蒸發器加熱室焊縫開裂的原因及措施探討

黃世省

摘要：現代社會，隨著經濟和工業技術的不斷發展，氧化鋁廠的產能也越來越大，發展到現在已達到單條生產線120萬噸/年，在形成規模效應的同時，也對生產線的設備質量提出了更高的要求。本文主要對溶出系統的蒸發器加熱室管板焊縫開裂的原因進行分析和研究，初步確定應力腐蝕—堿脆是導致焊縫開裂的主要原因，在對蒸發器進行焊接的過程中焊接殘余應力是導致蒸發器焊縫開裂的主要應力，并針對性地提出了一些相應的預防措施。

關鍵詞：蒸發器；焊縫開裂；原因；措施；研究

蒸發器是氧化鋁工程確保形成氧化鋁生產能力的關鍵設備，設備直徑為3m～5m不等，由加熱室和分離器組成，總高度約為17m左右。主要材質為Q345R，板厚依設備直徑和工作壓力不同而不等，一般為10～30mm，加熱室管板厚度為70mm～120mm。設備工作壓力范圍在-0.1～4MPa不等，工作溫度在140～250℃，屬Ⅰ～Ⅱ類鋼制壓力容器。焊縫接頭系數為1.0，A、B類焊縫100%射線檢測，符合JB4730中Ⅱ級以上為合格。設備焊后要求整體熱處理。加熱室為管殼式熱交換設備，殼程介質為蒸汽，管程介質為Na2AlO2料液；設備在使用過程中，由于受到Na2AlO2料液的腐蝕作用，管程中的換熱管、管板使用壽命大為縮短，停車檢修和更換費用使運營成本大為提高。特別是管板由于堿脆開裂失效，導致極大的浪費。加熱室中的管板、換熱管在使用過程中由于堿脆導致的設備失效，是影響設備使用壽命的關鍵因素，預防和減輕堿脆、延長設備的使用壽命是設備制造不可忽視的命題。

在我公司為某鋁業公司檢修過程中，就碰到了Ⅰ效加熱室堿脆導致管板開裂失效的事件，不得已委托我公司制作新設備進行更換。停產檢修更換給鋁業公司帶來了巨大損失。為了避免類似事件發生，我公司對該設備堿脆失效原因進行了分析研究，并提出了一些制造過程中的預防措施。

1、加熱室焊縫開裂原因分析

（1）設備堿脆現狀

該Ⅰ效加熱室為管殼式熱交換設備，殼程介質為蒸汽，管程介質為Na2AlO2料液；工作溫度殼程為200℃，管程為160℃；工作壓力殼程為-0.1～0.6MPa，管程為-0.1～0.6MPa，屬Ⅰ類壓力容器。殼體材料為16MnR（Q345R），板厚16mm；殼程管板材料為16MnR（Q345R），板厚70mm，換熱管材料為P265GH ENl0216-2+S.C（注：機械結構碳素鋼，日本產的一種碳素鋼無縫管。），規格為￠54×2.6mm。蒸發加熱面積為1500m2。我們在對該容器進行檢查發現，加熱室內部所有與液體介質接觸的部位在焊縫上都出現了不同程度的開裂的現象，特別是管板與筒體的角焊縫開裂最為嚴重。按照裂紋所處的位置以及裂紋的相關走向進行分類，可以分為以下主要幾類：一是沿著管板內熔合線進行擴展的裂紋；二是沿著焊道擴展的焊縫縱向裂紋；三是位于焊縫內部、橫過焊道擴展的焊縫橫向裂紋。在這三種焊縫裂紋中尤其以熔合線裂紋的出現是最多的，而且裂紋的危險程度也是最高的，一旦出現熔合線裂紋，大多是在焊縫雙側出現開裂的現象。

（2）試件分析

為了分析蒸發器焊縫開裂的原因和性質，我們從蒸發站現場更換下來的加熱室殼體與管板焊縫開裂部位切取試件進行分析研究。試件的尺寸為60mm×50mm×16mm，從試件表面進行外觀檢查就會發現，試件內壁和外部都出現了嚴重的銹蝕現象，而且試件大部分的銹蝕都出現了暗褐色，在一些局部的區域出現了紅棕色，而且不用借助任何的工具，通過肉眼就可以清晰的看見在試件的焊縫處出現了比較明顯的裂紋，我們分別進行了宏觀檢驗和金相分析。

