不銹鋼復合鋼板封頭裂紋成因分析及檢驗評定探討

吳高峰

（福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350008）

1 前言

不銹鋼復合鋼板是一種采用爆炸或爆炸-軋制等方法，由基層材料和覆層材料復合而成的雙層金屬鋼板[1]。其基層主要滿足結構強度和剛度的要求，覆層滿足耐磨損、耐腐蝕等特殊性能的要求。隨著石油化工行業的蓬勃發展，這種復合鋼板被廣泛應用與各類設備、裝置的制造中，不僅顯著降低制造成本，還滿足了設備的使用工況要求[2]。

2 設備簡介和缺陷概述

表1 設備主要參數表

福建某大型石化企業PTA裝置中一臺PTA結晶器于2010年10月投用，設備參數詳見表1。該臺設備封頭部位采用不銹鋼復合鋼板旋壓制造，基層材料為16MnR，厚度28mm，主要滿足結構強度和剛度的要求；覆層材料為00Cr19Ni10，厚度3mm，主要滿足耐蝕、耐磨等特殊性能的要求。2017年對該設備進行定期檢驗時，通過滲透檢測發現該容器內表面下封頭內襯覆層環縫的熱影響區存在大量裂紋缺陷，沿環焊縫整圈呈縱向分布，缺陷形貌詳見圖1。設備在運行過程中，如果未及時發現并修復此類缺陷，可能造成覆層裂紋擴展成穿透性缺陷，介質侵蝕基層材料，危及設備的安全運行。

圖1 定期檢驗中檢出缺陷的形貌圖

3 缺陷產生的原因分析

由圖1可見，裂紋方向與焊縫垂直，分布在焊接熱影響區。因復合鋼板多層焊接導致該部位較長時間停留在420℃～850℃的敏化溫區，奧氏體晶粒邊界析出碳化鉻，在狹窄區域形成貧鉻區，產生晶間腐蝕引發開裂。此外，封頭采用的復合鋼板中覆層材料為奧氏體不銹鋼，其導熱系數約為碳鋼的1/3，線膨脹系數也比碳鋼大得多，同時隨著溫度的升高，膨脹的差值也相應增加。該類型復合鋼板在焊接過程中，基層、過渡層、覆層的焊接造成多次熱循環，焊接接頭及焊縫熱影響區產生較大的內應力。同時由于焊接過程中，加熱和冷卻存在局部不均勻，使復合鋼板沿壁厚方向上存在較大的殘余應力，覆層表面形成拉應力，也是導致復合鋼板焊接后覆層表面容易產生裂紋的主要原因之一。結晶器中具有攪拌機和折流板，通過攪拌來保持PTA顆粒處于懸浮狀態，同時加速晶粒生長[3]。內壓交變載荷作用和酸性流動介質磨損更加劇了覆層表面裂紋的擴展。

另一方面，焊接過程中奧氏體不銹鋼覆層結晶時間長，雜質偏析嚴重，覆層在焊接熱循環的作用下造成熱影響區晶粒粗大，碳、氮化合物沿晶界偏析，從而降低了覆層焊接接頭的塑性和韌性，增大了裂紋產生的幾率。

另外，采用此類不銹鋼復合鋼板制造帶拼接焊縫的封頭，若采用熱成型制造工藝會對焊接接頭的性能產生諸多不良影響，因此該類型封頭一般采用冷成型制造工藝。但在旋壓過程中往往施加較大的外力，基層金屬和覆層金屬間的力學性能差異使復合鋼板在塑性彎曲時產生不均勻的內應力，也是缺陷產生的因素之一。

4 檢驗對策和缺陷處理

（1）定期檢驗過程中發現該類裂紋時，應當擴大表面無損檢測的比例或者區域，以便發現可能存在的其它缺陷。同時采用超聲測厚方法，在裂紋產生部位測定基層壁厚是否存在明顯的腐蝕減薄，并標圖記錄[4]。當發現覆層穿透性缺陷或者有可能引起壓力容器本體腐蝕的缺陷時，應當查明本體的腐蝕狀況和其他缺陷。

（2）根據表面檢測結果確定裂紋位置，用砂輪磨光機清除裂紋直至消除，并再次進行表面檢測以確保缺陷完全消除。如果凹坑深度小于覆層厚度，只需采用不銹鋼焊條進行補焊；如果基材發生腐蝕，則應選用相對應材料的堿性焊條進行補焊。

5 安全狀況等級評定

通過審查設計文件和圖紙，筆者發現該設備封頭形式為橢圓型，基層材料為16MnR，厚度28mm，滿足容器強度的計算和校核要求。而基層和覆層可視為承擔不同作用的兩個部分，對該設備進行表面缺陷和埋藏缺陷檢測后，有必要將基層和覆層這兩部分的焊縫缺陷區分評定。基層焊縫缺陷可依據《固定式壓力容器安全技術監察規程》第8.5條中相關要求進行安全狀況等級評定，文中不再贅述。

在實際檢驗過程中發現，覆層焊縫缺陷多以氣孔、夾渣、未熔合等非活動性缺陷為主，鮮有開裂或萌新的跡象。故覆層焊縫缺陷可按照設計文件中無損檢測的要求進行評定，即不允許存在內外表面裂紋，其它非活動性缺陷不影響安全狀況等級評定。同時覆層腐蝕深度不超過覆層厚度1/2的不影響定級，否則應當定為3級或者4級。

6 結語

不銹鋼復合鋼板旋壓封頭由于其制造工藝的特點和焊接過程的特殊性，在焊接應力和封頭旋壓外力的共同作用下，增加了焊縫熱影響區裂紋產生的幾率。通過分析缺陷的成因有助于在壓力容器定期檢驗中更準確的判斷和評定缺陷對設備的安全性能的影響。同時，有必要掌握設備的制造工藝和結構特點并綜合分析，以基于風險的理念保障檢驗開展和設備安全。