丙烷脱氢干燥器现场组焊裂纹分析及返修措施①

陶昌明 洪 朝 费东辉 郑 燕

(宁波市特种设备检验研究院)

2016年初，宁波市特检院对某化工企业丙烷脱氢反应装置两台反应流出物干燥器(21D0206-1/2)现场组焊施工过程进行监检。经TOFD检测发现，两台干燥器下封头与筒体连接的B5环焊缝存在多处裂纹缺陷。安装单位根据返修方案对编号为21D0206-2的干燥器进行第1次返修。经TOFD再次检测发现，局部仍存在裂纹缺陷,部分裂纹发生扩展现象。

Q345R是一种常用的、可焊性较好的压力容器用钢板，且相对应的焊接工艺比较成熟，一般在压力容器实际焊接过程中很少出现多次返修的情况。同时，干燥器的工作温度和压力较高，内部介质(氢气、甲烷、乙烯、乙烷、丙烯、丙烷、异丁烯、硫化氢、异丁烷、苯)具有易燃、易爆和有毒的特点。在筒体封头焊缝现场组焊过程中出现如此严重的裂纹，无疑会给今后的生产使用埋下极大的隐患。因此，分析裂纹产生的原因显得非常必要。

干燥器基本情况丙烷脱氢反应装置反应流出物干燥器主要参数如下：

容器级别 III类

材料 Q345R(正火)

规格φ7800mm×15185mm

筒体厚度 50mm

封头厚度 60/55mm

检测手段 100%TOFD/100%MT/100%RT(接管)

热处理工艺 620±20℃×2h

设计压力 -0.1/0.8/1.18MPa

设计温度 42/260/120℃

工作压力 0.0～0.4/0.00～1.23MPa

工作温度 42～232℃

2016年2月，安装单位根据返修方案及焊接工艺评定和焊接工艺规程，对21D0206-2干燥器的B5环焊缝进行了第1次返修。先采用碳弧气刨清除缺陷，砂轮机修磨刨道，再采用SMAW焊接方法补焊。打底层：φ4.0 mmJR507RH，140～160A，23±2V；其余层：φ4.0 mm、JR507RH，150～170A，23±2V；焊接速度均为12～15cm/min，预热及层间温度控制要求为150±20℃。

返修完毕后经TOFD检测发现，下封头与筒体连接处的环焊缝上仍存在裂纹。

1 缺陷分析

一次返修未能真正解决裂纹等超标缺陷，安装和使用单位邀请监检机构、设计单位和无损检测单位召开了专题会议，来分析问题产生的原因。同时，对该容器使用材料(焊材、母材)、封头等进行了一系列的检测和分析，最终认为返修后仍存在裂纹的原因主要有以下3个方面：

a. 现场组对时，发现封头坡口与筒体坡口形式搞错，按照工艺设计要求B5环焊缝的外口为U形大坡口，里口为V形小坡口，但实际现场组对时，发现封头和筒体的坡口里外大小坡口搞反，为了赶工期特意采用了碳弧气刨的加工方式使两者坡口一致。在此过程中，可能将碳组织残留在焊道里，且在碳弧气刨后的修磨工序中未把气刨碳棒产生的渗碳层修磨干净，且在第1次返修过程中碳弧气刨操作失误粘滞或脱落于坡口中的碳棒端部熔入焊接熔池中(夹碳)，这可能是造成上述区域增碳加并导致严重开裂的关键因素[1]。

b. 焊接预热工艺和执行不到位，产生过大焊接残余应力。焊前预热的目的是使焊缝金属的实际冷却速度低于该种钢的临界冷却速度。如果焊接时焊缝冷却速度超过该种钢的临界冷却速度，焊缝和热影响区就会形成马氏体组织，在氢和热应力的作用下就有可能产生裂纹[2]。根据焊接工艺要求，预热及层间温度应控制为150±20℃，焊工在实际施工过程中可能未按工艺要求严格控制预热和层间温度，且由于现场施工环境恶劣、气温较低，预热后钢板容易快速冷却，部分焊道的温度已低于工艺要求。

