某化工廠蒸汽發生器修復過程中的熱處理問題分析

朱 甜

（江蘇焱鑫科技股份有限公司，江蘇 江陰 214421）

0 引言

現有化工生產蒸汽發生器選用材料的強度大、淬硬傾向也較大，但長期高溫使用過程中也會出現韌性下降、韌脆性溫度升高等情況，極易產生氫致裂紋。傳統焊接技術，由于忽略了熱處理技術的應用，導致焊接效果較差，因此以某化工廠蒸汽發生器裂紋修復方案為例，重點分析該壓力容器的熱處理問題，為同類焊接裂縫的修復工作提供參考。

1 設備技術參數及修復現狀

某化工廠蒸汽發生器裝置由意大利BOSCO 公司引入，并與當年投產運行，現已使用近20 年，設備主要技術參數，如表1 所示。該蒸汽發生器材質外殼為ASTM A516、其余管箱管板材質為ASTM A182 GR.F22，管箱管板處也是最易出現裂紋區域，其材質為合金材質，其中主要的化學成分組成為：w（S）=0.015%、w（P）=0.015%、w（Cu）=0.15%、w（C）=0.15%、w（Ni）=0.17%、w（Si）=0.25%、w（Mn）=0.47%、w（Mo）=0.92%、w（Cr）=2.21%。通過對該項材質的力學性能進行測試發現，其抗拉強度為656 MPa、屈服強度為452 MPa、材料伸長率為28%。

表1 蒸汽發生器主要技術參數表

該工廠蒸汽發生器投產以來，由于管箱與管板環間的焊縫出現過貫穿性橫向裂紋，導致出現過進口側起火事故，應用焊接技術對橫向裂紋進行修復，并再次投入使用后，時間一久焊縫處仍會產生裂紋。因此通過將焊縫切開重新進行焊接，并采用新的熱處理工藝進行修復，徹底解決了焊縫缺陷。在后續使用過程中，焊縫位置也再未產生裂紋缺陷。

2 焊接裂紋形式

由于現有蒸汽發生器管箱及管板選用材料大多為對再熱裂紋敏感性材料，因此兩者在焊接過程中，接頭處再熱裂紋通常包括以下三種類型：

1）蒸汽發生器長期高溫工況下生成的裂紋，該類型再熱裂紋形成條件特殊，主要在易發生二次沉淀硬化的熱強鋼接頭熱影響區中較為常見；

2）接頭處在焊接后消除應力的熱處理工藝流程中產生的裂紋，該類型裂紋也是最常見產生概率最高的一種，是低合金鋼材質中接頭再熱裂紋的基本形成方式；

3）堆焊層下產生的裂紋。該類型裂紋主要出現在奧氏體不銹鋼材料堆焊層下基材的熱影響區，當基材屬于再熱裂紋敏感材料時，通過堆焊工藝就容易使堆焊層產生裂紋。

3 熱處理技術應用

完成上述蒸汽發生器中管箱以及管板的材質以及上述管箱管板焊接點位、裂紋產生形式分析后，在裂紋修復工序中加入新的熱處理工藝，保障修復工作取得良好的效果。通過分析發現產生裂紋的主要原因發現，生產過程中氫氣等氣體在高溫下對焊縫這些疏松性材質的穿透性較強，造成了裂紋的出現以及沿伸；同時BOSCO 公司制造工藝熱處理工序中溫度500～650 ℃區域停留時間過長，導致焊接點位硬度過高沖擊韌性大幅降低，同時保溫冷卻速率太慢，又導致材質回火脆性難以消除，造成裂紋的產生[1]。因此新的熱處理技術要考慮到這兩類因素的影響，通過消氫處理、加快升溫降溫速率等方式，降低上述因素對熱處理工藝造成的影響。

3.1 預熱、消氫熱處理

結合上述高溫氫氣對焊縫穿透性的影響，同時由于蒸汽發生器化工廠房濕度大、同時長期的制氫過程使得鋼材吸附氫含量較高，所以可以通過預熱方式清除焊接部位水分，通過消氫步驟對施焊部位進行預處理，通過上述兩種工序對蒸汽發生器焊接部位進行預處理，減小這些因素對后續熱處理工藝造成的干擾。選用的履帶式電加熱器安裝于坡口兩側超出50 mm的距離，同時可在距離破口30 mm 處通過點焊手段設置測溫點，在蒸汽發生器管箱內、外兩層以及加熱器上均覆蓋一層80 mm 厚的硅酸鋁耐火纖維保溫層，保持加熱溫度，鋪設方式，如圖1 所示。該項工藝處理方式要求在350 ℃±20 ℃下維持保溫4 h，后續熱處理工序中絕熱材料、加熱器的選型也同樣不再變動。

