17管干式除塵器焊縫裂紋失效分析

張 高， 馬衛鋒， 羅金恒， 陳志昕，馮耀榮，

（1.西安石油大學 石油工程學院，西安710065；2.中國石油集團石油管工程技術研究院，西安710065）

0 前 言

壓力容器是各種承受氣、液介質壓力密閉容器的通稱，使用中易發生各種事故［1］。近幾年我國天然氣產業發展快速，在全國各地建設了大量的天然氣場站。天然氣場站中的地面露天壓力容器主要有天然氣的儲配、調度分流、工藝處理等功能，主要包括分離器、過濾器、除塵器、清管設備等。

多管除塵器是一種利用離心分離的原理進行工作的壓力容器，當含塵氣體經除塵器入口，通過導向器進入等高排列的旋風子，顆粒在旋風子內受離心力的作用下，經灰斗排出，被凈化的氣體經芯管排出，達到凈化煙氣的目的。本研究分析了某17管干式除塵器中焊縫裂紋出現的原因，并提出了相關的建議。

1 基本情況

某干線天然氣管道場站位于北方寒冷地區，在全面檢測時發現一臺服役14年的17管干式除塵器有表面裂紋。該除塵器依據GB 150—1998《鋼制壓力容器》制造，容器長度為3 697 mm、內徑為700 mm，容器材質為20R、厚度22 mm，設計壓力6.4 MPa。

經過調研，該17管干式除塵器輸送的介質中含有天然氣，N2，CO2，H2S及游離水等成分，其中 H2S 的分壓為 2.2×10-3～1.04×10-2kPa， 依據標準NACE MR0175［2］中酸性環境的定義判斷， 該工作介質分壓小于0.3 kPa，不是酸性氣體。該除塵器近3個月的工作壓力在3.940~5.433 MPa之間波動，工作溫度為2.7~7.7℃。近三年最低環境溫度為-27.8℃。

2 檢測與試驗分析

為了分析裂紋成因，首先對17管干式除塵器進行了表面磁粉無損檢測，確定了裂紋位置和長度。然后根據無損檢測結果進行取樣分析，分別對筒體母材和存在裂紋的焊縫取樣進行化學成分分析、力學性能測試、金相試驗及掃描電鏡形貌分析和能譜分析。

2.1 無損檢測

將17管干式除塵器的筒體分為4個截面，每個截面選取6個點，使用超聲波測厚儀進行壁厚測量。測量結果顯示，除一個截面腐蝕減薄較嚴重外（減薄量為1.23 mm，腐蝕裕度為2 mm），其他3個截面減薄量小，均未超過腐蝕裕度，厚度均滿足使用要求。

使用CJZ-212E磁軛，依據相關標準對筒體以及焊縫進行磁粉無損檢測［3］，得到裂紋缺陷的位置及尺寸，如圖1所示。其中Z1，Z2為縱向焊縫，H1，H2，H3為環向焊縫。結果表明，除H2焊縫外，其余4條焊縫表面均發現不同長度的裂紋缺陷。所有焊縫外表面裂紋形貌特征相似，選取典型的縱焊縫Z2上的裂紋（長度為250 mm）進行金相和電鏡分析。圖2為該裂紋的宏觀照片。

圖1 裂紋位置及尺寸示意圖

圖2 典型裂紋宏觀照片

2.2 化學成分分析

使用ARL 4460直讀光譜儀，對母材和焊縫進行化學成分分析，結果見表1。同時對比了GB 6654—1986《壓力容器用碳素鋼和低合金鋼厚鋼板》中對該除塵器材質20R鋼的化學成分要求，可以看出，4條有裂紋焊縫的Mn含量均高于標準［4］要求，Mn含量超標將降低焊縫的抗腐蝕性能及焊接性能［5-6］。

2.3 力學性能測試

使用SHT 4106萬能試驗機和WE-600A試驗機對母材和縱焊縫分別進行拉伸和彎曲性能測試。拉伸試驗取全壁厚板狀試樣，彎曲試驗取矩形試樣，試驗結果見表2。對比相關標準［5］，得出除塵器的拉伸和彎曲性能滿足要求。

采用JBN-500試驗機，對17管干式除塵器的筒體和縱焊縫進行夏比沖擊性能測試。夏比沖擊試樣規格為10 mm×10 mm×55 mm的V形缺口試樣，試驗溫度為-20℃和20℃。試驗結果見表3。可以看出，筒體及熱影響區的夏比沖擊功滿足標準要求，焊縫Z2的-20℃沖擊功小于18 J，不能滿足標準［7］要求和技術規定，說明焊縫低溫韌性較差。

表1 取樣化學成分分析結果%

表2 試樣的拉伸及彎曲性能

表3 試樣的夏比沖擊性能

2.4 金相試驗

對除塵器Z2焊縫試樣進行形貌分析。通過與焊接工藝規程中接頭結構（圖3）的對比可以看出，Z2焊縫接頭宏觀形貌明顯與焊接工藝規程中的接頭結構不符，表明焊接工藝控制不嚴格。

