汽提塔用爆炸復合板典型裂紋原因分析及修復

（山東省特種設備檢驗研究院棗莊分院 棗莊 277800）

某壓力容器生產單位制造一臺加氫裝置用汽提塔，主要承壓部件采用爆炸復合板材質。在筒節組對焊接過程中，通過廠內制造環節射線檢測時發現該材質焊縫中間位置出現典型裂紋缺陷，而行業內對于該類缺陷制造過程的研究記錄較少。本文記錄了該缺陷原因分析、修復工藝制定、檢測等全過程，以求為類似材質再制造過程中的缺陷發現及處理提供幫助，以進一步保證爆炸復合板板制容器的產品質量。

設備基本情況：塔器總長約30m，共分兩段。 其中， 下段規格為1800×（3+10）mm， 材 質為S11348+Q345R，約長3450mm；上段規格為1200×（3+10）mm， 材 質 為 S11348+Q345R， 約 長19150mm；另有錐形段（φ1800/φ1200）變徑段長600mm×（3+10）mm，材質為 S11348+Q345R；裙座高6000mm，材質為Q345R。

汽提塔容積為32.59m3，殼體材料為S11348+Q345R的爆炸復合板，采用標準為NB/T 47002.1—2009/B1級，設計壓力0.68MPa（工作壓力0.5MPa），設計溫度270℃（最高工作溫度250℃（底）/150 ℃（頂）），介質為氫氣、硫化氫、氨、柴油、石腦油、C1～C4等，屬中度危害介質，易燃易爆，該容器屬II類容器[1]。

按照《固定式壓力容器安全技術監察規程》的要求，該制造廠完成了材料、工藝、焊接等前期工序，進行了無損檢測程序[2]。在射線檢測完成后，最后一道環焊縫個別位置處發現明顯裂紋（見圖1、見圖2）。裂紋所屬位置為變徑段與上端焊接環縫B9處。裂紋共兩條，長約80mm，情況較嚴重。

圖1 裂紋射線底片一

圖2 裂紋射線底片二

1 原因分析

1.1 現場勘查

接到返修通知后，該公司立即按照質量保證體系的有關程序要求，啟動質量事故應急預案，組織主要技術人員成立調查處理小組，并邀請相關專家共同進行勘查和技術分析。

經現場勘查發現，焊縫裂紋分布于焊縫中間位置，縱向開裂，表面觀察基層對接焊縫側裂紋較清晰，復層側肉眼不可見，現場滲透檢測后確定該焊接裂紋非貫穿性裂紋，但缺陷深度較深，經機械去除缺陷過程中發現，該裂紋最深處到達過渡層。

1.2 相關測試

材質分析：調查處理小組查閱了該批不銹鋼復合板的材質證明書以及公司委托第三方實施復驗的報告[3]，并將其中C、Cr、Ni等關鍵元素含量指標對照GB 24511—2017有關技術要求，均在標準要求范圍內[4]。此次特意用光譜分析儀對焊縫兩邊母材現場測試，結果符合要求（見表1）。

表1 焊縫兩側母材光譜分析結果 (質量分數，%)

硬度測試：采用布氏硬度計硬度測試，裂紋部位的相關指標經換算后，數值在經驗閾值范圍內。

厚度測試：采用超聲波測厚儀對焊縫及熱影響區進行厚度測試。實測最小厚度符合圖紙要求，無明顯削薄和減小。

1.3 檢查焊接工藝評定及焊接工藝指導書

不銹鋼復合板焊接的質量保證關鍵在于能否通過預先進行的焊接工藝評定試驗。經檢查，該不銹鋼復合板的焊接工藝評定應按照NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》附錄C“復合金屬材料焊接工藝評定”進行，并符合正文中相關技術規定[5]。該焊接工藝評定焊接參數、力學性能均滿足相應標準的規定，評定合格。焊接工藝指導書根據該焊接工藝評定編制，焊接參數及焊接層次方法均未發現錯誤。

1.4 焊接材料的選擇

因該設備此處為錐形段與平直段對接焊縫，采用了易于掌握的焊接的手工電弧焊（SWAW），基層選用J507焊條，過渡層選用A307焊條，復層選用A107焊條[6]。符合設計圖紙技術特性表內焊材選擇說明及NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規程》標準推薦選用焊接材料[7]。該設備選用焊材質量證明書及復驗數據均符合相應標準，且用于其他處同批次焊材均未出現相同問題。

1.5 坡口形式分析

據圖樣要求或工藝條件選用標準坡口。該不銹鋼復合板坡口形式和尺寸參考了NB/T 47015—2011《壓力容器焊接規程》附錄B：表B.1“不銹鋼復合鋼對接接頭常用坡口形式與尺寸”[7]，采用了X型坡口形式（如圖3所示）并經機械加工，加工完成后坡口做滲透檢測，無分層裂紋等缺陷。

圖3 不銹鋼復合板坡口形式

1.6 對接與焊接過程分析

該設備筒節采用冷卷加工，卷制時對卷板機上下棍采用塑膠包裹，采取了防護措施，避免不銹鋼復合板復層刮傷及與碳鋼鋼板直接接觸，對接后木材根部平齊，錯變量在標準允許范圍內，焊接采用手工電弧焊（SMAW），施焊焊工具有焊接項次資質，并且電流、電壓參數符合焊接工藝要求。焊接工藝參數見表2。

