不銹鋼復合板焊接裂紋預防措施

杜俊杰，霍朝陽

（石油化工工程質量監督總站天津石化分站，天津 300270）

在石化設備現場組焊過程中，經常需要對不銹鋼復合鋼板進行組對焊接。不銹鋼復合鋼板通常是由一層珠光體鋼作為基層材料，以滿足強度、剛度和韌性等力學性能要求，復層一般為不銹鋼材質，以滿足耐腐蝕性要求。

復合鋼板是由兩種不同金屬復合而成，焊接屬異種鋼焊接。由于不同金屬的化學成分、物理、化學性能差別很大，可焊性差。在焊接中稍有不慎，就可能沿焊縫方向產生裂紋，返修補焊也往往會產生新的裂紋。

一、案例

某新建E O/EG裝置，E O汽提/再吸收塔設備C-6404與其內部冷凝器E-6405為一臺裝備，在設備分交時，C-6404分為上下兩段，中間插入再吸收塔內冷凝器E-6405，自E-6405上下管板處分界，分三段供貨，現場組焊為一整體，具體見表1、圖1。現場有兩條組裝環焊縫。

表1 設備主要設計數據

汽提塔C-6404上、下塔體為16MnR＋00Cr19Ni10復合板，下塔體厚度為28mm+3mm，上塔體厚度為18mm+3mm。冷凝器E-6405為固定管板式結構，管板為16MnR，厚137mm，表面堆焊304L不銹鋼，現場形成60°坡口的上下兩道大角焊縫，設計要求內層焊不銹鋼。

原焊接工藝，焊條選用基層J507、過渡層A062、復層A002，焊接順序為先焊基層，再焊過渡層，最后焊復層。但因設備結構限制，實際安裝過程中無法按上述焊接順序實施焊接，實際焊接順序只能為復層→過渡層→基層。

按照一般不銹鋼復合板焊接規程，基層的焊接用過渡層焊材焊接。焊接完成后，發現下塔體與管板角焊縫處有大面積裂紋產生，有裂紋的焊縫長度占焊縫總長約2/3，既有縱向裂紋，也有橫向裂紋，縱向裂紋最長達500～600mm。

二、原因分析

焊接殘余應力和淬硬組織的存在是導致焊接冷裂紋的主要因素，殘余氫的存在可促進裂紋的發生和擴展。

1.殘余應力

冷凝器管板厚度137mm，表面堆焊不銹鋼，因設計圖紙未明確提出焊后消應力熱處理，制造單位未對管板進行消應力熱處理，管板自身應力較大。設備進場后實測，塔體最大橢圓度達35mm，施工單位在未校圓的情況下組對焊接，造成較大焊接殘余應力。結構設計上未充分考慮到實際施工的可操作性，造成不銹鋼復合板焊接順序不合理，且下環口為仰臉橫縫焊接，現場焊接操作難度大。

2.焊接熱應力

在不銹鋼復合板焊接中，由于兩種金屬物理性能的不同，如熔化溫度、線膨脹系數、熱導率等的差異，影響焊接的熱循環過程、結晶條件，降低焊接接頭質量。線膨脹系數相差較大時，會引起較大的焊接殘余應力和變形，易使焊縫和熱影響區產生裂紋。

本案中珠光體鋼16MnR、奧氏體304L導熱系數和線膨脹系數存在較大差異，見表2。由于奧氏體的導熱系數較低，熱膨脹系數較大，膨脹變形較大。接頭在冷卻時奧氏體比珠光體鋼收縮變形大，而基層金屬卻束縛著過渡層金屬的收縮。在焊縫方向上，如果焊縫上存在脆、硬的馬氏體淬硬組織，在熱應力的作用下極易產生裂紋，馬氏體組織越多，焊縫裂紋敏感性越強。

表2 珠光體和奧氏體鋼材的物理性能

3.馬氏體淬硬組織的形成

設備分三段運抵建設現場后，施工單位現場安裝組焊。復層采用A002(鈦鈣型超低碳Cr19Ni10焊條)，過渡層和基層采用A062(鈦鈣型超低碳Cr23Ni13焊條)。

