不銹鋼復合板管箱裂紋成因分析及監控措施探討*

鄭俊輝，陳東瓊，鄧 聰

(廣東省特種設備檢測研究院，廣東 佛山 528251)

不銹鋼復合鋼板是一種采用爆炸或爆炸—軋制等方法，由基層材料和覆層材料復合而成的雙層金屬鋼板[1]。其基層主要滿足結構強度和剛度的要求，覆層滿足耐磨損、耐腐蝕等特殊性能的要求。隨著石油化工行業的蓬勃發展，這種復合鋼板被廣泛應用與各類設備、裝置的制造中，不僅顯著降低制造成本，還滿足了設備的使用工況要求[2]。復合層管箱是由筒節和封頭焊接成型的，這種焊接既不同于不銹鋼，也不同于碳鋼或低合金鋼，而有其特點和難點，特別是對過渡層及復層的焊接質量要求很高。為了避免不銹鋼層與基體界面處出現的合金元素的稀釋、碳元素的遷移等，過渡層的焊接是保證復合管焊接質量的關鍵[3]。

1 設備概況

某石化企業甲醇裝置中一臺預塔再沸器于2011年1月投用，設備參數詳見表1。該臺設備的管箱筒體與封頭采用焊接成型，基層材料為Q345R，厚度18 mm，主要滿足結構強度和剛度的要求；覆層材料為00Cr19Ni10，厚度3 mm，主要滿足耐蝕、耐磨等特殊性能的要求。2021年對該設備進行定期檢驗時，通過滲透檢測發現該管箱筒體與封頭相連接環焊縫內壁面熱影響區存在多處線性缺陷，缺陷形貌詳見圖1。由于生產原因，設備未及時修復缺陷，需帶缺陷運行至設備更換，為此，著重分析缺陷造成的原因，為設備的安全運行作保障。

表1 設備主要參數表

圖1 缺陷形貌照片

2 損傷模式識別及風險分析

依據預塔再沸器的設計參數、操作參數、運行狀況、檢驗情況以及介質情況，對其損傷模式進行定性分析和風險計算[4]，風險等級為中高風險(4C)其主要損傷模式為腐蝕減薄，從介質分析來看，介質CO2含量約為10%，不含水，內襯材料為奧氏體不銹鋼，正常操作下不存在酸性腐蝕，但介質中CO2含量高，考慮非正常操作條件下，有液體水存在形成碳酸條件下的腐蝕。

3 應力分析

3.1 有限元模型及網格劃分情況

為了精確求解該設備管箱的應力分析情況，采用ANSYS14.0進行有限元分析技術，假設結構不存在缺陷，求解設計載荷下缺陷部位的應力分布情況。

簡化后的模型采用對稱分析，筒體和封頭的厚度根據實測最小壁厚及周期腐蝕量，基于保守原則均取值為18 mm(不考慮復合層厚度)。分析模型見圖2，主要的輸入參數見表2。

圖2 有限元分析模型

表2 輸入材料性能參數

采用20節點六面體二次減縮積分單元(C3D20R)進行網格劃分，另外為了保證計算精度，在接管位置進行加密處理，網格劃分情況詳見圖3。

圖3 網格劃分情況

3.2 邊界條件設置

由于設備介質壓力和設備自重等機械載荷引起的應力對缺陷開裂起主要作用，因此，設備內壁面承受內壓為2.30 MPa(操作工況)，對稱面施加對稱位移約束，筒體端面施加X方向位移約束，接管端面施加Y方向位移約束以及徑向力和內壓力引起疊加載荷的等效載荷7.30 MPa，人孔端面施加徑向力和內壓力引起疊加載荷的等效載荷3.77 MPa，具體如圖4所示。

圖4 載荷施加情況

4.3 應力云圖

圖5為采用第三強度理論得到操作工況下應力強度SINT云圖，圖中紅色區域表示高應力區，藍色區域表示低應力區。從圖可知，最大應力強度出現在接管與管箱筒體連接部位內表面，值為211.92 MPa。筒體和封頭連接環焊縫區域的SINT應力值在100 MPa左右，未發現有明顯應力集中。

圖5 應力云圖

4 缺陷成因分析

經過對該臺設備進行宏觀檢查和壁厚測定，未發現腐蝕減薄等異常情況；滲透檢測發現，管箱內壁面筒體與封頭環焊縫東側熱影響區部位大半圈線性缺陷；對管箱內壁熱影響區進行金相分析、硬度檢測以及化學成分分析，其中，管箱內壁封頭側熱影響區金相分析顯示缺陷為沿晶裂紋，詳見圖6。

圖6 裂紋處金相分析圖

從表3的硬度測定值可見，管箱內壁封頭側熱影響區(開裂處)的硬度值(187HB)比管箱筒體側熱影響區的硬度值(129HB)高。

表3 硬度測定值

管箱內壁封頭側熱影響區(開裂處)的Cr含量(17.87%)偏低于管箱筒體側熱影響區的Cr含量(18.08%)，也低于焊縫(19.10%)和正常值，同時封頭側不銹鋼復合板的Cr含量總體偏低。詳見表4。

表4 化學成分分析

該類型復合鋼板在焊接過程中，基層、過渡層、覆層的焊接造成多次熱循環，焊接接頭及焊縫熱影響區產生較大的內應力。由于焊接過程中，加熱和冷卻存在局部不均勻，使復合鋼板沿壁厚方向上存在較大的殘余應力，覆層表面形成拉應力，也是導致復合鋼板焊接后覆層表面容易產生裂紋的主要原因之一[5]。結合該臺設備運行狀況記錄以及隨機文件，產生線性缺陷的原因是焊后熱處理后殘余應力仍較大，在長期服役過程中產生開裂。

5 監控措施

通過對封頭外壁環焊縫周邊進行超聲檢測掃查，線性缺陷開裂深度未達到基材?；诖思耙陨系姆治觯撆_預塔再沸器能在一定條件下安全運行，但在未來的運行期間必須加強監控管理，嚴格按照操作壓力和操作溫度，避免壓力、溫度劇烈波動，避免疲勞失效的發生；加強日常維護保養和巡檢，應在外壁環焊縫周邊采用超聲檢測等方法進行定期掃查，關注缺陷的擴展情況。

6 結 論

不銹鋼復合鋼板封頭的焊接既不同于不銹鋼，也不同于碳鋼或低合金鋼，而有其特點和難點，特別是對過渡層及復層的焊接質量要求很?倓高。由于焊接工藝及流程選擇不當，在焊接應力的作用下，就有可能增加了焊縫熱影響區在運行過程中裂紋產生的幾率。通過分析缺陷產生的原因和采用的檢驗檢測手段，能更準確的判定壓力容器在運行過程中缺陷對設備安全性能的影響，同時也能給出相應的監控措施。