同时，该设备的第1次返修补焊过程也有可能产生更复杂的残余应力分布。补焊是在原有的焊道上进行施焊，其残余应力场的分布远比初始焊接复杂，补焊过程中焊接参数(多道焊、热输入和层间温度)对补焊的影响远比初始焊接重要[3]。

2 缺陷处理措施

通过对上述裂纹成因的分析，以及了解设备返修预热工艺处理的效果，渗碳组织和焊接残余应力等拘束应力集中是裂纹产生的主要原因。为此，对该台产品编号为21D0206-2反应流出物干燥器二次返修的主要处理措施有：

a. 用磨光机把整体焊缝(包括熔合线)打磨干净，完全清除渗碳层；

b. 严格按工艺要求进行预热，保证预热效果，使预热温度和面积达到规定要求，同时焊后消氢处理作部分调整，增加保温时间及延长缓冷操作要求，减少温差致收缩应力影响；

c. 增大坡口表面检验及无损检测面积，避免缺陷残留；

d. 所有返修工序的检验检测工作由检验部门专人负责，严格把关；

e. 焊后整体热处理。

对21D0206-2下封头与筒体连接焊缝重新进行TOFD检测，标出缺陷存在的位置、深度。把整条焊缝(包括熔合线)清理去除，然后返修焊接，二次返修方案和工艺要求如下：

a. 碳弧气刨清根前在焊缝上、下熔合线上每隔100mm打上样冲眼，便于双方确认清除整体焊缝(打完样冲眼后，告知监理方)。

b. 气刨清除缺陷前对焊缝进行预热。预热采用返修焊缝整体电加热的措施，预热位置为返修焊缝的外侧(并覆盖保温棉在后热处理后再进行拆除)(保温棉的宽度每侧不少于500mm，保温厚度40～60mm)，控制预热温度不低于80℃，测温仪在焊缝的返修面测温。焊缝预热面积为24800mm(焊缝总长)×200mm(电热带宽度)。

c. 达到要求的预热温度后，内侧用碳弧气刨清除整条焊缝，包括焊缝熔合线(外侧焊缝留深度10mm不清除，待内侧焊缝返修完后再清除返修外侧焊缝)。待温度缓冷降至常温，用PT检测坡口部位，以确认缺陷是否清除(检测结果如还遗存有缺陷，则需依照以上工艺继续清除缺陷，直至缺陷全部被清理)。卸去保温带，外侧(背面)用UT检测是否存在裂纹，以确认缺陷是否清除(检测结果如还遗存有缺陷，则需依照以上工艺继续清除缺陷，直至缺陷全部被清理)。刨道的宽度按缺陷深度利用计算。用砂轮机对刨道进行坡口修磨处理，直至磨出金属光泽。(打磨渗碳层厚度不低于3～5mm)。

d. 确认返修焊缝中所有的缺陷被清理消除后，在焊缝的外侧进行焊前预热(整条)，严格控制预热温度在150±20℃，测温仪在焊缝的返修面测温。焊缝预热面积为24800mm(焊缝总长)×200mm(电热带宽度)，同时应检测坡口面的温度)。

e. 返修补焊采用SMAW，多名焊工(4人)同时对称地对返修焊缝进行焊接，焊接位置为横焊。焊接材料为焊条J507RH，打底用φ4mm焊条， 130～150A， 24±2V,焊接速度12～15cm/min；填充用φ5mm焊条, 160～190A， 26±2V，焊接速度12～15cm/min。开始焊接时4名焊工同时沿顺时针方向施焊，前一层焊缝焊接结束再焊接下一层焊缝，焊接方向与前一层方向相反。焊接过程中注意控制焊接线能量，采用多层多道焊接，尽量错开每层的焊接接头，注意层间杂质应清理干净，控制道间温度不小于预热温度，在150±20℃之间(整个返修焊接过程中，加热装置全程监控，保证道间温度不低于预热温度)。每道焊缝焊接完应仔细观察焊缝是否有其他缺陷产生(如表孔或夹渣)，如出现缺陷，应马上修磨清除，若没有问题，再接着焊接下一道焊缝。