母材、焊材的化學成分及鉻鎳當量的計算數值見表3。

表3 化學成分及鉻、鎳當量

鉻當量計算公式[C r]=1%C r+1%M o+1.5%S i+0.5%N b，鎳當量計算公式[N i]=1%N i+3 0%C+0.5%M n。

利用舍夫勒圖(圖2)分析過渡層焊縫組織構成。

在圖2中分別標出基層金屬16MnR相應成分點m，復層金屬304L相應成分點s，過渡層焊條金屬A062相應成分點f。

在實際焊接過程中，因設備結構限制，被迫采用先焊復層，再焊過渡層，最后焊基層的工序。過渡層是在復層金屬上焊接，復層金屬304L熔入過渡層焊縫的比例較高，則兩種材料成分混合后應在s、f連線中心偏左的位置，假設為a點，可以認為這就是待焊母材。具有a點成分的待焊母材再與基層金屬成分m相熔合后，構成焊縫金屬。其具體組成成分應落在a、m連線上，根據熔合比確定。從圖2可知，為使焊縫不出現馬氏體組織，基層熔合比大致應低于20%，實際焊接時極難控制，焊接電流或焊條擺動稍大，基層融合比就可能超出極限值，馬氏體組織產生幾率極大，幾乎難以避免。即使嚴格控制內復層和過渡層的融合比，比如混合成分在s、f連線中心偏右的b點，焊縫金屬組織如若不產生馬氏體，基層金屬熔入焊縫中的融合比至少應小于30%，控制難度極大。同時由于是冬季施工，組焊設備體積龐大，又無預熱和保溫，焊縫溫度降低較快也是促進馬氏體產生的因素。

4.其他因素

(1)碳遷移的影響。焊接時碳從低Cr的基層金屬向高Cr的不銹鋼復層焊縫金屬擴散遷移，因此在基層和復層的交界處形成高硬度的增碳層和低硬度的脫碳層，引起熔合區的脆化和軟化。

(2)焊縫的結晶裂紋。奧氏體結晶溫度區間很大，熔池結晶時枝晶晶界上存在的S、P等低熔點共晶物呈現薄膜狀，在拉應力作用下極易產生裂紋。

(3)焊接紀律等因素。焊接接頭附近油、水等污物處理狀況和焊條烘干、存放狀況的不良均可在焊縫中形成較多的殘余氫，焊后冷卻時如果沒有及時進行后熱處理，殘余氫會擴散聚集，對裂紋的產生起到促進的作用。

如果不能嚴格執行按合格焊評編制的焊接工藝，其他諸如焊接線能量控制、熔合比、熔深控制等因素，均會對焊接質量產生影響。

三、解決方法

減少應力和避免馬氏體淬硬組織的形成是問題解決的基本方向。

1.應力問題的解決

由于管板和管束漲焊已經完成，若此時對堆焊后的管板進行消應力熱處理，雖然有利于應力水平的降低，但對管束漲焊的影響不易判斷。考慮到介質的特殊性，此時熱處理不會獲得理想效果。對于設備對口處橢圓度超標問題，由于筒體直徑較大且內有不銹鋼復合層，加之相關設施的缺乏，現場無法完成筒體校圓工作。因此高應力問題現場無法解決，只能在避免或減少馬氏體淬硬組織形成上想辦法。

2.避免馬氏體淬硬組織的形成

雖然正常焊接順序為基層、過渡層、復層，這樣可以盡量減少碳遷移和合金元素的稀釋，避免馬氏體的形成和焊縫的脆化問題。但由于設備結構的特殊性，只能按復層、過渡層、基層順序焊接，在焊接過程中，由于基層金屬1 6 M n R的熔入，使得焊縫金屬合金成分被沖淡，要想焊縫中不產生馬氏體組織，必須保證焊縫中奧氏體形成元素N i的含量不低于一定值，Ni含量越高形成馬氏體的可能性就越低。本案在考慮到角焊縫的強度問題(304L在100℃時δs=118MPa，16Mn R在100℃時δs=163MPa)的同時，決定過渡層和基層焊接均采用高Ni焊條ENiF e-3，該焊材是低氫型Ni70Cr15鎳基合金焊條，Ni含量高，且熔敷金屬含有適量錳、鉬和鈮，具有較好的抗裂性。

