工藝參數

圖2　橫向貫穿裂紋

六、焊接過程及裂紋分析

錐形封頭與過渡段焊接的整條環縫由多名焊工均布同時施焊，夜間加班快速集中焊接，焊接線能量過大；焊接工作在夜里露天進行，焊接時室外溫度平均18℃左右，夜間風大，室外作業，防風防雨設施不完善，焊接過程中下過雨；焊工夜間施焊，預熱溫度由溫控箱控制但并非一直有人監控；焊工中間休息時，消氫不足或者未能及時消氫，導致冷裂紋產生。焊縫外側比內側裂紋少，是在焊接內側時，預熱及焊接熱量釋放了部分焊接應力，而內側焊接時遇到下雨，導致焊接金屬中擴散氫含量高，同時焊后消氫不及時或時間不充足，也是造成焊接應力集中的原因之一。經過多次的預熱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，從開始焊接到整條焊縫整體消應力熱處理時間間隔10天。焊接和焊后熱處理不當，是導致裂紋的重要因素之一。

焦炭塔裂紋主要出現在錐形封頭與過渡段焊接的環縫處，其他位置焊接未出現明顯大量裂紋，過渡段為鍛件且結構特殊，錐形封頭拼焊后局部焊接應力較大，圓度和直徑公差較大且較難控制，與鍛件在組對時結構自身拘束應力較大。焊后消應力熱處理時間距開始焊接間隔較長，拘束應力一直未得到完全釋放。

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

裂紋的產生是多種因素造成的，冷裂紋產生的3個要素是鋼材內的淬硬傾向、焊接接頭內擴散氫含量分布和焊接接頭拘束應力的狀態。這3個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）嚴格控制組對錯邊量，過渡段坡口均為機加工，圓度誤差小，錐形封頭拼焊圓度和直徑難以控制，誤差較大。錐形封頭組對拼焊過程中，縱向拼縫較多，控制拼縫組對間隙，計算焊后收縮量。錐形封頭與過渡段局部錯邊大，則組對、焊接應力大。

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

（3）選用適當的焊前預熱溫度和預熱范圍。預熱溫度應通過工藝評定來確定，預熱范圍一般為坡口兩側3倍板厚度且不小于100mm。采用拘束應力小的窄坡口逐層縮小坡口的焊接工藝，避免熱量過分集中,避免工藝缺陷的產生。

（4）采用合理的焊接順序，使結構整體同時對稱地收縮或膨脹，減小焊接殘余應力，焊接應遵循先縱縫后環縫、先大坡口后小坡口的原則，避免工藝缺陷的產生。咬邊、未焊透、長條狀夾渣等工藝缺陷部位是應力集中區，這些部位容易產生冷裂紋。避免強行裝配以及焊后錘擊等。

圖3　未預熱氣刨裂紋擴展

（5）定位焊采用焊條電弧焊在塔外側進行，選取用R307焊條，定位焊所采用的焊接工藝應與正式焊接時一致，定位焊縫如發現裂紋等缺陷時必須及時清除，重新進行定位焊。焊接時每道焊縫盡可能一次焊接完畢。焊接過程中斷時，應使焊縫坡口及兩側各200mm寬度內保持在預熱溫度范圍內，如無法保持，則應消氫處理后保溫緩冷，重新焊接時預熱到工藝要求預熱溫度后再焊接。

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

八、結語

鉻鉬鋼材質由于本身的脆硬性和回火脆性，可焊性較差，對焊接環境、焊接參數等要求很高，在焊接過程中，根據冷裂紋產生的因素，應采取必要措施，控制焊接工藝參數，及時焊后消應力熱處理。控制母材及焊材的脆性相和回火脆性相。優化結構減小拘束應力，或者采取有效措施控制應力集中，焊接的冷裂紋是可避免、可控制的。

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TG457

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