某化工廠蒸汽發(fā)生器修復(fù)過程中的熱處理問題分析

朱 甜

（江蘇焱鑫科技股份有限公司，江蘇 江陰 214421）

0 引言

現(xiàn)有化工生產(chǎn)蒸汽發(fā)生器選用材料的強度大、淬硬傾向也較大，但長期高溫使用過程中也會出現(xiàn)韌性下降、韌脆性溫度升高等情況，極易產(chǎn)生氫致裂紋。傳統(tǒng)焊接技術(shù)，由于忽略了熱處理技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致焊接效果較差，因此以某化工廠蒸汽發(fā)生器裂紋修復(fù)方案為例，重點分析該壓力容器的熱處理問題，為同類焊接裂縫的修復(fù)工作提供參考。

1 設(shè)備技術(shù)參數(shù)及修復(fù)現(xiàn)狀

某化工廠蒸汽發(fā)生器裝置由意大利BOSCO 公司引入，并與當(dāng)年投產(chǎn)運行，現(xiàn)已使用近20 年，設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。該蒸汽發(fā)生器材質(zhì)外殼為ASTM A516、其余管箱管板材質(zhì)為ASTM A182 GR.F22，管箱管板處也是最易出現(xiàn)裂紋區(qū)域，其材質(zhì)為合金材質(zhì)，其中主要的化學(xué)成分組成為：w（S）=0.015%、w（P）=0.015%、w（Cu）=0.15%、w（C）=0.15%、w（Ni）=0.17%、w（Si）=0.25%、w（Mn）=0.47%、w（Mo）=0.92%、w（Cr）=2.21%。通過對該項材質(zhì)的力學(xué)性能進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)，其抗拉強度為656 MPa、屈服強度為452 MPa、材料伸長率為28%。

表1 蒸汽發(fā)生器主要技術(shù)參數(shù)表

該工廠蒸汽發(fā)生器投產(chǎn)以來，由于管箱與管板環(huán)間的焊縫出現(xiàn)過貫穿性橫向裂紋，導(dǎo)致出現(xiàn)過進(jìn)口側(cè)起火事故，應(yīng)用焊接技術(shù)對橫向裂紋進(jìn)行修復(fù)，并再次投入使用后，時間一久焊縫處仍會產(chǎn)生裂紋。因此通過將焊縫切開重新進(jìn)行焊接，并采用新的熱處理工藝進(jìn)行修復(fù)，徹底解決了焊縫缺陷。在后續(xù)使用過程中，焊縫位置也再未產(chǎn)生裂紋缺陷。

2 焊接裂紋形式

由于現(xiàn)有蒸汽發(fā)生器管箱及管板選用材料大多為對再熱裂紋敏感性材料，因此兩者在焊接過程中，接頭處再熱裂紋通常包括以下三種類型：

1）蒸汽發(fā)生器長期高溫工況下生成的裂紋，該類型再熱裂紋形成條件特殊，主要在易發(fā)生二次沉淀硬化的熱強鋼接頭熱影響區(qū)中較為常見；

2）接頭處在焊接后消除應(yīng)力的熱處理工藝流程中產(chǎn)生的裂紋，該類型裂紋也是最常見產(chǎn)生概率最高的一種，是低合金鋼材質(zhì)中接頭再熱裂紋的基本形成方式；

3）堆焊層下產(chǎn)生的裂紋。該類型裂紋主要出現(xiàn)在奧氏體不銹鋼材料堆焊層下基材的熱影響區(qū)，當(dāng)基材屬于再熱裂紋敏感材料時，通過堆焊工藝就容易使堆焊層產(chǎn)生裂紋。

3 熱處理技術(shù)應(yīng)用

完成上述蒸汽發(fā)生器中管箱以及管板的材質(zhì)以及上述管箱管板焊接點位、裂紋產(chǎn)生形式分析后，在裂紋修復(fù)工序中加入新的熱處理工藝，保障修復(fù)工作取得良好的效果。通過分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生裂紋的主要原因發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)過程中氫氣等氣體在高溫下對焊縫這些疏松性材質(zhì)的穿透性較強，造成了裂紋的出現(xiàn)以及沿伸；同時BOSCO 公司制造工藝熱處理工序中溫度500～650 ℃區(qū)域停留時間過長，導(dǎo)致焊接點位硬度過高沖擊韌性大幅降低，同時保溫冷卻速率太慢，又導(dǎo)致材質(zhì)回火脆性難以消除，造成裂紋的產(chǎn)生[1]。因此新的熱處理技術(shù)要考慮到這兩類因素的影響，通過消氫處理、加快升溫降溫速率等方式，降低上述因素對熱處理工藝造成的影響。

3.1 預(yù)熱、消氫熱處理

結(jié)合上述高溫氫氣對焊縫穿透性的影響，同時由于蒸汽發(fā)生器化工廠房濕度大、同時長期的制氫過程使得鋼材吸附氫含量較高，所以可以通過預(yù)熱方式清除焊接部位水分，通過消氫步驟對施焊部位進(jìn)行預(yù)處理，通過上述兩種工序?qū)φ羝l(fā)生器焊接部位進(jìn)行預(yù)處理，減小這些因素對后續(xù)熱處理工藝造成的干擾。選用的履帶式電加熱器安裝于坡口兩側(cè)超出50 mm的距離，同時可在距離破口30 mm 處通過點焊手段設(shè)置測溫點，在蒸汽發(fā)生器管箱內(nèi)、外兩層以及加熱器上均覆蓋一層80 mm 厚的硅酸鋁耐火纖維保溫層，保持加熱溫度，鋪設(shè)方式，如圖1 所示。該項工藝處理方式要求在350 ℃±20 ℃下維持保溫4 h，后續(xù)熱處理工序中絕熱材料、加熱器的選型也同樣不再變動。