四、返修施工基本方法及技術要求

1.原焊縫清理

鑒于E-6 4 0 5冷凝器已經組焊安裝在C-6 4 0 4塔下段，在焊縫清理時，發現部分裂紋已延伸至E-6 4 0 5管板焊縫熱影響區，無法繼續清理。因此，需將E-6 4 0 5整體及與其相接的C-6 4 0 4一段筒體一起割除。先將E-6 4 0 5帶C-6 4 0 4下段一節筒體吊到地面，放在電動托輥上進行返修，其返修步驟如下：

(1)為防止原焊縫焊趾處的裂紋向管板延伸，采用分層氣刨去除焊縫到復層，氣刨前用火焊把對焊縫進行預熱1 0 0～1 5 0℃，預熱范圍為焊縫寬度的3倍。然后用磨光機打磨焊道至冷凝器管板處。將C-6 4 0 4下段筒體取下后，分別清除筒體和冷凝器管板上的零星焊肉，再將筒體坡口及熱影響區處全部打磨干凈。筒體焊縫清理后，進行滲透檢測，確保坡口無裂紋。

(2)對冷凝器管板進行檢查，對于已延伸至管板熱影響區的裂紋，采用超聲波檢測，確定裂紋深度，然后采用磨光機打磨處理，確保裂紋不再延伸。

2.焊接

首先進行焊接評定，焊評合格后對裂紋部位打磨補焊修復，對未發現裂紋的區域也用E N i C r F e 3堆焊一層，焊接過程中嚴格控制焊接熔合比這一關鍵因素。

(1)對管板缺陷去除處進行補焊，采用E N i C r F e 3焊條。補焊前將補焊部位預熱到1 5 0℃方可施焊。

(2)對管板、塔體連接處進行重新焊接，采用E N i C r F e焊條；焊前焊接部位預熱到1 5 0℃方可施焊。焊接采用兩人1 8 0°同步同向焊接，焊接方法采用小電流、多層多道快速焊。層間溫度不得低于1 0 0℃。

3.焊接保證措施

(1)選用焊接技能高的優秀焊工，焊接前進行專題技術交底，明確焊接要求和施焊步驟，并安排焊工在鋼板上進行預施焊，以掌握E N i C r F e 3焊條的焊接特點。

(2)全過程監督現場鎳基焊材施焊。

(3)過程嚴格按照鎳基焊材焊接工藝進行。對于鎳基焊材，焊接易出現熱裂紋，特別是弧坑處容易出現熱裂紋要求施焊過程中，焊接電流不能太大。加強對弧坑的檢查和打磨。

(4)每焊接一層，及時打磨飛濺，著色檢查合格后，才能繼續施焊下一層。

4.檢驗

C-6404與E-6405角焊縫位置不適合射線、超聲檢測需分層進行滲透檢測。檢測位置為復層、過渡層、基層焊接一層檢查一次，直至基層焊完。檢測標準為JB/4730.5-2005，Ⅰ級合格。

5.熱處理

因設備殘余應力大，因此有必要對焊縫進行消除應力熱處理，熱處理參數如下：部位C-6404；壁厚28mm+3mm升溫速度50~160℃/h；保溫溫度560℃；恒溫時間1.2h；降溫速度210~50℃/h（<400℃時，自然冷卻）。

五、經驗總結

設計的優劣是裝備質量保障的前提，制造、安裝是保證裝備質量的基礎，任何環節的疏忽都會對設備最終質量產生影響。在本案中EO的爆炸極限為3%～100%，如果發生開裂泄漏，將嚴重威脅到裝置的本質運行安全。

焊接是一個復雜的系統工作，尤其復合鋼板焊接屬異種鋼焊接，焊接質量控制難度更大、更復雜，影響因素更多，任何環節的失控必將影響到接頭的焊接質量。因此必須嚴格執行焊接順序，合理選擇焊材，采用小電流、多道焊，避免焊條過度擺動，嚴控熔合比等各個細節，嚴格按照合格焊接評定工藝進行焊接，才能得到滿意的焊接質量。

[1]強天鵬.壓力容器檢驗[M].新華出版社.