硝酸氧化爐封頭裂紋原因分析及改進

沙勇　張彭博

摘要：硝酸氧化爐封頭冷旋后，小“r”部位出現表面裂紋，本文從無損檢測、材料、焊接及理化檢驗等方面，分別進行分析，闡述了裂紋產生的原因，并提出改進措施。

關鍵詞：封頭；冷旋；裂紋

Cause and Measures for Head Surface Crack of Nitric Acid Oxidizing Furnace

Sha Yong Zhang Pengbo

（210058 Oschatz Energy & Environment （Nanjing） Co.， Ltd. Jiangshu Nanjing ）

Abstract：The crack happened to the head surface “r” location after the cold spinning procedure for Nitric Acid Oxidizing Furnace head. Due to that， this paper， based on the NDE ， material ， welding and The physical and chemical inspection ， analyses and elaborates the mechanism of these crack as well as the measures taken to resolve.

Keywords：Head，Cold Spinning，Crack

前言

某制造廠生產的36萬噸硝酸裝置反應器的封頭，型號：DHB5890*22， 材質：S32168 （06Cr18Ni11Ti）。該封頭由制造廠進行拼板焊接，焊接方法為雙面埋弧自動焊，封頭成形由某鍛壓公司采用冷旋壓工藝制作。封頭加工成形前，因旋壓工藝需要由鍛壓廠對拼板焊縫余高進行磨削去除。在封頭加工完成驗收時，發現封頭拼接焊縫表面有裂紋形貌，隨后該公司技術及檢驗部門立即對兩個封頭進行全面的檢驗，從中發現了裂紋產生的原因并采取了適當的處理措施，確保了產品質量。

1.裂紋發生部位和形貌

據觀察封頭裂紋發生部位均在封頭曲率較大的小“r”部位，所有裂紋均在與焊道平行的熔敷金屬上，裂紋呈線狀，沒有分支（詳見下圖1）且都處于焊縫焊道搭接的凹陷處和砂輪打磨的尖端劃傷部位。

2.裂紋成因分析

本文主要從原材料、焊接、無損檢測、理化檢驗等方面對裂紋產生的原因進行分析。

2.1 無損檢測進行確認分析

針對封頭焊縫表面裂紋，我們對焊縫內外表面進行拋光處理后100% PT和RT檢驗， 從PT檢驗的結果可以看出裂紋的形貌特征，見圖1。射線檢測的效果不如滲透檢測明顯。滲透檢測發現，裂紋存在于焊縫表面凹坑和砂輪打磨的劃傷部位，封頭內表面焊縫幾乎沒發現存在裂紋。

2.2 母材表面進行PMI材料確認

在裂紋附近母材上用德國產SPECTRO TEST TXC25移動式光譜分析儀進行化學成分分析，分析結果及標準要求見表1。由數據可知，封頭母材化學成分符合GB24511-2009《承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶》中S32168 材料的要求[1] 。

2.3 焊接方面進行分析

對 WPS 和PQR進行審核，表明其符合NB/T47015標準的要求[2]， 焊工施焊記錄和WPS的對照見表2，從表中的數值可以看出，實際操作完全按照WPS的規定，因此可以排除過大的焊接熱輸入引起的熱裂紋的可能性。

2.4 理化試驗分析

2.4.1金相檢驗

分別對裂紋附近焊縫及母材進行了金相檢驗，在金相顯微鏡200倍下觀察，顯微組織見圖2，從金相照片可看出，母材與焊縫組織熔合良好，母材組織為奧氏體，熔合線靠近焊縫一側存在少量魏氏組織，焊縫區為鐵素體+少量點條狀的珠光體組織。焊縫及熔合區組織為未經固溶處理的正常奧氏體不銹鋼焊縫組織形貌。

2.4.2 裂紋附近及直邊段的硬度測試

對裂紋附近及直邊段的硬度測試數據見表3，從表3數據可看出，直邊段的硬度值HBW均小于217，符合GB24511-2009標準中S32168材料的要求，表明封頭使用的母材不銹鋼出鋼廠時固溶處理效果比較理想，經冷旋壓加工，盡管會產生加工硬化，但對母材影響不是特別明顯。從表3還可看出，裂紋附近（小r處）的硬度值比直邊段硬度值高，這是由于焊縫區的組織（F+少量點條P）和鋼板冷作硬化所共同作用的結果。

