N2O4冷卻器管板接頭泄漏焊接修復

陳 玲，任小鴻，周林軍，肖銀生

（1.四川化工職業技術學院，四川瀘州 646009；2.四川瀘天化弘旭工程建設有限公司，四川瀘州 646300）

0 引言

硝酸是工業生產中一種常見的氧化性酸，在化肥、農藥、炸藥、染料及鹽類等生產中得到了普遍應用[1]。由于其極強的強氧化性和腐蝕性[2-3]，硝酸生產的過程設備容易出現硝酸腐蝕，影響設備的正常使用。因此，生產硝酸的設備需要選擇耐硝酸腐蝕的奧氏體型不銹鋼。00Cr14Ni14Si4（下文簡稱C4 鋼）屬于高硅單相奧氏體不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性，常在濃硝酸介質中使用[4]。

某廠C4 鋼制造的濃硝酸設備投入使用已經10 年，其N2O4冷卻器管板部分均為C4 鋼焊接而成，其接頭在正常使用6 年后出現泄漏，之后每年都進行不間斷管口補焊，但少數焊縫在焊后試壓還是出現了泄漏現象。現在出現了大面積的滲漏，修補的焊縫金屬呈現出焊接鐵水不清潔、不光亮，焊縫熔合區邊緣裂紋，通過補焊已不能解決問題，需對接頭進行分析并制定詳細檢修方案，從根本解決泄漏的問題，保證設備安全運行。

1 裂紋產生原因

為觀察焊縫表面和內部泄漏點情況，先清洗漏點管板焊口，采用射線探傷找出焊縫上的泄漏點；再將管板焊接接頭泄漏點部分截取試樣，制作焊接接頭表面金相試樣；腐蝕清洗后利用100 倍金相顯微鏡進行觀察，檢查焊縫表面腐蝕情況；最后將試樣銑削2 mm 后制作金相，繼續觀察焊接接頭內部泄漏情況，顯微組織如圖1～圖3 所示。

圖1 母材顯微組織

圖2 熔合區顯微組織

圖3 焊縫顯微組織

由圖可看出母材的顯微組織均為單相奧氏體和少量碳化物；在焊縫表面和焊縫內部熔合區的熔合線上發現微觀晶間腐蝕裂紋，裂紋從焊縫向母材延伸，在熔合線上出現腐蝕空洞；焊縫表面和內部組織均為細小的奧氏體和碳化物，在焊縫上均發現了微觀晶間腐蝕裂紋，裂紋沿晶界延伸。

從金相檢查結果可看出，C4 鋼母材組織中出現了少量的碳化物，造成出現碳化物的原因是由于反復返修加熱造成的碳化物聚集；在管板表面和內部兩個區域的熔合區和焊縫處都出現了腐蝕裂紋，表明N2O4冷卻器使用多年后表面腐蝕已較深。隨著使用時間的延長，腐蝕深度加深，是檢修時出現鐵水不清潔和邊緣裂紋的原因。為了避免再次出現缺陷，采取將接頭已腐蝕的部分全部銑削去除，再設計工藝進行補焊和堆焊恢復焊縫。

2 焊接措施

2.1 工藝分析

C4 鋼化學成分見表1，鋼中含有大量的Si 元素，可以形成致密的SiO2薄膜，保證了鋼的耐腐蝕性能，但Si 在含Ni 量較高的鋼中易于偏析，與Ni、S、P 等合金元素形成低熔共晶夾層[5]，在焊接拉應力作用下易產生熱裂紋。因此在焊接時，需要采用小線能量焊接，使用小電流短弧直道焊，同時焊道層間溫度嚴格控制在50 ℃以下[6]。

表1 C4 鋼化學成分 %

以前返修后試壓，管口出現泄漏，分析原因是過去采取從管口內部補焊方法，未采用快速降溫的方法，焊接管口時溫度過高，使焊縫達到了敏化溫度，使耐腐蝕能力下降而出現了腐蝕。因此，焊接時除需用小線能量焊接外，還需采取快速降溫的措施，根據本廠實際情況，采用水冷紫銅塊進行降溫。管板表面加工及坡口形式如圖4 所示，紫銅塊冷卻管頭工具如圖5 所示。

圖4 四氧化氮冷卻器坡口

圖5 水冷銅塊降溫示意

2.2 焊接方法選擇

由于焊接的管子薄，且焊接坡口深度為2 mm，為了防止缺陷、減少熱裂紋產生，采用熱輸入小的鎢極氬弧焊（GTAW）。

2.3 焊接材料選擇

焊接材料管厚2.5 mm，板厚40 mm，且C4 鋼為奧氏體鋼，既要保證焊縫金屬力學性能，同時也需保證耐腐蝕能力，因此焊縫成分與母材相似，還應保證鐵素體含量為6%～12%，才能保證焊縫性能。之前曾采用過HC4 焊條和KY704H 氬弧焊絲，焊接過程裂紋幾率較高，本次焊接選擇C4 鋼專用A082 焊絲，焊絲成分見表2。

表2 A082 焊絲的成分 %

2.4 焊接參數制定

根據上述分析，當C4鋼焊接線能量過大時，易出現熱裂紋，而且焊接接頭長期在敏化區加熱，會使處于高溫濃硝酸環境下的管板接頭加速腐蝕泄漏，因此采用小線能量、短弧、快速直道焊，保證層間溫度不超過50 ℃，并采用水冷銅塊降溫。焊接工藝參數見表3。

表3 焊接工藝參數

2.5 焊接實施

為減少熱輸入，除采取合理工藝參數外，焊接時注意事項：①使用技能熟練的焊工進行焊接操作；②焊接時，為避免因保證焊透而加大熔深，焊接操作時每層焊接層高如圖6 所示；③每道焊縫寬度應控制在≤2 倍焊材直徑，以減少高溫停留時間；④為避免弧坑裂紋，熄弧時應將熔池填滿，且為防止母材表面劃傷，應在焊縫上熄弧，不能引入母材，如圖7 所示。

圖6 焊接層高控制

圖7 修復后的管板

3 結論

用金相分析的方法觀察管板接頭腐蝕裂紋的分布。采用小線能量、短弧、快速直道焊，保證層間溫度不超過50 ℃，用水冷銅塊對焊縫進行降溫的辦法，成功修復了接頭缺陷。該接頭已成功運行沒有出現泄漏，為不銹鋼管板接頭修復提供案例參考。