異種鋼焊縫泄漏原因分析及措施

朱白欽,孫守業(yè)

(河南龍宇煤化工有限公司，河南永城 476600)

在化工生產(chǎn)裝置中，壓力管道所占比例較大，管道連接方式大多采取焊接，由管道焊縫泄漏引起的事故在化工生產(chǎn)事故中占到了一定比例。筆者對(duì)化工裝置生產(chǎn)中遇到的管道異種鋼焊縫泄漏進(jìn)行了原因分析，并針對(duì)異種鋼焊接出現(xiàn)的問題提出解決方案。

1 裝置概況

原料氣冷卻器(E04203)為40萬(wàn)t/a醋酸裝置配套低溫甲醇洗工段，原料氣(H2、CO、CO2、N2、CH4等)與來自循環(huán)氣壓縮機(jī)二級(jí)冷卻器(E04207)后的二次壓縮的循環(huán)氣一起在原料氣冷卻器中被一些逆著的氣流進(jìn)一步冷卻,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(chǎn)品氣(來自CO2閃蒸塔(C04203)一段),以及再循環(huán)氣(來自中壓閃蒸塔(C04202))。離開原料氣冷卻器的原料氣在原料氣終冷器(E04225)中被-40 ℃級(jí)的氨制冷劑做最后一次冷卻并送往甲醇洗滌塔(C04201)。

該原料氣冷卻器為繞管式換熱器，殼程運(yùn)行溫度為15.8 ℃，運(yùn)行壓力為3.25 MPa，運(yùn)行體積流量為145 000 m3/h，管程CO2入口運(yùn)行溫度為38.3 ℃，運(yùn)行壓力為0.17 MPa，出口運(yùn)行溫度為18 ℃。

2 事故概況

2020年6月18日23:00:00，氣體凈化崗位巡檢人員在酸脫2號(hào)框架四層位置原料氣冷卻器合成氣入口法蘭處，發(fā)現(xiàn)便攜可燃?xì)怏w檢測(cè)儀報(bào)警，經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)原料氣冷卻器合成氣入口法蘭焊縫處，有合成氣噴出，法蘭焊縫約有4 cm左右裂紋，且裂紋有往兩邊擴(kuò)展的趨勢(shì)，泄漏時(shí)壓力、溫度無明顯波動(dòng)。為避免漏點(diǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大釀成事故，果斷采取切氣、停車隔離置換處理。圖1、圖2為該漏點(diǎn)情況。

圖1 泄漏過程中漏點(diǎn)位置

圖2 停車后漏點(diǎn)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，原料氣冷卻器殼程進(jìn)口法蘭(DN500 300LB)材質(zhì)為304不銹鋼(304SS)，管道材質(zhì)為碳鋼。對(duì)失效焊縫進(jìn)行宏觀檢查、無損檢測(cè)、化學(xué)成分分析、金相組織分析、硬度試驗(yàn)，以分析焊縫失效原因。

3.1 宏觀檢查

管道直徑約為510 mm，法蘭側(cè)管壁厚約為30 mm，管道側(cè)壁厚約為13 mm，管道內(nèi)部焊縫成形較差，存在焊瘤、未焊透、未熔合、錯(cuò)邊等缺陷(見圖3)。

圖3 法蘭側(cè)管內(nèi)焊縫焊接情況

用砂輪機(jī)從焊縫中心將整條焊縫徑向切割開，使得法蘭、管道兩側(cè)均保留原始焊肉，以便進(jìn)一步分析，并便于觀察根部打底焊縫的情況和裂紋處的情況[1-2]。對(duì)切割開的焊縫，從法蘭焊肉側(cè)、管道焊肉側(cè)，以及切下來焊縫的打底層、填充層和蓋面層分別進(jìn)行光譜分析。焊縫靠碳鋼側(cè)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；打開裂紋，裂紋面呈褐色，為焊縫表面原始形態(tài)，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(cè)焊縫熔合線，從管內(nèi)側(cè)啟裂紋，向管壁厚方向擴(kuò)展。

3.2 無損檢測(cè)

對(duì)泄漏法蘭管內(nèi)、外進(jìn)行滲透檢測(cè)(見圖4)，發(fā)現(xiàn)法蘭內(nèi)側(cè)焊縫存在裂紋，裂紋沿管道側(cè)熔合線擴(kuò)展，裂紋較直、無分叉。在裂紋開口較大區(qū)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(tài)清晰，管外壁未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