2.5 封頭變形率的控制

對封頭（焊縫）纖維變形率的測算（按GB150-2011《壓力容器》第四部分第8.1.1條）：

計算結果表明該封頭的最大纖維伸長量僅為1.62%，小于標準[3]中關于奧氏體不銹鋼變形率不大于15%的規定（注：本文中的硝酸裝置反應器的設計溫度為350℃左右），按標準規定，是可以免于加工成型后的熱處理工序。因此，推斷熔敷金屬因過量應變產生的裂紋的可能性不大。

2.6裂紋深度的確定

對典型裂紋部位進行打磨處理，打磨后，PT檢測確認裂紋已清除干凈，裂紋打磨深度均不超2mm，說明封頭裂紋是表面裂紋。

2.7裂紋產生的機理

通過以上的分析，排除了原材料及焊接引發裂紋的可能性。由于裂紋大都平行于焊縫，位于焊道搭接處且都是打磨不徹底留下的凹槽部位或粗砂輪打磨將金屬表面劃傷留下尖銳劃痕部位，且集中發生在封頭變形量較大的小“r”區封頭外表面，并且是表面裂紋， 故產生焊縫裂紋的直接原因是：由平行于焊縫的表面尖端凹槽在封頭成形過程中產生的應力集中引發的；焊縫區組織與母材組織之間存在組織差異，產生組織應力，并且封頭在冷旋壓過程中，軋輥對封頭表面的擠壓使金屬表面硬化促使裂紋擴展。

3.處理及預防措施

3.1裂紋技術處理

對已經產生了裂紋的封頭，我們采取了下列補救處理措施：

（1）用砂輪機打磨清除裂紋缺陷；

（2）打磨后進行PT檢測直至裂紋徹底清除；

（3）按原WPS進行焊接；

（4）100% PT和RT 檢測，確保焊縫區不再有裂紋存在。

3.2 預防措施

針對封頭裂紋產生的原因，可以采取下列措施進行預防：

（1）在冷旋壓之前，應做好拼接板材的目視檢驗，焊縫余高打磨后，母材與焊縫應圓滑過渡，不能存在凹槽、劃痕等應力集中的棱角區域。

（2）打磨后，焊縫應進行100%滲透檢測，確保旋壓前無表面裂紋缺陷。旋壓后，焊縫內外表面再進行100%PT檢測。

（3）封頭拼接焊縫旋壓前最好進行100%射線檢測，確保焊縫內部檢測合格。冷旋壓后，小“r”部位再次RT檢測。

（4）有條件的情況下，封頭冷旋壓后，最好立即進行固熔處理：一方面，可以消除焊縫區的組織與母材的組織差異，使焊縫區的組織轉變為奧氏體，降低了焊縫區和母材區的組織應力，增強了焊縫區的耐腐蝕性能；另一方面，可以使封頭在冷旋壓過程中形成的加工應力得以釋放，降低了裂紋發生的誘發因素。

（5）封頭拼縫焊接時，應盡可能采用低焊接線能量，并嚴格控制層間溫度，盡量采用小電流、快速焊、快冷卻的焊接工藝，盡可能降低焊接應力。

4.結論

通過以上的檢驗和分析，可以看出本案例中封頭焊縫產生裂紋的原因主要是，因焊縫表面打磨不當產生（或留下）的尖銳劃痕在冷旋壓過程中導致的應力集中引發的。本文根據裂紋產生的原因，提出的預防措施，在實際應用中成功避免了此類缺陷的產生，確保了產品質量。

參考文獻：

[1]GB24511-2009.承壓設備用不銹鋼鋼板及鋼帶[S].

[2]NB/T47015-2011.壓力容器焊接規程[S].

[3]GB150.4-2011.壓力容器[S].

作者簡介：

沙勇（1967.8—），男，漢，質量保證工程師，從事鍋爐、壓力容器制造檢驗和質量管理20余年，無損檢測方面資深人士。