氣化爐殼體環縫頻繁開裂的技術分析

朱萬欽

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院三門峽分院 三門峽 472000）

氣化爐殼體環縫頻繁開裂的技術分析

朱萬欽

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院三門峽分院 三門峽 472000）

魯奇固態排渣加壓氣化爐成本低、效益高，在煤化工領域得到廣泛應用。其本體采用的BHW35鋼（相當于13MnNiMo54）合金元素含量較高，淬硬傾向較大，在制造、返修過程中，如果工藝控制不當，容易產生冷裂紋和再熱裂紋，再加上氣化爐特殊的操作工藝，頻繁的升壓、降壓，使用中更容易誘發裂紋。本文著重分析氣化爐殼體產生裂紋的原因，并提出應對措施。

裂紋 應力集中 擴散氫 焊接工藝 熱處理

筆者近期對某廠1#加壓氣化爐（型號MARK-Ⅳ/4）進行定期檢驗，在超聲波檢測時，發現該爐B5焊縫存在3條內部裂紋，長度分別為50mm、40mm、20mm，大多位于熱影響區且沿周向開裂，深度距外表面20～30mm。該廠共有5臺同種類型的氣化爐。在每次的定期檢驗中均發現B2和B5環縫存在不同程度的裂紋，裂紋統計規律見表1。

表1 氣化爐B2、B5焊縫出現裂紋的統計

氣化爐夾套采用德國BHW35進口材料，直徑φ4000mm，壁厚50mm，上封頭為橢圓形，下封頭為錐形，壁厚均為65mm；內筒內徑3848mm，材料為20g ，壁厚30mm，設備總長12500mm，總重約120t，具體設計參數見表2。

表2 氣化爐技術參數

1 氣化爐殼體產生裂紋的原因分析

BHW35是德國鋼號，對應中國鋼號為13MnNiMoNb，屬60kg/cm2強度級鋼，其特點是含鉬和鈮，高溫性能穩定，強度高，低溫沖擊性也較好。化學成分和力學性能見表3、表4。

表3 BHW35鋼的化學成分

表4 BHW35鋼的力學性能

1.1 高的碳當量決定其可焊性差，制造時焊縫宜產生冷裂紋

隨著鋼中碳含量和合金元素的增加，鋼材的焊接性會變差。根據國際公認的碳當量公式：Ceq=C+Mn/6+（Cr+V+Mo）/5+（Cu+Ni）/15=0.13+1. 3/6+（0.3+0.3）/5+0.8/15=0.53% ，當Ceq值小于0.40%時，鋼材淬硬傾向不大，焊接性良好；當Ceq值大于0.4%～0.6%時，特別當大于0.5%時，冷裂紋的敏感性將增大，焊接時需要采取預熱、后熱及選用低氫型焊材等一系列工藝措施。而BHW35鋼的碳當量Ceq=0.53%，屬可焊性較差的材料，容易產生冷裂紋。

定期檢驗時，從資料審查過程中我們發現設備在制造過程中都存在有不同程度的返修，這為運行時誘發裂紋埋下了隱患，從歷次出現裂紋的位置、走向及形態來看也證明了這一點。

1.2 高的殘余應力是誘發焊縫開裂的主要因素

由于氣化爐筒體壁厚較大，在制造和維修過程中，容易產生較大的焊接殘余應力和局部預熱產生的附加應力，這些應力疊加后，對焊縫形成極大的拉應力，導致在使用中產生開裂，特別是在用設備的焊縫維修，產生的附加殘余應力則更大，運行中多次在返修部位出現開裂足以得到證明。

1.3 制造時非超標缺陷氣孔和夾渣的存在為設備運行時焊縫的開裂埋下了隱患

在對1#、2#和5#設備的資料審查時均發現B2和B5焊縫存在有非超標缺陷（氣孔和夾渣），在這些部位均產生過裂紋。因為夾渣的端部具有尖銳的特征，具有很大的應力集中，在主應力的作用下夾渣的端部很容易誘發裂紋。而氣孔的存在則為焊縫中殘余的擴散氫在高溫下向其聚集提供了條件，當擴散氫聚集到一定程度也會誘發裂紋。因此設備在運行和定期檢驗時要重點對制造中存在氣孔、夾渣等焊縫部位做重點檢測。

1.4 結構的影響

B2焊縫位于夾套內液位經常波動的部位，具有較大的溫差應力，熱疲勞是該焊縫容易產生裂紋的主要根源。B5處于設備的結構突變位置（壁厚和形狀突變），由于結構的不連續而產生的附加應力進一步增強焊縫的應力集中是其經常出現裂紋的本質原因。

