丙烷脫氫干燥器現場組焊裂紋分析及返修措施①

陶昌明 洪 朝 費東輝 鄭 燕

(寧波市特種設備檢驗研究院)

2016年初，寧波市特檢院對某化工企業丙烷脫氫反應裝置兩臺反應流出物干燥器(21D0206-1/2)現場組焊施工過程進行監檢。經TOFD檢測發現，兩臺干燥器下封頭與筒體連接的B5環焊縫存在多處裂紋缺陷。安裝單位根據返修方案對編號為21D0206-2的干燥器進行第1次返修。經TOFD再次檢測發現，局部仍存在裂紋缺陷,部分裂紋發生擴展現象。

Q345R是一種常用的、可焊性較好的壓力容器用鋼板，且相對應的焊接工藝比較成熟，一般在壓力容器實際焊接過程中很少出現多次返修的情況。同時，干燥器的工作溫度和壓力較高，內部介質(氫氣、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、異丁烯、硫化氫、異丁烷、苯)具有易燃、易爆和有毒的特點。在筒體封頭焊縫現場組焊過程中出現如此嚴重的裂紋，無疑會給今后的生產使用埋下極大的隱患。因此，分析裂紋產生的原因顯得非常必要。

干燥器基本情況丙烷脫氫反應裝置反應流出物干燥器主要參數如下：

容器級別 III類

材料 Q345R(正火)

規格φ7800mm×15185mm

筒體厚度 50mm

封頭厚度 60/55mm

檢測手段 100%TOFD/100%MT/100%RT(接管)

熱處理工藝 620±20℃×2h

設計壓力 -0.1/0.8/1.18MPa

設計溫度 42/260/120℃

工作壓力 0.0～0.4/0.00～1.23MPa

工作溫度 42～232℃

2016年2月，安裝單位根據返修方案及焊接工藝評定和焊接工藝規程，對21D0206-2干燥器的B5環焊縫進行了第1次返修。先采用碳弧氣刨清除缺陷，砂輪機修磨刨道，再采用SMAW焊接方法補焊。打底層：φ4.0 mmJR507RH，140～160A，23±2V；其余層：φ4.0 mm、JR507RH，150～170A，23±2V；焊接速度均為12～15cm/min，預熱及層間溫度控制要求為150±20℃。

返修完畢后經TOFD檢測發現，下封頭與筒體連接處的環焊縫上仍存在裂紋。

1 缺陷分析

一次返修未能真正解決裂紋等超標缺陷，安裝和使用單位邀請監檢機構、設計單位和無損檢測單位召開了專題會議，來分析問題產生的原因。同時，對該容器使用材料(焊材、母材)、封頭等進行了一系列的檢測和分析，最終認為返修后仍存在裂紋的原因主要有以下3個方面：

a. 現場組對時，發現封頭坡口與筒體坡口形式搞錯，按照工藝設計要求B5環焊縫的外口為U形大坡口，里口為V形小坡口，但實際現場組對時，發現封頭和筒體的坡口里外大小坡口搞反，為了趕工期特意采用了碳弧氣刨的加工方式使兩者坡口一致。在此過程中，可能將碳組織殘留在焊道里，且在碳弧氣刨后的修磨工序中未把氣刨碳棒產生的滲碳層修磨干凈，且在第1次返修過程中碳弧氣刨操作失誤粘滯或脫落于坡口中的碳棒端部熔入焊接熔池中(夾碳)，這可能是造成上述區域增碳加并導致嚴重開裂的關鍵因素[1]。

b. 焊接預熱工藝和執行不到位，產生過大焊接殘余應力。焊前預熱的目的是使焊縫金屬的實際冷卻速度低于該種鋼的臨界冷卻速度。如果焊接時焊縫冷卻速度超過該種鋼的臨界冷卻速度，焊縫和熱影響區就會形成馬氏體組織，在氫和熱應力的作用下就有可能產生裂紋[2]。根據焊接工藝要求，預熱及層間溫度應控制為150±20℃，焊工在實際施工過程中可能未按工藝要求嚴格控制預熱和層間溫度，且由于現場施工環境惡劣、氣溫較低，預熱后鋼板容易快速冷卻，部分焊道的溫度已低于工藝要求。