焊接時先焊基層，再焊過渡層，最后焊復層，焊接完成后焊縫在30min左右焊縫基層側出現可見裂紋，應該為焊接后冷裂紋，采用滲透檢測后，機械去除焊接裂紋缺陷，裂紋深度到達過渡層處停止。再次做滲透檢測，缺陷去除徹底，未到達復層側。通過去除缺陷過程，發現該焊接缺陷深度從過渡層至焊縫表面止，初步確定該缺陷發生原因為過渡層焊接過程出現問題。因該焊接部位特殊，對接過程中雖然對接錯邊量符合標準及工藝的要求，但焊接過渡層時未能完全把握好過渡層范圍，過渡層焊接填充金屬未能完全覆蓋過渡層[8]，基層焊接時，填充金屬的局部熔化稀釋了不銹鋼焊縫中的合金成分，并易引起鉻、鎳合金元素的損失。隨著不銹鋼焊縫中的鉻、鎳合金元素含量的減少，使得不銹鋼焊縫的含碳量增高，導致不銹鋼焊縫中容易形成馬氏體組織，這樣一種硬脆的金相組織，可大幅度的降低焊接接頭的耐腐蝕性能，特別是塑性、韌性的下降，從而產生了焊接冷裂紋。

表2 焊接工藝參數

2 修復措施

以射線探傷底片缺陷成像為依據，按照探傷結果找出缺陷范圍[9]，又因該設備材質為不銹鋼復合板材，若用碳弧氣刨清除缺陷可能會影響復層不銹鋼材質化學性能，降低焊縫接頭性能，故采用機械清除焊接裂紋，用砂輪磨光機清除裂紋，同時采用滲透探傷（PT）檢查，以確保裂紋缺陷清除徹底。為完全消除原熱影響區的母材，需要再利用磨光機來擴大坡口返修的范圍，這樣可防止再次焊接時產生影響該焊縫力學性能的新缺陷。在確認缺陷全部清除后，采用手工電弧焊方式進行填補。需要注意的是，在保證坡口焊透的條件下，應盡量采用小直徑電焊條來焊接過渡層，層間焊接成型后，做滲透檢測確保層間焊接未有缺陷情況發生，填充焊接完成后，為避免復合鋼板接頭產生冷裂紋的潛伏期，射線檢測未焊后立即進行。延長一段時間后，再進行射線檢測（RT）和表面滲透檢測（PT），未發現焊接缺陷，焊接質量合格。

3 預防措施及建議

綜上所述，為保證不銹鋼爆炸復合板焊接質量，預防產生上述焊接缺陷，建議采取的工藝措施如下：

3.1 焊接坡口樣式應利于焊接，設計合理

在坡口尺寸確定時，應盡可能將復層根部與復層根部對齊，并以復層為基線設計坡口樣式；為降低施焊難度，基層與復層應徹底分離；考慮復層側的坡口形式時，為增加復層側施焊的厚度，應沿基層—復層方向穿越過渡層深入1～2mm，同時也會明顯提高焊縫力學性能與耐腐蝕性能。

3.2 不銹鋼復合板的錯邊量應控制在標準范圍內

保證不銹鋼復合板強度和耐蝕性能的一個關鍵工序是嚴格控制錯邊量不超標。所以在材料下料切割時，應嚴格保證下料尺寸正確，符合計算的理論尺寸，筒節卷制時保證筒節圓度，筒節組裝對接時應以復層為基準，嚴格控制錯邊量，確保復層錯邊量在標準范圍內。

3.3 焊接前做好準備工作

焊接前應選擇正確的焊接方法，根據評定合格的焊接工藝選擇焊接材料[7]，做好烘干和保溫措施，由持證焊工采用合理的焊接參數進行焊接工作。

3.4 焊接時應保證工藝要求的焊接參數和焊接順序

正確的焊接順序為先焊接基層，達到一定條件時再焊接過渡層及復層的。焊接基層時的焊條應嚴格執行烘干程序，使用過程中保證焊條溫度，焊前做好基層預熱，特別是注意將水分等雜質消除干凈；焊接過程中要保證焊接連續性，不得隨意中斷，同時保證層間溫度。過渡層及復層的焊接前應采用紅外測溫儀等儀器測量基層溫度，當溫度冷卻至60℃以下時方可開始施焊，焊接方式宜采用多層多道式，采用較小的線能量，為保證層間溫度，每層焊接完成后，建議停留10～20min，道間焊接應隨時注意熔合程度，確保過渡層質量。

3.5 焊接后檢驗檢測合格

焊后檢驗可采用目視、焊檢尺、無損檢測等多種方式，并對基層和復層分階段進行。基層焊接完畢之后，目視檢測基層焊縫表面有無夾渣、裂紋等缺陷，并在過渡層焊接之前進行射線檢測（RT）。

上述檢測合格后，在過渡層和復層焊接前，需打磨焊縫表面至平整，以便進行滲透檢測（PT），合格后方可按照工藝要求進行施焊。焊接完畢后，還應對成型后焊縫表面進行射線檢測和滲透檢測，以確保整體焊接質量。本文從實際工程應用角度出發給出了上述不同焊材對不銹鋼復合板焊接工藝參數以及注意事項[10]，并考慮了對接頭組織與性能的影響，以期對不銹鋼復合鋼板的焊接及質量保證提供必要參考。

4 結束語

爆炸復合板是汽提塔等多種化工生產過程中關鍵設備的常用材料，因此其焊接質量的優劣及穩定性尤為重要。其中，過渡層焊接過程是最容易出現問題而又常常難以順利處理的。本文做記錄的過渡層缺陷是典型的缺陷表現形式，并且分析了缺陷產生的原因，剖析了焊接工藝特點，并提出了針對性的修復措施和預防建議，進一步保證不銹鋼爆炸復合鋼板和焊接質量，有利于提升行業內對爆炸復合板生產制造環節的質量控制。