裂解爐爐膽焊縫裂紋原因分析及焊接修復

張 鵬， 付一川， 趙振旭， 屈海東， 劉 杰， 梁 艷， 冶維財

1. 甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100

2. 蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730050

3. 甘肅嘉峪關宏晟電熱有限公司，甘肅 嘉峪關 735100

4. 中核四〇四有限公司第一分公司，甘肅 嘉峪關 735100

0 引言

氨分解裝置由熱交換器和裂解爐兩部分組成，是利用氨氣制氫的重要設備。氨氣經熱交換器預熱后進入裂解爐，在鎳觸媒作用下分解成含氫75%、含氮25%的混合氣體（體積比）。分解氣體經熱交換器進行熱量回收和冷卻，最后通過儲氣罐暫存后使用。裂解爐爐膽是復雜的梅花形柱狀焊接結構，如圖1所示，外部由上下兩個橢圓形封頭焊接17根管束組成；內部由一根鋼管和上下兩個氣包組成，現場立式安裝使用。設備運行時，介質由中間鋼管自上向下直接進入底部氣包，再通過底部氣包周圍的散射短管向四周均勻分布，并從外部梅花柱狀管束底部中進入后自下而上進入頂部氣包，在外部管束內的催化劑作用下實現氨的高溫裂解，生成了氫氣和氮氣。設備前期運行溫度為750 ℃，后期運行溫度為800～850 ℃，工作壓力0.4 MPa。

圖1 裂解爐爐膽結構Fig.1 Structure of cracking furnace

中核四○四有限公司某廠氨分解裝置經過1年多的高溫運行后檢修，將裂解爐爐膽拆卸吊出后發現爐膽管焊縫接頭有多處肉眼可見的裂紋，做著色滲透檢測后又發現多處裂紋，如圖2所示。

圖2 裂解爐爐膽焊接接頭裂紋Fig.2 Cracks of welded joints in pyrolysis furnace gallbladder

1 裂解爐爐膽裂紋原因分析

1.1 應力腐蝕開裂

裂解爐爐膽材質為S31008耐熱不銹鋼，牌號為06Cr25Ni20，屬Fe-Cr-Ni 系合金，其基體組織為單相奧氏體，S31008 鋼管物理性能見表1。在單相奧氏體的微觀組織中σ 相析出較慢，在高溫停留很長時間（750～850 ℃，2 800 h）就會產生σ 相（σ 相形成的溫度區間是600～900 ℃）。σ 相是一種脆硬的二次相，是對不銹鋼性能影響最大的金屬間相，且隨著加熱溫度的升高、保溫時間的延長，脆化趨于嚴重，嚴重影響焊縫服役壽命［1-2］。

表1 S31008鋼管物理性能Table 1 Physical properties of S31008 steel pipe

裂解爐爐膽在750～850 ℃高溫環境下長期工作2 800 h以上，老化程度為1.5級（輕度老化），此時單相奧氏體不銹鋼組織會出現鐵素體（見圖3）并形成導致脆化的富鉻Cr23C6碳化物。當鐵素體組織中鉻含量高于奧氏體組織含量，脆硬組織σ 相加速形成而導致母材的塑性和韌性降低［3-6］。此外，奧氏體晶間的碳化物及σ 相還會引發局部區域的點蝕現象，這是應力腐蝕開裂的根源。

圖3 工作2 800 h后的母材組織Fig.3 Base material organization after 2 800 hours of work

裂解爐爐膽裂紋是在運行15 000 h 后，由于高溫爐管突發停電后再次啟動時發現。該裂紋從表面開始向內部擴展并且斷口被氧化，裂紋的尖端出現分支，沒有明顯的塑性變形，斷口宏觀組織呈細顆粒狀（見圖4）。該爐膽使用15 000 h后，老化程度為3級（中度老化）。經焊縫金相組織分析（見圖5），微觀組織為粗大的柱狀晶奧氏體+沿柱狀晶分布的碳化物，形貌呈冰糖狀，并伴有腐蝕產物的泥狀龜裂的特征。奧氏體不銹鋼在長時間高溫運行中沿晶界連續析出網狀脆性Cr23C6碳化物，在工作應力作用下裂紋沿晶界擴展，造成沿晶界斷裂（見圖6）。

