鹽酸分離塔封頭裂紋原因分析及返修工藝要點

（西安核設備有限公司，西安 710021）

某TDI 項目中鹽酸分離塔正常運行10 天后發生泄漏，泄漏部位位于塔釜下封頭與筒體環焊縫熱影響區封頭母材上，縱向貫穿裂紋約5 mm 長，補焊修復后使用，新的裂紋又在封頭周邊區域持續出現。由于介質極度危害，立即停車查找原因。

該設備公稱直徑700 mm，高度9 000 mm，厚度6.35 mm，為填料塔。主體材質共分兩段，下段塔體材質為N06200，上段塔體材質為S31603。設計參數見表1。

表1 設備基本參數Tab.1 Equipment basic parameters

1 失效樣品的測試與分析

上述裂紋產生的部位為塔體下封頭臨近焊縫的母材區域，見圖1。該封頭材料選用的是ASME N06200 材質。為了弄清裂紋產生的原因，與材料供貨商聯系，及時反饋了該材料的裂紋信息，并從失效設備裂紋處截取母材及焊接試樣交予材料廠家對裂紋樣品做母材及焊材的化學成分、力學性能、金相組織及彎曲試驗分析，以便查找裂紋產生的原因。提供的分析樣本是寬19 mm、長230 mm，包括圓周焊接和少量金屬材料的母材。分析采用能量色散X 光法（SEM-EDX），利用電子掃描顯微鏡做樣品橫向部分的多重半定量化學分析。最后把幾個樣品交叉部分切去，放在環氧樹脂中涂上一層0.05 μm 氧化鋁做金相學分析。檢查涂后樣品用電解腐蝕法揭露其顯微結構。腐蝕劑是由5 g 草酸放入95 mL 鹽酸的溶液，并通上6 V 直流電。分析結果見表2，3及圖2，3。

圖1 N06200 封頭裂紋詳圖Fig.1 Head crack detail

表2 材料及焊材的化學成分Tab.2 Chemical composition of materials and welding materials %

表3 力學性能Tab.3 Mechanical properties

圖2 N06200 滑移線和孿晶間界Fig.2 Slip lines and bent twin boundaries of N06200

圖3 N06200 封頭熱影響區再結晶顯微組織Fig.3 Recrystallization microstructure that occurred from heat welding of of N06200

2 裂紋產生原因分析

根據材料廠家的分析結果顯示，提供的裂紋樣品材質確實為N06200 合金，化學成分及力學性能均符合ASME 標準中N06200 的特性[1-2]。而該材料根據資料反饋在TDI 系統中已有30年的使用經驗，并沒有發生過單純因介質腐蝕引起裂紋失效的先例。因為N06200 是典型的鎳鉻鉬合金，無論是在氧化還是還原介質條件下都有很好的耐腐能力，主要由于在腐蝕過程中表面生成含Cr2O3的腐蝕產物，這層腐蝕產物有很好的致密性和連續性，不易破裂和剝落，因而阻滯腐蝕過程的進行，可以降低腐蝕率，使金屬產生了很好的鈍化。由于鎳鉻鉬合金的鉻含量比一般的不銹鋼含量更高，因而鎳鉻鉬合金的鈍化效果更好，在氧化性腐蝕介質中有更好的耐蝕性。同時合金中含有1.6%的銅元素使得合金在還原介質中的耐腐力也進一步提高。N06200 的加工性能也很優越，具有高強度、高塑性、冷韌的特性，能壓延成很薄的板。在實驗室耐腐蝕試驗檢測時，N06200 材質在很多介質中有很好耐蝕性，表4為幾種材料的腐蝕速率對比。從表中可以看出N06200 材質在耐鹽酸腐蝕介質中優于同類的其他類鎳基合金。所以可以排除單純介質腐蝕引起的開裂。

表4 材料腐蝕速率對比Tab.4 Weld metal corrosion rates of material （mm/a）

排除了介質腐蝕引起裂紋的因素，對材料作進一步的分析。雖然鎳基合金在一些介質中存在晶間腐蝕的敏感性。其機理主要是貧鉻理論，即合金在敏化溫度范圍內會在晶界析出Cr23C6型的高鉻碳化物，其鄰近區域產生了貧鉻區所致。但隨著N06200 材質中鎳含量的提高從而降低了晶間腐蝕的敏感性，N06200 材質的Ni 含量為59%，比一般的奧氏體不銹鋼高得多，因而其對含氯化物溶液等的晶間腐蝕敏感性都要低[3]。試驗結果顯示N06200合金的U 型彎曲試樣在45%氯化鎂溶液煮沸持續1008 小時確實沒有產生裂紋，但是在同一檢測條件下，316L 不銹鋼在2 小時內就產生裂紋。根據上述分析也排除了因晶間腐蝕引起材料產生裂紋的因 素。