圖1 預(yù)熱消氫熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)示意圖（單位：mm）

3.2 中間熱處理

分析蒸汽發(fā)生器管箱以及管板環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋的原因，再熱裂紋形成方式中的前兩類型形成方式即長期高溫工況下生成的裂紋、接頭處在焊接后消除應(yīng)力的熱處理工藝流程中產(chǎn)生的裂紋兩者，都是該蒸汽發(fā)生器焊接裂縫存在的，同時這兩種裂紋的形成方式相似，僅僅在形成時間上有所不同，裂紋的產(chǎn)生均貼合著接頭熔合線，都是在1 200～1 500 ℃的高溫粗晶區(qū)域產(chǎn)生，同時向奧氏體晶界方向延展。采用高約束度焊接接頭殘余應(yīng)力較大，因此就導(dǎo)致裂紋很可能從高溫粗晶區(qū)直接穿過整個接頭壁厚，因此殘余應(yīng)力也就是再熱裂紋產(chǎn)生的重大誘因，在焊接時要盡量消除殘余應(yīng)力造成的影響。因此通過中間熱處理工藝，在坡口焊接一半后進(jìn)行中間消除殘余應(yīng)力的熱處理，可有效減緩殘余應(yīng)力的影響。其中中間熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)，如圖2 所示[2]。

圖2 中間熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)示意圖

由圖2 可以看出，中間熱處理工藝在蒸汽發(fā)生器管箱以及管板焊接接頭間的坡口，通過預(yù)先焊接一半即35 mm 的方式，來降低殘余應(yīng)力帶來的影響。同時需要注意的是，在中間熱處理工序中由于兩次焊接步驟的應(yīng)用，消除了殘余應(yīng)力的同時極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此為避免應(yīng)力集中對后續(xù)修復(fù)工序帶來的影響，需要嚴(yán)格執(zhí)行熱處理修復(fù)工藝，保障修復(fù)工序的安全有序進(jìn)行。

3.3 最終熱處理階段

再熱裂紋產(chǎn)生的溫度通常在500～650 ℃這一區(qū)域，如圖3 所示為裂紋產(chǎn)生加熱溫度與設(shè)定保溫時間之間的關(guān)系，形成一條C 形曲線。可以看出，再熱裂紋在這一溫度區(qū)域內(nèi)是十分敏感的，進(jìn)行最終熱處理過程也應(yīng)盡快通過這一溫度區(qū)間。同時，在升溫階段裂紋尚未焊接修復(fù)，因此這一敏感溫度所需注意的工序應(yīng)處在降溫冷卻階段，通過加快冷卻速率的方式，快速通過這一敏感溫度區(qū)域[3]。

圖3 再生裂紋敏感溫度區(qū)間示意圖

結(jié)合再生裂紋產(chǎn)生原因，BOSCO 公司蒸汽發(fā)生器制造工藝文件中，熱處理工藝在保溫工序后的冷卻階段耗時較長，也就導(dǎo)致維持在敏感溫度500～650 ℃這一區(qū)域的時間很長，從而影響到裂紋的修復(fù)效果。因此在最終熱處理工藝中要首先考慮到這一點，通過改變升溫、降溫速率的方式對熱處理工序進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中調(diào)整后的最終熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)，如圖4 所示，工藝流程曲線，如圖5 所示。

圖4 最終熱處理工藝結(jié)構(gòu)鋪設(shè)示意圖（單位：mm）

從圖4 可以看出，最終熱處理階段蒸汽發(fā)生器管箱以及管板焊接接頭間的坡口，與圖2 相比已全部焊滿，同時為了緩解500～650 ℃這一再熱裂紋極易產(chǎn)生的溫度區(qū)域?qū)π迯?fù)工序造成的影響，從圖5 可以看出，最終熱處理工序流程中在溫度達(dá)到最高點，完成焊接任務(wù)開始冷卻時，初始冷卻速率達(dá)到了150 ℃/h，當(dāng)溫度下降到450 ℃之后，冷卻速度開始減小到不足70 ℃/h，大幅縮短了處于500～650 ℃這一敏感溫度區(qū)域的時間，避免了再熱裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)語

通過對上述蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)即再熱裂紋產(chǎn)生原因、裂紋形式進(jìn)行分析，同時應(yīng)用新的熱處理技術(shù)，對蒸汽發(fā)生器管箱與管板間環(huán)焊縫裂紋進(jìn)行修復(fù)處理，主要包括預(yù)消氫除濕處理、加快冷卻速率兩方面對熱處理工序進(jìn)行優(yōu)化。將該化工廠蒸汽發(fā)生器采用以上熱處理修復(fù)工序后投入使用，裂紋缺陷再未產(chǎn)生，通過實際應(yīng)用表明該項熱處理工藝是可行的。為同類型蒸汽發(fā)生器即壓力容器的焊接裂紋修復(fù)過程提供了參考借鑒，保障了化工廠各類壓力容器的安全高效生產(chǎn)使用。