圖4 斷口形貌Fig.4 Morphology of the fracture

圖5 工作15 000 h后的焊縫組織Fig.5 Weld seam organization after working for 15 000 hours

圖6 沿晶脆性斷裂Fig.6 Fracture along the crystal

1.2 導致應力腐蝕開裂的其他因素

1.2.1 溫度

通過現場設備運行記錄數據可以發現，裂解爐爐膽初始的運行溫度為750 ℃，但后期一直處在800～850 ℃的運行環境中。金屬材料的塑性隨著溫度的升高而增加，但當金屬長期處于高溫環境中，金屬的塑性會隨著運行時間的增加而降低。同時，焊接過程中不均勻的溫度場不可避免地會產生焊接殘余應力和變形［7］。奧氏體不銹鋼由于碳元素的存在，雖在高溫下有高的強度和蠕變強度，但當溫度超過800 ℃時，金屬材料在性能上開始軟化，其許用應力也會持續降低。

1.2.2 材料尺寸

一般情況下，焊接殘余應力場取決于幾個主要因素：材料性質、結構尺寸、外部約束條件以及焊接熱過程。在實際使用過程中，由于材料結構的變化，某些區域受到的應力會高于其他區域受到的應力或應力的平均值。由于橢圓形封頭與中間接管、中間接管與管束的直徑差較大，材料尺寸的不一致引起應力集中，造成無法同步收縮，形成殘余拉應力。

2 S31008 奧氏體耐熱不銹鋼的焊接性分析

2.1 熱裂紋傾向較大

S31008 奧氏體耐熱不銹鋼具有較高的熱裂紋敏感性，在焊縫區和熱影響區都可能產生熱裂紋，并以結晶裂紋為主［8-9］。結晶裂紋容易在單相奧氏體鋼焊縫中產生，它們都是沿柱狀晶的晶界分布，焊道結晶時隨著柱狀晶的不斷長大，合金元素與不純物不斷被排擠到焊道的中心或平行生長的柱狀晶交界處形成成分偏析的現象。當焊道凝固收縮時，造成了收縮拉應力，往往晶界間的共晶承受不了這種收縮應力，結果就在交界處形成了結晶裂紋。大多數裂紋呈縱向分布在焊縫中心線，有一些也呈弧形分布在焊縫中心線兩側，且這些弧形裂紋與焊道波紋呈垂直分布，縱向裂紋較長、較深，而弧形裂紋較短、較淺，弧坑裂紋也屬于結晶裂紋（見圖7、圖8）。液化裂紋一般出現在靠近熔合線的近縫區，多層多道焊接時，層間焊縫也會出現液化裂紋。

圖7 焊接結晶裂紋Fig.7 Welding crystalline crack

圖8 焊接結晶裂紋組織Fig.8 Welded crystalline crack structure

奧氏體不銹鋼裂紋敏感性主要取決于化學成分。對于單相奧氏體S31008不銹鋼來說，其雜質含量高，特別是硫、磷含量的增加會使焊接金屬中的焊接結晶裂紋風險加劇。同時，在焊接返修過程中，在剛性拘束度較大的焊接工藝條件下施焊也增加了開裂敏感性。

在焊接過程中，使用大電流焊接（熱輸入較高）或焊接速度過快，焊道未焊滿產生凹陷以及焊道收尾未填滿弧坑也容易造成結晶裂紋。

2.2 晶間腐蝕

晶間腐蝕是一種局部腐蝕形式，它從表面開始沿晶界向內發展，降低內聚應力導致材料強度損失。同時，它與雜質的偏析或一種合金元素沿晶界的消耗有關，這也被稱為“敏化”，通常在425～815℃溫度范圍內的不銹鋼和鎳基合金中出現。

焊縫區和熱影響區在加熱到600～1000℃敏化溫度區間時在奧氏體晶粒邊界易析出碳化鉻造成晶界附近貧鉻，降低了晶界區抵抗腐蝕能力［10］。

3 焊接返修工藝

3.1 焊接方法的選擇

氨裂解爐形狀復雜，S31008單相奧氏體耐熱不銹鋼在焊接過程中容易產生熱裂紋。因此，選擇保護效果好和合金元素過渡系數高的鎢極氬弧焊更容易保證焊縫成分。鎢極氬弧焊熱量集中，熱影響區小，晶粒長大傾向小，在返修過程中能夠有效地控制熱輸入且焊接質量高。

3.2 焊接材料的選擇

焊接材料選擇為與母材的化學成分和力學性能相匹配的ER310不銹鋼TIG焊絲。焊絲化學成分如表2 所示。焊絲熔敷金屬力學性能為：抗拉強度610 MPa，斷后伸長率38%。

3.3 焊前準備

首先對氨裂解爐內膽氣體進行全系統氮氣置換，在放空口用手持式檢測儀進行檢測，無氨氣、氫氣視為合格，后續焊接時通氬氣進行背面保護。

隨著我國風電的不斷發展,風電裝機容量不斷增加,風電并網比例也極大提升。圖1為2010—2017年我國的風電裝機容量。圖2為我國“十三五”電力系統規劃中非化石發電量的占比。風電并網將會給電力系統帶來兩方面的影響,一是風電機組將會替代一部分傳統化石能源機組出力,減少化石能源的消耗以及污染物的排放,符合我國“十三五”電力系統規劃的要求;二是為解決風電并網后所帶來的風電消納問題,系統將配置更多的旋轉備用去消納風電,不僅會導致系統成本上升,而且在某些極端情況下,風電解列還會造成大量的功率缺額,使整個電力系統面臨風險。因此,對風電備用問題的研究具有極為重要的現實意義和工程意義。