圖4 法蘭側(cè)管內(nèi)焊縫無損檢測(cè)情況

3.3 化學(xué)成分分析

為進(jìn)一步分析法蘭管失效泄漏的原因，對(duì)失效件進(jìn)行取樣加工，在滲透探傷顯示內(nèi)部裂紋部位截取金相試樣和斷口形貌分析試樣，在法蘭側(cè)鉆取母材化學(xué)成分分析試樣，并在外側(cè)焊縫處鉆取焊縫化學(xué)成分分析試樣，根據(jù)鋼鐵及合金化學(xué)分析方法，對(duì)該試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，法蘭側(cè)母材化學(xué)成分符合GB/T 20878—2007《不銹鋼和耐熱鋼牌號(hào)及化學(xué)成分》中0Cr18Ni9(S30408)的要求。

表1 母材化學(xué)成分分析表

3.4 金相組織分析

取試樣進(jìn)行金相分析，管線側(cè)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(nèi)或晶界，個(gè)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(cè)母材金相組織為鐵素體+珠光體，管道側(cè)熱影響區(qū)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(nèi)壁，沿管壁厚方向擴(kuò)展。

3.5 硬度試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》的要求，對(duì)試樣硬度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表2。由表2可見：焊接接頭硬度滿足GB/T 13296—2013《鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管》中0Cr18Ni9(S30408)要求。

表2 硬度測(cè)定結(jié)果

3.6 焊縫失效原因

設(shè)備法蘭側(cè)材質(zhì)為不銹鋼，管線側(cè)管材質(zhì)為碳鋼，異種鋼焊接選用了不銹鋼焊條。焊縫與法蘭側(cè)管均為不銹鋼，其熱膨脹系數(shù)相差不大，而管線側(cè)材質(zhì)為碳鋼，焊縫為不銹鋼，兩者熱膨脹系數(shù)相差較大，在焊縫冷卻過程中受力較法蘭側(cè)熔合區(qū)大；再者，管內(nèi)壁焊縫成形較差，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(chǎn)生應(yīng)力集中，兩者應(yīng)力疊加，易在缺陷部位優(yōu)先發(fā)生開裂。失效點(diǎn)位于原料氣冷卻器入口側(cè)，介質(zhì)來自經(jīng)洗氨塔(C04207)氨洗滌后的原料氣，管內(nèi)壁附著有鐵銹色垢物。垢物的存在說明原料氣在失效法蘭部位發(fā)生了冷凝，有水相析出；原料氣中的酸性氣體在有水相的環(huán)境下，易形成電解質(zhì)環(huán)境；不銹鋼的焊縫與碳鋼母材存在電位差，在電解質(zhì)環(huán)境中沿熔合線發(fā)生電位腐蝕，在應(yīng)力的作用下，對(duì)焊法蘭沿熔合線發(fā)生開裂，這與裂紋宏觀檢驗(yàn)結(jié)果一致。

4 防范措施

為減少異種鋼焊接產(chǎn)生焊縫開裂，將設(shè)備法蘭(DN500 300LB)304SS材質(zhì)更換為碳鋼法蘭，焊接作業(yè)前編制焊接工藝，焊工在施焊時(shí)必須準(zhǔn)確掌握焊接工藝卡的內(nèi)容。為提高焊接質(zhì)量，焊縫委托第三方檢驗(yàn)單位進(jìn)行無損檢測(cè)，避免焊瘤、未熔合、未焊透、焊縫余高等缺陷的出現(xiàn)。另外,在管道外壁增加蒸汽伴熱，避免介質(zhì)的冷凝現(xiàn)象[3-4]。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)焊法蘭附近的介質(zhì)存在冷凝現(xiàn)象，不銹鋼焊縫與碳鋼母材發(fā)生電偶腐蝕是管道焊縫開裂的主要原因。內(nèi)壁焊縫焊接質(zhì)量缺陷，介質(zhì)易在缺陷部位殘留、聚集，并且缺陷部位易產(chǎn)生應(yīng)力集中，管道焊縫成形較差是造成焊縫開裂的次要原因。

通過對(duì)異種鋼焊縫失效泄漏的原因進(jìn)行分析，并采取了防范措施，避免焊縫泄漏引發(fā)生產(chǎn)事故，保證了裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。