圖1 預熱消氫熱處理工藝結構鋪設示意圖（單位：mm）

3.2 中間熱處理

分析蒸汽發生器管箱以及管板環焊縫出現裂紋的原因，再熱裂紋形成方式中的前兩類型形成方式即長期高溫工況下生成的裂紋、接頭處在焊接后消除應力的熱處理工藝流程中產生的裂紋兩者，都是該蒸汽發生器焊接裂縫存在的，同時這兩種裂紋的形成方式相似，僅僅在形成時間上有所不同，裂紋的產生均貼合著接頭熔合線，都是在1 200～1 500 ℃的高溫粗晶區域產生，同時向奧氏體晶界方向延展。采用高約束度焊接接頭殘余應力較大，因此就導致裂紋很可能從高溫粗晶區直接穿過整個接頭壁厚，因此殘余應力也就是再熱裂紋產生的重大誘因，在焊接時要盡量消除殘余應力造成的影響。因此通過中間熱處理工藝，在坡口焊接一半后進行中間消除殘余應力的熱處理，可有效減緩殘余應力的影響。其中中間熱處理工藝結構鋪設，如圖2 所示[2]。

圖2 中間熱處理工藝結構鋪設示意圖

由圖2 可以看出，中間熱處理工藝在蒸汽發生器管箱以及管板焊接接頭間的坡口，通過預先焊接一半即35 mm 的方式，來降低殘余應力帶來的影響。同時需要注意的是，在中間熱處理工序中由于兩次焊接步驟的應用，消除了殘余應力的同時極易產生應力集中現象，因此為避免應力集中對后續修復工序帶來的影響，需要嚴格執行熱處理修復工藝，保障修復工序的安全有序進行。

3.3 最終熱處理階段

再熱裂紋產生的溫度通常在500～650 ℃這一區域，如圖3 所示為裂紋產生加熱溫度與設定保溫時間之間的關系，形成一條C 形曲線。可以看出，再熱裂紋在這一溫度區域內是十分敏感的，進行最終熱處理過程也應盡快通過這一溫度區間。同時，在升溫階段裂紋尚未焊接修復，因此這一敏感溫度所需注意的工序應處在降溫冷卻階段，通過加快冷卻速率的方式，快速通過這一敏感溫度區域[3]。

圖3 再生裂紋敏感溫度區間示意圖

結合再生裂紋產生原因，BOSCO 公司蒸汽發生器制造工藝文件中，熱處理工藝在保溫工序后的冷卻階段耗時較長，也就導致維持在敏感溫度500～650 ℃這一區域的時間很長，從而影響到裂紋的修復效果。因此在最終熱處理工藝中要首先考慮到這一點，通過改變升溫、降溫速率的方式對熱處理工序進行調節。其中調整后的最終熱處理工藝結構鋪設，如圖4 所示，工藝流程曲線，如圖5 所示。

圖4 最終熱處理工藝結構鋪設示意圖（單位：mm）

從圖4 可以看出，最終熱處理階段蒸汽發生器管箱以及管板焊接接頭間的坡口，與圖2 相比已全部焊滿，同時為了緩解500～650 ℃這一再熱裂紋極易產生的溫度區域對修復工序造成的影響，從圖5 可以看出，最終熱處理工序流程中在溫度達到最高點，完成焊接任務開始冷卻時，初始冷卻速率達到了150 ℃/h，當溫度下降到450 ℃之后，冷卻速度開始減小到不足70 ℃/h，大幅縮短了處于500～650 ℃這一敏感溫度區域的時間，避免了再熱裂紋的產生。

4 結語

通過對上述蒸汽發生器結構即再熱裂紋產生原因、裂紋形式進行分析，同時應用新的熱處理技術，對蒸汽發生器管箱與管板間環焊縫裂紋進行修復處理，主要包括預消氫除濕處理、加快冷卻速率兩方面對熱處理工序進行優化。將該化工廠蒸汽發生器采用以上熱處理修復工序后投入使用，裂紋缺陷再未產生，通過實際應用表明該項熱處理工藝是可行的。為同類型蒸汽發生器即壓力容器的焊接裂紋修復過程提供了參考借鑒，保障了化工廠各類壓力容器的安全高效生產使用。