其次對焊接區域裂紋進行檢查清除，并制備打磨成50°～60°坡口，鈍邊1～1.5 mm，清理坡口周圍20mm 范圍內的氧化物及雜質，最后用滲透方法檢測確保焊接區域再無裂紋缺陷。

3.4 焊接工藝參數

焊接工藝參數如表3所示。

表3 氨裂解爐焊接返修工藝參數Table 3 Welding and rework process parameters of ammonia cracking furnace

3.5 焊接返修操作要點及工藝分析

3.5.1 防止焊縫污染，穩定化學成分

焊接前要重視對焊道和焊道周圍進行清理，打磨后先用鋼絲刷清理，再用丙酮或無水酒精擦拭。在焊接過程中每次停弧和重新起焊時，應剪去氬弧焊焊絲頭部氧化的部分，主要目的是去除氧化物及雜質。單相奧氏體耐熱不銹鋼雜質含量高，特別是硫、磷含量高，會增加焊縫金屬的凝固裂紋傾向，硅和鈮是有害雜質，都會促使熱裂紋產生。

3.5.2 減小熔合比，降低焊接熱輸入

采用小坡口方式控制熔合比，減小母材的稀釋作用，得到理想的單相奧氏體組織，保證焊縫金屬的抗裂性能。焊接時用小電流、快速焊，不擺動單道焊，以減少在敏化溫度的停留時間。

3.5.3 消除淬硬組織，減小焊接應力

σ 相是一種脆硬的二次相，主要析集于柱狀晶的晶界，它是對不銹鋼性能影響最大的金屬間相，嚴重影響力學性能、耐蝕性能和焊接性能［1］。Cr25-Ni20 型單相奧氏體焊縫在800～900 ℃加熱時將發生強烈的γ→σ的轉變。焊后用水冷快速冷卻，待溫度降低到50 ℃以下再焊下一道，有助于遏制600～850 ℃碳化物的析出，消除后續焊道引起的晶界腐蝕敏化。

焊接應力是引起裂紋的力學因素。奧氏體耐熱不銹鋼導熱率小，線膨脹系數大，焊縫在局部加熱和冷卻的過程中在焊縫金屬和近縫區就會產生較高的拉應力，可以采用短焊道，合理安排焊接順序，分段退步焊接。焊接時不在母材上隨意引弧，焊道填充金屬可以稍微凸起，避免凹陷，焊道邊緣過渡圓滑，收弧時采用衰減電流的方法填滿弧坑，避免應力集中，焊后錘擊能夠有效消除和降低焊接殘余應力。

4 焊后檢測

按照NB/T 47013—2015《承壓設備無損檢測》標準進行無損檢測（A、B 類焊縫必須進行100%RT檢測，且合格級別為B級/Ⅰ級合格；C、D、E級焊縫必須進行100%PT檢測，且合格級別為A級/Ⅰ級合格）。

修復后的焊接接頭金相組織如圖9所示。圖9a焊縫金屬組織主要為奧氏體基體，其中黑色點粒狀組織為鐵素體。圖9b 中焊縫與母材熔合線清晰規則，熔合情況良好，焊接接頭從左向右依次為焊縫、熔合區、熱影響區和母材。

圖9 分段退步焊接Fig.9 Segmented regression welding

圖10 焊接修復后焊接接頭金相組織Fig.10 Metallographic structure of welded joint after welding repair

5 結論

（1） 氨分解裝置裂解爐爐膽使用15 000 h 后，老化程度為3 級（中度老化），微觀組織為粗大的柱狀晶奧氏體+沿柱狀晶分布的碳化物。奧氏體不銹鋼在長時間高溫運行中沿晶界連續析出網狀脆性相，在工作應力作用下裂紋沿晶界擴展，造成沿晶界斷裂。

（2）選擇ER310焊絲和鎢極氬弧焊進行S31008奧氏體鋼的焊接。選用合理的焊接工藝能夠獲得奧氏體+鐵素體的焊縫組織，既可以提高金屬的抗裂性能，又不降低焊縫金屬的高溫性能。

（3）修復后的裂解爐爐膽又正常使用了1年零6個月，驗證說明該修復方案合理有效，為解決單相奧氏體不銹鋼的焊接修復提供了借鑒價值。