加氫高壓空冷器管板與管子焊接焊縫開裂原因的探討

楊楓

摘 要：加氫高壓空冷器作為整個裂化裝置體系中的關鍵設備，一般具有高溫高壓、臨氫系統的特點，可將其看做特種設備。結合國內高壓空冷器運行經驗，大部分空冷器的失效是發生在管子和管板相連接位置，管和管板連接接頭對整個化工裝置的穩定性具有決定性影響。本文結合加氫高壓空冷器管板和20鋼換熱管焊接后的裂紋進行分析，得出具體原因、焊接工藝措施等要素，旨在快速提高加強高壓空冷器的設備質量。

關鍵詞：加氫高壓空冷器;管板;焊接質量

1 前言

近十幾年來隨著國內加工進口含硫原油數量逐漸增加，高壓空冷器的腐蝕問題日漸突出。為解決這個影響裝置安全運行的關鍵問題，從2008年開始，高壓空冷器的主體材料由碳鋼逐漸采用合金材料，而且，通過中國石化組織的國產化工程技術開發，合金材料可全部國內自主生產。截止目前，國內加氫裝置的高壓空冷器主體材料基本采用Incoloy825合金材料，解決了介質的腐蝕泄漏問題。為進一步拓展高壓空冷器的材料選擇范圍，降低設備投資，解決雙相鋼高壓空冷器制造難度較高的問題，必須結合實際情況對空冷器焊接工藝進行全面分析和探討，針對管板和管子焊接開裂原因進行徹底分析。

2 焊接工藝及故障分析

對加氫高壓空冷器管板與管子進行焊接試驗。焊接材料為：16MnR（管板）+20鋼（管子）;焊接方式：手工無焊絲（條）熔化焊;焊接參數：電壓200V;電流50A，焊接速度400mm/min;保護氣體：氬氣7～9L/min;焊前預熱150～200℃。焊后不久，發現在該焊接接頭處出現開裂。對出現開裂部位進行解剖分析，其特征如下：

①裂紋出現在管子與管板的連接焊縫處管子一側。試樣在試驗室經過研磨拋光，并浸蝕，宏觀上可清晰的看出焊縫、焊接熱影響區以及焊接熔深等試樣的細節（照片中發白的區域）。裂紋出現在管子一側發白的區域內。裂口附近的形狀尺寸比較完整，無明顯塑性變形痕跡，屬宏觀脆性斷裂;②對管子與管板材料試樣進行金相組織檢測，其顯微組織均為正常的鐵素體+珠光體組織。在出現裂紋的管子焊接熱影響區，出現了淬硬的回火馬氏體和下貝氏體組織。對焊縫及熱影響區進行顯微硬度檢測，焊縫裂口部位的硬度值最高;隨著距離的增加，硬度逐步下降;③通過對微觀裂紋分析發現，裂紋微觀上是塑性穿晶斷裂模式，由斷口兩側的偶合情況及變形痕跡，可以確定裂紋擴展的主受力方向。促使裂紋擴展的應力，實際上是管子所受的徑向力與其所受的軸向力的合成。根據它們與主受力方向的交角可知，導致焊接管出現裂紋的應力中，管子所受的徑向力起主要作用。

3 結果分析及討論

①經分析管子和管板的顯微組織正常，均為鐵素體+珠光體;②開裂出現在管子一側的焊接熱影響區，宏觀上是脆性斷裂，而微觀上是塑性穿晶斷裂;由于鋼的淬硬傾向越大，越易產生裂紋，通過對焊縫及熱影響區顯微硬度的檢測，發現在產生裂紋的焊縫處硬度最高，且相應部位的顯微組織為淬硬的回火馬氏體和下貝氏體，從而導致焊縫處產生焊接冷裂紋;③根據微觀裂紋分析，導致裂紋產生及擴展的主應力為管子所受徑向力與軸向力的合成力，其中，導致焊縫處產生裂紋的合成力中，管子所受徑向力起主要作用。此外，在實際的焊縫檢測中發現，管子與管板孔口的配合松動，并且沒有完全貼脹，此種結構經無焊絲熔化焊接以后，極易產生上述應力分布狀態;④對于出現焊接缺陷及微裂紋形成原因，也可能與焊接時環境濕度、環境溫度以及焊接區域的清潔度有關。在實施焊接時應考慮環境因素的影響，如環境濕度大于90%時，空氣中含有大量的水分，施焊時因為水分產生氫，大量的氫溶入焊接熔池中，在隨后的冷卻和凝固過程中，由于溶解度的急劇降低，和冷卻速度過快，導致氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中，使焊縫中氫處于飽和狀態，并在焊縫處產生較大的氫壓，誘發并促使焊接冷裂紋的產生及擴展，最終在外應力作用下導致焊縫失效。

4 改進措施

加氫高壓空冷器管板與管子連接焊縫的開裂是焊接冷裂紋。引起開裂的主要原因有兩個：一是焊接熱影響區出現了高硬度顯微組織;二是管子與管板沒有完全貼脹，配合間隙偏大，在焊接后出現了復雜應力狀態，為冷裂紋的產生及擴展提供了應力條件。

具體改進措施如下：

①施焊時確保焊接工藝合理并嚴格按照焊接工藝進行，并加強焊件的清理和焊接保護，減少環境因素的影響等;②根據材料的化學成分進行必要的焊接冷裂紋敏感性估算分析，適當調整所選鋼材的化學成分，盡量降低材料中增加焊接冷裂紋傾向的元素含量，改善復雜應力狀態下的開裂;③減小管子與管板的配合間隙及貼脹，以降低焊接區的應力水平，抑制裂紋的產生及擴展。

5 結語

本次通過對加氫高壓空冷器管板與管子連接焊縫開裂原因進行分析，找出了焊縫開裂的原因，并提出了相應的解決措施。以上的分析，為提高加氫高壓空冷器管板與管子的焊縫質量提供了理論依據，通過采取控制材料化學成分、改進焊接工藝等措施，提高了空冷器設備運行的可靠性及安全性。

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