同時，該設備的第1次返修補焊過程也有可能產生更復雜的殘余應力分布。補焊是在原有的焊道上進行施焊，其殘余應力場的分布遠比初始焊接復雜，補焊過程中焊接參數(多道焊、熱輸入和層間溫度)對補焊的影響遠比初始焊接重要[3]。

2 缺陷處理措施

通過對上述裂紋成因的分析，以及了解設備返修預熱工藝處理的效果，滲碳組織和焊接殘余應力等拘束應力集中是裂紋產生的主要原因。為此，對該臺產品編號為21D0206-2反應流出物干燥器二次返修的主要處理措施有：

a. 用磨光機把整體焊縫(包括熔合線)打磨干凈，完全清除滲碳層；

b. 嚴格按工藝要求進行預熱，保證預熱效果，使預熱溫度和面積達到規定要求，同時焊后消氫處理作部分調整，增加保溫時間及延長緩冷操作要求，減少溫差致收縮應力影響；

c. 增大坡口表面檢驗及無損檢測面積，避免缺陷殘留；

d. 所有返修工序的檢驗檢測工作由檢驗部門專人負責，嚴格把關；

e. 焊后整體熱處理。

對21D0206-2下封頭與筒體連接焊縫重新進行TOFD檢測，標出缺陷存在的位置、深度。把整條焊縫(包括熔合線)清理去除，然后返修焊接，二次返修方案和工藝要求如下：

a. 碳弧氣刨清根前在焊縫上、下熔合線上每隔100mm打上樣沖眼，便于雙方確認清除整體焊縫(打完樣沖眼后，告知監理方)。

b. 氣刨清除缺陷前對焊縫進行預熱。預熱采用返修焊縫整體電加熱的措施，預熱位置為返修焊縫的外側(并覆蓋保溫棉在后熱處理后再進行拆除)(保溫棉的寬度每側不少于500mm，保溫厚度40～60mm)，控制預熱溫度不低于80℃，測溫儀在焊縫的返修面測溫。焊縫預熱面積為24800mm(焊縫總長)×200mm(電熱帶寬度)。

c. 達到要求的預熱溫度后，內側用碳弧氣刨清除整條焊縫，包括焊縫熔合線(外側焊縫留深度10mm不清除，待內側焊縫返修完后再清除返修外側焊縫)。待溫度緩冷降至常溫，用PT檢測坡口部位，以確認缺陷是否清除(檢測結果如還遺存有缺陷，則需依照以上工藝繼續清除缺陷，直至缺陷全部被清理)。卸去保溫帶，外側(背面)用UT檢測是否存在裂紋，以確認缺陷是否清除(檢測結果如還遺存有缺陷，則需依照以上工藝繼續清除缺陷，直至缺陷全部被清理)。刨道的寬度按缺陷深度利用計算。用砂輪機對刨道進行坡口修磨處理，直至磨出金屬光澤。(打磨滲碳層厚度不低于3～5mm)。

d. 確認返修焊縫中所有的缺陷被清理消除后，在焊縫的外側進行焊前預熱(整條)，嚴格控制預熱溫度在150±20℃，測溫儀在焊縫的返修面測溫。焊縫預熱面積為24800mm(焊縫總長)×200mm(電熱帶寬度)，同時應檢測坡口面的溫度)。

e. 返修補焊采用SMAW，多名焊工(4人)同時對稱地對返修焊縫進行焊接，焊接位置為橫焊。焊接材料為焊條J507RH，打底用φ4mm焊條， 130～150A， 24±2V,焊接速度12～15cm/min；填充用φ5mm焊條, 160～190A， 26±2V，焊接速度12～15cm/min。開始焊接時4名焊工同時沿順時針方向施焊，前一層焊縫焊接結束再焊接下一層焊縫，焊接方向與前一層方向相反。焊接過程中注意控制焊接線能量，采用多層多道焊接，盡量錯開每層的焊接接頭，注意層間雜質應清理干凈，控制道間溫度不小于預熱溫度，在150±20℃之間(整個返修焊接過程中，加熱裝置全程監控，保證道間溫度不低于預熱溫度)。每道焊縫焊接完應仔細觀察焊縫是否有其他缺陷產生(如表孔或夾渣)，如出現缺陷，應馬上修磨清除，若沒有問題，再接著焊接下一道焊縫。