采用MEF3A金相顯微鏡和MEF4M金相顯微鏡對除塵器母材和Z2焊縫進行金相分析，分析結果見表4。可以看出，焊縫中并未出現對冷裂紋十分敏感的馬氏體組織，因此基本排除外表面裂紋為冷裂紋的可能性。

對Z2焊縫裂紋進行金相分析，除了已發現的外表面裂紋，還發現了多處內表面裂紋，裂紋位置和深度見表5。

Z2焊縫裂紋的顯微組織如圖4所示。從外表面焊縫裂紋金相檢測結果可以看出，裂紋起源于外表面焊縫熔合線處，與表面基本垂直，開口大，尖端細小，呈V字形，均為先開裂后腐蝕特征，腐蝕產物呈灰色非金屬物質，沿裂紋邊界產生并生長，形態較致密，裂紋附近及其附近焊區組織無異常。

圖3 焊縫焊接接頭宏觀形貌與焊縫接頭簡圖

表4 除塵器母材和Z2焊縫金相分析結果

表5 焊縫裂紋金相分析結果

內表面焊縫裂紋起源于內表面熔合線處，裂紋寬窄不一，裂紋內有灰色非金屬物質，靠裂紋中心非金屬物質較疏松，為外來夾雜物，裂紋尖端附近非金屬物質較致密，為裂紋產生后受工作介質影響形成的腐蝕產物；裂紋附近及其附近焊區組織無異常。同時，焊縫內表面存在未焊透焊接缺陷，并且在未焊透缺陷處由于應力集中而產生裂紋。

圖4 Z2焊縫裂紋顯微組織

采用TESCAN-Ⅱ型電子掃描鏡對Z2焊縫裂紋內外表面斷口進行分析，分析結果如圖5所示。可以看出，外表面焊縫裂紋斷面腐蝕產物主要為氧化鐵，為外裂紋在空氣中腐蝕產物。內表面焊縫裂紋夾雜物含有一定數量的Ca，Si，Al等元素，明顯為外來雜質，應為焊接過程中帶入焊縫中。

圖5 內外表面裂紋斷面掃描電鏡形貌及能譜分析

3 分析與討論

（1）無損檢測結果表明，除塵器Z1和Z2縱焊縫處發現多處裂紋，而環焊縫僅在H1環焊縫和H3環焊縫處發現裂紋，H2環焊縫未發現裂紋；

（2）對比縱焊縫接頭金相宏觀形貌和焊接工藝規程接頭結構簡圖可知，縱焊縫焊接工藝規程控制不嚴格。檢測的4道焊縫Mn含量均高于標準規定最高值，且局部焊縫-20℃夏比沖擊功小于18 J，最低為6 J，表明局部焊縫韌性較差；

（3）內外焊縫表面裂紋均起源于焊趾應力集中處，外表面裂紋沿焊縫表面垂直方向擴展，縱焊縫Z2內表面裂紋沿夾雜物方向擴展。

針對以上結論建議：

（1）嚴格按照焊接工藝規程進行焊接，避免夾雜、未焊透等焊接缺陷的產生，并保證焊縫各項化學成分指標與力學性能滿足制造標準要求；

（2）立即采用磁粉檢測技術對目前正在服役的同批除塵器進行焊縫外表面檢測，采用小晶片探頭和高頻率超聲波技術手段對焊縫內表面進行全面檢測。出現焊縫裂紋問題的除塵器位于北部冬季寒冷地區，因此應對低溫地區運行的同批除塵器密切監測，縮短檢測周期。

［1］胡波.壓力容器失效診斷及專家系統研究［D］.武漢：武漢理工大學材料科學與工程學院，2004.

［2］NACE MR0175，油田設備用抗硫化物應力開裂金屬材料［S］.

［3］JB/T 4730.4—2005， 承壓設備無損檢測［S］.

［4］GB 6654—1986， 壓力容器用鋼板［S］.

［5］DORSCHN K E，陳裕川.受壓容器用鋼焊縫金屬的性能［J］.化工與通用機械，1979（05）：49-56.

［6］劉建容，張萬靈，劉正生.錳對鋼材耐大氣腐蝕性的影響［J］.鋼鐵研究，2010（04）：13-15.

［7］GB 150—1998， 鋼制壓力容器［S］.

［8］劉建容，劉正生，張萬靈.低合金鋼大氣腐蝕性能的研究［J］.鋼鐵研究，2000（06）：19-21.

［9］GB/T 6394—2002，金屬平均晶粒度測定方法［S］.

［10］GB/T 10561—2005，鋼種非金屬夾雜物含量的測定—標準評級圖顯微檢驗法［S］.