1.5 運行工況的影響

該設備的運行工況為間歇作業，內筒內從煤層加料到全部產生氣化大約4h，內筒泄壓后再重新加料，工藝操作過程中頻繁的升壓、降壓，升壓產生拉應力、降壓產生壓應力，頻繁的產生拉、壓應力，屬疲勞工況，疲勞使焊縫誘發裂紋的一個重要外在條件。

1.6 返修時熱處理工藝的影響

對夾套焊縫返修時大部分采用從外側返修，內筒不割除，這樣在做熱處理時電加熱帶僅能在外側加熱，內壁無法實現保溫，對于50mm和65mm的筒體來說，外部溫度達到了規定溫度，但筒體內壁溫度不一定能達到。溫度和保溫時間是熱處理工藝的兩個重要的參數，但溫度是其決定性的作用，同時維修單位提供的焊縫工藝評定基本上都是爐內熱處理的評定，與現場熱處理的條件差別還是很大，因此表面上看嚴格按規范進行了熱處理，但實際上卻不能起到焊后消應力和降低擴散氫的作用，導致返修的焊縫部位產生更高的殘余應力和高的擴散氫含量，一定程度上為該返修部位再次產生開裂奠定了基礎。

2 應對措施

2.1 設計、制造環節

1）使B5的位置上移遠離設備的結構突變位置，減小由于結構原因而造成的應力集中。這樣勢必會增加制造成本，但可有力改善焊縫的應力分布，有利于設備的安全運行。

2）制造時合理選擇鋼板的尺寸，避免使B2焊縫位于液位經常波動的部位，減少溫差應力而使焊縫過早的疲勞。

2.2 運行環節

1）嚴格按照操作工藝規程，緩慢升壓和降壓，嚴禁超溫超壓。

2）盡量保持負荷穩定，減小液位波動，避免頻繁啟停。

3）對B2和B5焊縫加強監控，每次停車檢修時對其進行100%的UT和MT檢測，發現裂紋及時進行維修處理。

2.3 維修環節

1）維修單位應根據設備維修的實際情況進行焊接工藝評定，特別是熱處理工藝應反映實際維修工況。

2）焊接材料應按規定進行烘干，焊工應具有相應材料和焊接位置的特種設備作業項目。

3）不管是單面維修還是雙面，熱處理均應在內壁和外壁保溫，且均加裝熱電偶，只有兩側溫度都達到熱處理溫度時方可記錄保溫時間，嚴格按熱處理工藝進行。

3 結論

1）焊縫開裂的主要因素是焊縫承受的結構應力、焊接殘余應力、溫差應力和設備間歇運行產生的疲勞應力。

2） B2焊縫位于夾套內液位經常波動的部位，具有較大的溫差應力，熱疲勞是該焊縫容易產生裂紋的主要根源。B5處于設備的結構突變位置，較大的結構應力使其經常出現裂紋的本質原因。

3）返修時內外壁均加裝熱電偶是確保熱處理質量的關鍵。

4）設計制造時考慮B2和B5所處的位置是其不發生開裂的有效措施，同時加強設備的制造質量，盡可能的減少非超標缺陷的存在

［1］ 焊接手冊 中國機械工程學會焊接學會編，1992.

［2］ 周振豐，張文鋮.焊接冶金及金屬的焊接性（第二版）［M］.機械工業出版社，1993.

［3］ 氣化爐竣工圖和竣工技術文件.

The Technical Analysis of Crack on the Gasifi er Shell Girth

Zhu Wanqin
（Henan Province Institute of Boiler and Pressure Vessel Safety Testing， Sanmenxia Branch Sanmenxia 472000）

Luqi solid-state discharge pressurized gasifier with low cost and high efficiency， has been widely used in the coal chemical industry. Whose matrix with higer hardening tendency， is made of the BHW35 steel（equivalent to 13MnNiMo54） alloy element with higher content. It is easy to produce cold crack and reheat crack in the process of manufacture and repair if the process control is improper. Furthermore， the operation of the special gasifier craft， frequent step-up and step-down pressure， is more likely to induce cracks. The author emphatically analyses the reason of gasifi er shell crack， and puts forward the countermeasures in the article.

Crack Stress concentration Diffusible hydrogen Welding procedure Heat treatment

X933.4

B

1673-257X（2015）04-65-03

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.016

朱萬欽（1966～），男，本科，副院長，工程師，從事鍋爐壓力容器檢驗檢測工作。

2015-03-18）