f. 焊接時每層應多設焊接段，每層段與段保留150mm之間缺口，待所有焊接段完成后，統一對稱封口，封口時用φ4mm焊條并覆蓋每層焊接段5～10mm，封口后停留5～10min，打磨封口接頭并全部清理焊縫表面的夾渣和缺陷；焊接時焊層厚度不大于焊條直徑+1mm，擺動寬度不大于焊條直徑的4倍。返修蓋面層采用φ4.0mm焊條。

g. 焊接預熱要分段控制，每段設一個熱電偶，準確控制預熱溫度，以便于控制層間溫度不超過200℃。焊后將焊縫余高打磨至不高于齊平，打磨時保持預熱溫度。

h. 所有返修焊縫一經開始焊接，中間不得停頓直至焊接完成。(焊接過程中如確實需要停頓，需進行250±20℃×2h消氫處理)。

i. 內側焊縫返修完成后，采用相同的工藝返修外側焊縫。

j. 整條焊縫返修焊接后，應立即進行加溫消氫處理，加溫溫度在250±20℃之間，保溫時間120min，然后緩冷至150℃，再保溫60min，最后緩冷至常溫(保溫棉在溫度降至常溫后拆除)。

k. 清理焊縫表面的飛濺雜質，修磨焊縫余高與母材齊平，注意焊縫兩側圓滑過渡，不允許有咬邊存在。

l. 消氫處理48h后，MT和TOFD檢測焊縫，MT檢測要求是焊縫內外表面。TOFD對返修焊縫進行檢測，按 NB/T 47013.10-2015標準評定,Ⅱ級合格[7]。

m. 如有缺陷，可局部挖補處理，局部挖補時采用角向磨光機和電動金屬旋轉銼，挖補工藝同上；當焊補工作量較小時，采用φ3.2mm焊條，操作要求同上。

n. 在焊縫完全返修合格后進行設備整體熱處理，依據整體熱處理方案執行。

3 注意事項

3.1壓力容器焊接要嚴格執行焊接工藝的要求，依據焊接工藝規程來控制焊接工藝參數。對于厚板焊接，要關注制造廠是否采取了恰當的預熱工藝且認真執行，否則有可能因焊縫內外溫差過大，而致收縮應力過大產生裂紋。

3.2在使用碳弧氣刨焊縫清根、坡口加工及缺陷清除等工序時，要重點關注氣刨后的修磨工序，應確認把氣刨碳棒產生的滲碳層修磨干凈，否則有可能使焊縫出現滲碳現象而產生裂紋。

3.3焊接殘余應力的分布復雜，也與周圍環境拘束有關，在一條焊縫上先焊與后焊的時間早晚不同，彼此都要相互影響。因此，對于容器制造裝配的工序，要嚴格按照相關標準及設計文件的要求執行，不可隨意顛倒順序。

3.4焊縫的返修要嚴格執行《固定式壓力容器安全技術監察規程》中第4.2.1.4條關于焊縫返修的要求。焊縫返修應當首先分析缺陷產生的原因，提出相應的返修方案，再嚴謹地執行，切不可在未確認缺陷原因之前就盲目返修，致使缺陷越返越多或導致更嚴重的缺陷。

[1] 中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊——焊接方法及設備[M].北京：機械工業出版社，2007：340.

[2] 石琳，古敏，魯果昌，等. 焊接預熱和后熱的理論基礎及實際應用[J].石油和化工設備，2015，18(2)：48～52

[3] 沈利民，鞏建鳴，余正剛，等. Q345R鋼焊接接頭不同部位補焊殘余應力的有限元分析[J].焊接學報，2009，30(9)：57～60

[4] 呂吉生. 淺談厚板焊接裂紋返修技術[J].中國高新技術企業，2013，(24)：51～52.

[5] 沈貴祥，李楠，劉金娜. 焊接冷裂紋產生原因及防止措施[J].科技與企業，2013，(17)：269.

[6] GB 150，鋼制壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2011.

[7] NB/T 47013，承壓設備無損檢測[S].北京：新華出版社，2015.