f. 焊接时每层应多设焊接段，每层段与段保留150mm之间缺口，待所有焊接段完成后，统一对称封口，封口时用φ4mm焊条并覆盖每层焊接段5～10mm，封口后停留5～10min，打磨封口接头并全部清理焊缝表面的夹渣和缺陷；焊接时焊层厚度不大于焊条直径+1mm，摆动宽度不大于焊条直径的4倍。返修盖面层采用φ4.0mm焊条。

g. 焊接预热要分段控制，每段设一个热电偶，准确控制预热温度，以便于控制层间温度不超过200℃。焊后将焊缝余高打磨至不高于齐平，打磨时保持预热温度。

h. 所有返修焊缝一经开始焊接，中间不得停顿直至焊接完成。(焊接过程中如确实需要停顿，需进行250±20℃×2h消氢处理)。

i. 内侧焊缝返修完成后，采用相同的工艺返修外侧焊缝。

j. 整条焊缝返修焊接后，应立即进行加温消氢处理，加温温度在250±20℃之间，保温时间120min，然后缓冷至150℃，再保温60min，最后缓冷至常温(保温棉在温度降至常温后拆除)。

k. 清理焊缝表面的飞溅杂质，修磨焊缝余高与母材齐平，注意焊缝两侧圆滑过渡，不允许有咬边存在。

l. 消氢处理48h后，MT和TOFD检测焊缝，MT检测要求是焊缝内外表面。TOFD对返修焊缝进行检测，按 NB/T 47013.10-2015标准评定,Ⅱ级合格[7]。

m. 如有缺陷，可局部挖补处理，局部挖补时采用角向磨光机和电动金属旋转锉，挖补工艺同上；当焊补工作量较小时，采用φ3.2mm焊条，操作要求同上。

n. 在焊缝完全返修合格后进行设备整体热处理，依据整体热处理方案执行。

3 注意事项

3.1压力容器焊接要严格执行焊接工艺的要求，依据焊接工艺规程来控制焊接工艺参数。对于厚板焊接，要关注制造厂是否采取了恰当的预热工艺且认真执行，否则有可能因焊缝内外温差过大，而致收缩应力过大产生裂纹。

3.2在使用碳弧气刨焊缝清根、坡口加工及缺陷清除等工序时，要重点关注气刨后的修磨工序，应确认把气刨碳棒产生的渗碳层修磨干净，否则有可能使焊缝出现渗碳现象而产生裂纹。

3.3焊接残余应力的分布复杂，也与周围环境拘束有关，在一条焊缝上先焊与后焊的时间早晚不同，彼此都要相互影响。因此，对于容器制造装配的工序，要严格按照相关标准及设计文件的要求执行，不可随意颠倒顺序。

3.4焊缝的返修要严格执行《固定式压力容器安全技术监察规程》中第4.2.1.4条关于焊缝返修的要求。焊缝返修应当首先分析缺陷产生的原因，提出相应的返修方案，再严谨地执行，切不可在未确认缺陷原因之前就盲目返修，致使缺陷越返越多或导致更严重的缺陷。

[1] 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册——焊接方法及设备[M].北京：机械工业出版社，2007：340.

[2] 石琳，古敏，鲁果昌，等. 焊接预热和后热的理论基础及实际应用[J].石油和化工设备，2015，18(2)：48～52

[3] 沈利民，巩建鸣，余正刚，等. Q345R钢焊接接头不同部位补焊残余应力的有限元分析[J].焊接学报，2009，30(9)：57～60

[4] 吕吉生. 浅谈厚板焊接裂纹返修技术[J].中国高新技术企业，2013，(24)：51～52.

[5] 沈贵祥，李楠，刘金娜. 焊接冷裂纹产生原因及防止措施[J].科技与企业，2013，(17)：269.

[6] GB 150，钢制压力容器[S].北京：中国标准出版社，2011.

[7] NB/T 47013，承压设备无损检测[S].北京：新华出版社，2015.