1）宏觀檢驗

我們通過肉眼和低倍放大鏡對試件進行宏觀檢驗，經過仔細觀察，可以發現試件出現的裂紋是比較多的，我們將這些裂紋進行分類主要是可以分為熔合線裂紋、焊縫縱向裂紋和焊縫橫向裂紋三類，如下圖所示。通過試件宏觀檢驗表明，焊縫開裂試件中出現的所有裂紋其實主要是來源于內壁，然后是逐漸的向外進行擴展的，而且在擴展的過程中還出現了一些分叉。

a.焊縫縱向裂紋 b.焊縫橫向裂紋 c.熔合線裂紋

2）金相檢驗

金相檢驗試樣采用冷法加工磨制。在金相顯微鏡下用不同的倍率分別對焊縫縱向裂紋、橫向裂紋和熔合線裂紋進行觀察就會發現：

①各種裂紋的擴展途徑曲折延伸；

②熔合線裂紋的出現主要是位于焊縫熱影響區，與焊縫的擴展方向平行；

③裂紋存在著顯微分叉現象；

④焊縫的金相組織出現了復雜情況，主要是由多種形態的鐵素體和滲碳體組成。

3）相關的結論

通過對試件進行宏觀分析和微觀分析，我們是可以得出以下的結論：

①加熱室焊縫試件的裂紋都是來源于內壁，說明這些的裂紋的出現是與加熱室內的介質是有關系的。

②加熱室焊縫試件的裂紋主要是起源于焊接接頭區內。通常在相關的焊接結構中，焊接接頭是一個比較薄弱的環節，存在較高的焊接殘余應力和各種各樣的焊接缺陷。在加熱室的焊接接頭處出現了裂紋，說明這種裂紋的出現是與接頭區內的許多缺陷是有關的，是裂紋萌生主要區域。

③一般來說，腐蝕疲勞裂紋主要是成群的出現的，而且腐蝕疲勞裂紋的發展平直，是很少出現分叉的；但是應力腐蝕裂紋與其則恰好相反，應力腐蝕裂紋的發展大多數是曲折的，而且還會出現較多的宏觀分叉和顯微分叉。從以上對加熱室焊縫裂紋分析可以發現，裂紋的形貌符合應力腐蝕裂紋的相關特征。

（3）相關原因的確認

從以上分析可以得出蒸發器加熱室焊縫開裂的原因主要是因為應力腐蝕—堿脆所致，主要有以下依據：

1）通過對試件進行宏觀和微觀分析發現，試件上的裂紋具有應力腐蝕的特征，裂紋呈現宏觀分叉和顯微分叉，而且相關的裂紋傳播方向主要是由內壁向外壁擴展，微觀走向主要是沿晶間開裂。endprint

2）加熱室工況具備產生應力腐蝕（堿脆）所必須的三個條件：一是較高濃度的氫氧化鈉溶液，試驗指出，濃度大于10%的堿液即足以引起鋼的堿脆。管程中的Na2AlO2料液堿濃度雖然不會達到產生堿脆的程度，但在局部地方，常常會因為氫氧化鈉富集而使料液的堿濃度增大。例如在焊縫表面及其他一些存在縫隙的地方，料液進入后常被逐漸濃縮，就很有可能達到堿脆所需要的濃度。二是較高的溫度，堿脆的溫度范圍較寬，但最容易引起堿脆的溫度是在溶液的沸點附近。加熱器中堿的濃度、工作壓力和工作溫度之間存在一個函數關系，具備使溶液達到沸點的條件。三是拉伸應力，可以是外載荷引起的應力，也可以是殘余應力，或者是兩者的聯合作用。加熱器的管板與殼體焊接過程中受熱的不均勻變形存在一定的拉伸應力，換熱管的脹接以及在正常運行情況下，管板承受一定的壓力并處在較高的溫度和拉伸應力的作用下，局部區域也存在不均勻的應力。拉伸應力的大小雖然是堿脆的一個影響因素，但更重要的因素是應力的均勻與否，局部的拉伸應力最容易引起堿脆。

3）容器焊縫開裂的時候僅僅是發生在部件中接觸溶液的位置上，而容器上沒有接觸到溶液的其他部位卻沒有發現其他的裂紋。

4）容器部件的焊縫上出現開裂其實是容器在運行了一段時間之后出現的，而相關的設備操作是不具備其他失效模式的工藝條件和使用環境。

2、產生應力腐蝕的主要應力

從蒸發器加熱室產生堿脆的原因分析中可以發現，高濃度堿溶液和高溫度工作條件是比較容易進行測量的，主要是由相關生產工藝的需要而確定，一般是很難進行相關的適應性調整或者是進行較大的改變。而第三項也就是臨界以上的拉伸應力這個條件是屬于應力方面的因素，這個因素比較復雜，而且對于一些應力的比較是很難進行確定和控制的。