根據分析排除了材料本身原因導致裂紋的因素，只能從加工過程的選擇作進一步探討。從圖2顯微結構可見的滑移線和彎曲孿晶間界說明，該封頭制造時經歷了大量的冷加工操作。圖3也表明封頭到筒體的環向焊接接頭包括一部分熱影響區發生了再結晶。通常，促進再結晶產生需要約10%的冷加工操作。根據經驗分析，如果大量的冷加工后對部件不采取措施，可能導致材料在操作工況下的應力腐蝕開裂。因為封頭冷成型過程中材質殘余應力積聚與封頭和殼體焊接時產生的變形不協調、熱影響疊加，在設備運行時壓力、溫度、介質共同作用下氧化層極易破裂剝落，再加上封頭和筒體焊接時產生的殘余應力進一步惡化該處的受力狀況，很有可能造成N06200 封頭的失效裂紋。

綜上分析，認為該裂紋為應力腐蝕裂紋。當鎳基合金材質N06200 封頭冷壓型和焊接產生殘余應力足夠大，成形后未作任何消除應力的措施，顯著降低材料的力學性能，在較大應力狀態下與腐蝕性介質聯合作用發生應力腐蝕裂紋，該裂紋在進一步工況操作下迅速擴展，引起應力腐蝕破裂，容器泄漏。追溯該裂紋封頭的加工工藝規程，發現封頭在冷壓成形后，未要求進行恢復性能熱處理，技術人員認為根據規范要求N06200 封頭在冷成形時變形率沒有超出規定的7%要求，所以不必進行熱處理[4]。但是根據封頭處失效裂紋的分析為了避免應力腐蝕開裂，在封頭冷壓成形后進行恢復材料性能熱處理消除應力是必要的，即使材料冷成形變形率沒有超過標準規范的規定也要進行熱處理。

3 返修工藝要點

分析失效的原因后將該封頭從設備切除，重新制定制造工藝，封頭上的所有接管重新下料，法蘭再用。

3.1 加工工藝

確認切割位置（筒體側距焊縫邊緣去除15 mm），采用機械加工方法切割分離封頭與筒體、法蘭與接管，同時加工筒體、法蘭側坡口。機械加工可避免切割區域產生熱影響區，影響焊縫質量，同時可保證加工表面的形狀、尺寸和光潔度符合焊接工藝規程的規定。材料進廠后按ASME N06200 的要求進行化學成分及力學性能復驗，保證原材料的質量可靠。下料前材料表面應貼牛皮紙保護，劃線和標記應在保護層上進行，下料采用水刀切割既可保證切割面光滑，又能節約材料降低成本。為了保證N06200 材料的抗蝕性，它的制造場地應清潔，與合金鋼制容器制造場地分開，避免零部件與黑色金屬混放被鐵離子污染從而影響材料的耐蝕性。設備吊運時，應用軟索或套有橡皮管的鋼絲繩，用夾具吊運時，接觸N06200 材料部位應墊軟物。封頭冷壓成型前板材表面涂潤滑脂，嚴格按照工藝要求成形，冷壓成形后應對封頭進行固溶熱處理恢復材料性能。

封頭成形后按直邊找正采用機械加工方法加工高度（高度在圖紙基礎上增加15 mm）、中心孔及坡口。坡口表面按NB/T 47013.5—2015 要求進行100%PT 檢測 Ⅰ級合格[5]，避免坡口有分層、折疊、裂紋等缺陷影響焊接質量。封頭與筒體的焊接結構如圖4所示。

圖4 封頭與殼體焊接詳圖Fig.4 Head and shell welding detail

3.2 焊接工藝

焊接工作之前要建立良好的安全工作條件，焊接區域按要求徹底清潔。焊接坡口及其兩側25mm寬度的金屬表面修磨去除氧化物，并用丙酮清潔，用無毛白布擦拭表面，無變色為合格；焊條烘干溫度按廠家推薦，焊接時焊條應放置保溫桶內，隨用隨取；焊接過程要全程氣體保護，正面：99.99% Ar 氣流量10～15 L/min 背面：99.99% Ar 氣流量15～18 L/min；焊接過程應注意對板材表面保護并注意層間及焊后表面飛濺物的清理，打磨焊縫圓滑過渡；焊接過程應嚴格控制焊接線能量和層間溫度，層間溫度不高于100℃[6]。設備制造完成后進行水壓試驗及氣密性試驗，并對設備內外表面進行酸洗鈍化處理，所形成的鈍化膜用藍點法檢查，無藍點為合格。焊接工藝參數見表5。

表5 焊接工藝參數Tab.5 Welding parameters

4 結束語

綜上所述，通過分析論證封頭在役裂紋產生原因是由于應力腐蝕開裂造成的，所以得出是否進行恢復材料性能熱處理不僅取決于冷加工的變形率是否超差，介質的影響更為關鍵。即使部件冷加工變形率未超出標準要求，如果介質對該材料有應力腐蝕傾向也應進行恢復性能熱處理。該設備按照新工藝返修后，投入使用運行至今狀況良好，未發現異常。