異種鋼焊縫泄漏原因分析及解決措施

朱白欽，孫守業

(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

在化工生產裝置中，壓力管道所占比例較大，發生事故所占比例較高，管道連接方式最多采取焊接，而事故之中管道焊縫問題往往又占到了一定比例。本文對化工裝置生產中遇到的管道異種鋼焊縫泄漏進行了原因分析，并對異種鋼焊接在施工及檢修中出現的問題提供幫助。

1 裝置概況

河南龍宇煤化工有限公司原料氣冷卻器(E04203)為40萬t/a醋酸裝置配套低溫甲醇洗工段，原料氣采用中國五環工程有限公司自主設計的2臺氣化爐，經變換裝置、低溫甲醇洗裝置、變壓吸附等裝置，分別向醋酸和乙二醇裝置供氣。原料氣(H2、CO、CO2、 N2、CH4等)與來自冷卻器 E04207 后的二次壓縮的循環氣一起在原料氣冷卻器E04203 中進一步冷卻。在此被一些逆行的氣流冷卻，這些氣流包括冷的合成氣(來自深冷分離單元的前端凈化)、CO2產品氣(來自 CO2閃蒸塔 C04203 一段)以及再循環氣(來自中壓閃蒸塔 C04202)。離開 E04203 的原料氣在原料氣終冷器 E04225 中被-40℃級的氨制冷劑做最后一次冷卻，并送往甲醇洗滌塔 C04201。

E04203為繞管式換熱器，殼程溫度為15.8℃，運行壓力為3.25MPa，運行流量為145 000Nm3/h，管程CO2入口運行溫度為38.3℃，運行壓力為0.17MPa，出口運行溫度為18℃。

2 泄漏失效經過

2020年6月18日23時00分，氣體凈化崗位巡檢人員在酸脫2號框架第4層E04203合成氣入口法蘭處，發現便攜可燃氣體檢測儀報警，經排查發現，E04203合成氣入口法蘭焊縫處有合成氣噴出，法蘭焊縫約有4cm左右裂紋，且裂紋有往兩邊擴展趨勢，泄漏時壓力、溫度無明顯波動，為避免漏點進一步擴大釀成事故，果斷采取切氣、停車隔離置換處理。下圖1、圖2為漏點情況，分別為泄漏過程中位置和停車后位置。

圖1 泄漏過程中位置

圖2 泄漏停車位置

3 焊縫失效泄漏原因分析

該處焊縫的母材為異種鋼焊接，E04203設備殼程進口法蘭(DN500 300LB)材質為304SS，管道材質為A106-B。通過一系列檢測，分析焊縫失效泄漏的原因。

3.1 宏觀檢查

管道直徑約510mm，法蘭側管壁厚約為30mm，管道側壁厚約為13mm，管道內部焊縫成形較差，存在焊瘤、未焊透、未熔合、錯邊等缺陷(見圖3、圖4)。用砂輪機從焊縫中心將整條焊縫徑向切割開，以使得法蘭、管道兩側均保留原始焊肉，以便于進一步分析和觀察根部打底焊縫的情況和裂紋處的情況。對切割開的焊縫，從法蘭焊肉側、管道焊肉側以及切下來的焊縫的打底層、填充層和蓋面層分別進行光譜分析。從焊縫靠碳鋼側的焊趾處明顯開裂，且切割開后能很輕易地沿著坡口角度將焊肉撬開并打開裂紋，裂紋面呈褐色，為焊縫表面原始形態，焊道清晰，焊縫表面光滑，為焊接所留自由表面。裂紋沿管道側焊縫熔合線，從管內側開裂，向管壁厚方向擴展。

圖3 法蘭側管內焊縫焊接情況

圖4 法蘭側管內焊縫無損檢測情況

3.2 無損檢測

對泄漏法蘭管內、外進行滲透檢測，法蘭內側焊縫存在裂紋，裂紋沿管道側熔合線擴展，裂紋較直、無分叉；在裂紋開口較大區域，揭開覆蓋在裂紋表面的管母材，裂紋面為焊縫原始自由表面，焊縫形態清晰，管外壁未發現裂紋缺陷。

3.3 化學成分分析

為進一步分析法蘭管失效泄漏原因，對失效件進行取樣加工，在滲透顯示內部裂紋部位截取金相試樣和斷口形貌分析試樣，在法蘭側鉆取母材化學成分分析試樣，并在外側焊縫處鉆取焊縫化學成分分析試樣，根據鋼鐵及合金化學分析方法，對該試樣進行化學成分分析，化學成分分析結果見表1，法蘭側母材化學成分符合GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學成分》中S30408的要求。

表1 母材化學成分分析 (%)

3.4 金相組織分析

取試樣進行金相分析，法蘭管側母材金相組織為奧氏體+析出相，析出相呈顆粒狀，分布在晶內或晶界，個別晶界上析出相呈鏈狀，存在敏化跡象。焊縫金相組織為奧氏體+δ鐵素體，管道側母材金相組織為鐵素體+珠光體，管道側熱影響區金相組織為共析鐵素體+珠光體，裂紋位于焊縫熔合線，啟裂紋于管內壁，沿管壁厚方向擴展。

3.5 硬度試驗

依據GB/T4340.1的要求，對試樣硬度進行測定，測定結果見表2，焊接接頭硬度滿足GB/T 13296中0Cr18Ni9(S30408)要求。

表2 測定結果

3.6 焊縫失效原因

設備法蘭側材質為不銹鋼，管線側管材質為碳鋼，異種鋼焊接選用了不銹鋼焊條。焊縫與法蘭側管均為不銹鋼，其熱膨脹系數相差不大，而管線側材質為碳鋼，焊縫為不銹鋼，兩者熱膨脹系數相差較大，在焊縫冷卻過程受力較法蘭側熔合區大；再者，管內壁焊縫成型較差，存在焊瘤、未熔合、未焊透、焊縫余高等缺陷，焊接缺陷部位易產生應力集中，兩者應力疊加，易在缺陷部位優先發生開裂；從失效點位于E04203入口側、介質來自經C04207氨洗滌后的原料氣、管內壁附著有鐵銹色垢物與垢物的存在等問題，說明原料氣在失效法蘭部位發生了冷凝，有水相析出，原料氣中的酸性氣體在有水相的環境下，易形成電解質環境，不銹鋼的焊縫與碳鋼母材存在電位差，在電解質環境中沿熔合線發生電位腐蝕，在應力的作用下，對焊法蘭沿熔合線發生開裂，這與裂紋宏觀檢驗結果一致。

綜合以上針對焊法蘭附近的介質存在冷凝現象的分析，認為不銹鋼焊縫與碳鋼母材發生電偶腐蝕是管道焊縫開裂的主要原因。內壁焊縫焊接質量缺陷，介質易在缺陷部位殘留、聚集，并且缺陷部位易產生應力集中，管道焊縫成型較差是造成焊縫開裂的次要原因。

4 防范措施

為減少異種鋼焊接產生焊縫開裂，將采取以下措施：一方面，將設備法蘭(DN500 300LB)304SS材質更換為碳鋼法蘭，焊接作業前編制焊接工藝，焊工在施焊時必須準確掌握焊接工藝卡的內容，為提高焊接質量，焊縫委托第三方檢驗單位進行無損檢測，避免焊瘤、未熔合、未焊透、焊縫余高等缺陷的出現；另一方面，在管道外壁增加蒸汽伴熱，避免介質的冷凝現象。

5 結語

對異種鋼焊縫失效泄漏的原因進行了分析，并采取了防范措施，避免焊縫泄漏造成的事故，保證了裝置長周期運行。