經過對蒸發器加熱室各個部件的應力進行分析計算就會發現，殼程筒體受內壓產生的最大應力也就是周向應力約為14 MPa，加熱室管板的最大應力也就是環向應力約為11.2 MPa，加熱室換熱管的最大應力（周向）約為13.75 MPa，由于接管開孔導致的最大局部應力小于等于55 MPa，而殼體材料Q345R工作溫度下允許的許用應力183MPa，換熱管20#鋼管工作溫度下允許的許用應力131MPa，加熱室所受到的應力都遠低于材料的許用應力。從這我們就可以看出，容器部件由于工況承載的內壓產生的應力是很小的，其中也包括結構不連續應力在內的綜合應力也是不大的，遠遠是低于材料的屈服強度。加熱室筒體的開孔部位，雖然在一定的程度上存在著較大的熱應力，但是由于軸向壓縮應力以及由于該部分不接觸相關溶液，所以不存在導致應力腐蝕的拉伸應力。

通過以上的分析我們是可以認為，容器的各個承載部件在內壓的作用下所產生的相關應力，是不會產生應力腐蝕，而且一些相關部件的開裂部位是集中在焊縫上，所以我們認為蒸發器焊縫開裂的應力因素主要是由于焊接的殘余應力，這與應力腐蝕的相關理論和實驗的事實是一致的。

3、相關預防措施

（1）嚴格控制材料供貨狀態

加熱器管板材料為Q345R，板厚70mm。由于設計沒有給出材料的供貨狀態，可供選擇的供貨技術條件為：1）熱軋、控軋；2）正火狀態交貨（抗氫鋼、HIC、R-HIC）；3）正火+回火狀態交貨；4）調質狀態供貨。由于管板厚度較大，熱軋狀態下供貨，材料內部組織不均勻、應力較大，容易導致發生堿脆。正火狀態下供貨，材料內部獲得較為細密、均勻的組織，且釋放了軋制過程中產生的應力，有利于預防和減少堿脆的發生。

（2）改進蒸發器加熱室的結構設計

預防蒸發器加熱室發生應力腐蝕，最根本的辦法就是改進蒸發器的結構設計，通過改進設計，改善結構，避免發生很高的局部應力結構。

a.改進前筒體與管板接頭型式 b.改進后筒體與管板接頭型式

通過將加熱室管板與筒體的焊接接頭型式由角焊縫改為對接焊縫并且全熔透焊，可以減少接頭的焊接應力和改善接頭的受力狀況。

（3）進行嚴格的消除應力熱處理

管板部件由于板厚較大（70mm），在鉆孔加工過程中存在局部擠壓應力和表面過熱（藍脆）現象。在粗加工后精加工前，可進行一次完全退火，即加熱到Ac3以上30～50℃（850℃+30～50℃），保溫2.4h后隨爐冷卻，以獲得細化晶粒、消除內應力、降低硬度、改善切削加工性能。

加熱器總裝焊接完成后，在水壓試驗之前按設計要求進行整體退火。焊后熱處理為去應力退火，根據《鋼制壓力容器焊接規程》，退火溫度為600～640℃，保溫時間按容器中最厚的板厚選取。加熱器中最厚的部件為管板（70mm），最短保溫時間為（2+ × ）h，即2.4h。熱處理工藝如下：

1）、焊件進爐時，爐內溫度不得高于400℃。

2）、焊件升溫至400℃后，加熱區升溫速度不得超過71℃/h，最小可為50℃/h。

3）、焊件升溫期間，加熱區內任意長度為5000mm內的溫差不得大于120℃。

4）、當爐內溫度升至600～640℃后，保溫最短時間不少于2.4小時。

5）、焊件保溫期間，加熱區內最高與最低溫度之差不宜大于65℃。

6）、保溫后，焊件溫度高于400℃時，加熱區降溫速度不得超過92 ℃/h。最小可為50℃/h。

7）、焊件出爐時，爐溫不得高于400℃，出爐后應在靜止的空氣中冷卻。

熱處理工藝示意圖

（4）腐蝕介質與焊縫的隔離措施

對于一些已經投產的設備或者是已經使用的設備如果沒有進行退火處理，可以根據實際的情況，采取相應的措施將腐蝕介質與焊縫進行隔離處理，主要是將加熱室內的焊縫表面打磨平滑過渡，不允許有凹凸不平和突變，并進行有效的涂層，這樣可以有效的防止腐蝕介質與焊縫的直接接觸，避免料液富集使局部濃度升高導致堿脆發生。

4、結束語

本文主要是對蒸發器加熱室焊縫開裂的原因及預防措施進行分析，希望可以提供一些借鑒。

參考文獻：

[1]鄒若飛、焦淑紅、郭清有；蒸發器焊縫開裂的原因及解決措施[J]；焊接技術；2004（03）

[2]劉寶祥、劉楊；降膜蒸發器焊縫開裂原因及改進措施[J]；焊接技術；2012（02）endprint