异构化反应器中心管约翰逊网焊缝开裂原因分析

赵 奎，缪 苗，熊卫国

（1.福建联合石油化工有限公司，福建泉州362800；2.福建炼油化工有限公司，福建 泉州362800）

在某公司3.2 Mt／a芳烃联合装置的异构化单元开工阶段，对异构化反应系统进行烘炉、干燥之后，对反应器进行检查发现，中心管中部约翰逊网环焊缝出现弧长约1 500 mm，宽约5 mm的裂纹。中心管是异构化反应系统核心部件，为双层管状结构，外层为约翰逊网、内层为孔板结构，材质为0Cr18Ni10Ti，规格φ1 155 mm×14 725 mm，其作用是：从扇形筒进入的反应物料径向流经催化剂发生异构化反应，经约翰逊网过滤，在中心管内部流道汇聚后流出反应器，达到反应物料与催化剂分离、催化剂停留在反应器内部的目的。

1 检测分析

1.1 宏观检查

经宏观检查发现，中心管筛网的环向焊缝在多个位置出现了开裂现象，其中最严重的是环向焊缝开裂（长度超过整个焊缝的1／6），其他环向焊缝也出现开裂（见图1）。对焊缝开裂部位的断口进行观察可以发现，开裂断口主要集中在筛条与焊缝的熔合区（见图2）。在取样断口试样上清晰可见：几乎所有的筛条的焊缝均存在未熔合和未焊透现象，焊缝根部有大量的熔渣。中心管筛网外表面的平整度差。由此可以判断，焊接前未按设计要求开坡口，焊缝间隙相差大，极不规范。

1.2 材质检验

对筛条和焊缝的化学成分进行分析，结果见表1。将分析结果和材料标准值比对，发现材料成分中除了Ni含量略微偏低外，其他材料成分符合相关规范要求。可以认为母材及焊缝材料基本满足规范要求。

图1 环向焊缝开裂

图2 取样焊缝断口

1.3 硬度检测

对焊缝的母材、焊缝及热影响区材料进行显微硬度检测，检测结果见表2。由表2可见，材料的显微硬度基本正常。

表1 筛条母材和焊缝化学成分分析 w，%

表2 材料的硬度 HV

1.4 金相分析

分别对取样材料的母材、熔合线和热影响区，进行金相形貌观察和夹杂物评定［1-2］，金相组织见图3。由图3可以看出：焊缝组织为铁素体+奥氏体，组织情况基本正常，焊缝上发现有微裂纹，在未焊透和未熔合区域，有明显的夹渣缺陷。母材的组织基本正常，晶粒较细，但是在组织上有夹渣物存在。熔合线附近的组织为奥氏体组织，晶粒较母材晶粒粗大，组织中也存在析出物。

图3 金相检验

1.5 扫描电镜分析

为了进一步明确材料组织状况，对金相检验试样进行了扫描电镜分析，结果见图4。电镜检验进一步证明了上述金相检查的结果，焊缝中的确存在微裂纹和夹渣缺陷，且熔合区和母材的组织中有夹渣物存在。

1.6 能谱分析

为了明确母材和熔合线区域材料组织中夹渣物构成，对夹渣物进行了能谱检验，检验结果显示组织中的夹渣物是氮化钛（见图5）。

1.7 筛网结构应力分析

为了明确结构承载对焊缝开裂的影响，特对筛网结构进行了应力分析。采用有限元软件ANSYS对该中心管进行有限元分析。由于中心管结构基本上为轴对称，因此按筒体截面进行有限元建模分析，在轴对称面施加对称约束。中心管当量应力分布情况见图6。由图6可以看出，由于中心管内部产生的应力较小，设计是合理的，在保证制造质量情况下，中心管能承受设计的载荷。也就是说，在正常设计、制造和操作条件下，筛网结构的应力水平很低，不会在焊缝部位出现应力过大导致焊缝开裂的现象。从而排除由于结构设计不合理导致焊缝开裂的可能性。

图4 扫描电镜分析

图5 夹渣物能谱分析

图6 有限元计算结果应力分布

2 分析与讨论

（1）由结构应力分析可知，中心管筛网的结构设计是合理的。在正常设计、制造和操作条件下，筛网结构的应力水平很低，不会在焊缝部位出现应力过大导致焊缝开裂的可能性。

（2）检验发现：在材料成分中，Ni的质量分数略微偏低（检测结果约为8.7%，略低于标准要求的9%），但是其他材料成分基本正常。材料成分的少量偏差可能会对设备的长期使用后的综合性能造成不利的影响，但在装置运行阶段尚未体现，可排除材料成分不当造成焊缝开裂的可能性。

（3）在材料中含有大量氮化钛夹渣物，说明材料质量控制不好，不利于材料长期使用。在不锈钢中添加Ti的目的是细化晶粒，降低材料晶间腐蚀倾向，当材料中Ti与N形成了氮化钛后，材料中添加Ti就失去意义了。氮化钛的存在会降低材料综合性能，对材料长期使用有不利的影响，对焊缝强度有一定的影响，但不是本次焊缝开裂的原因。

（4）开裂断口主要集中在筛条与焊缝的连接部位，并且断裂部位主要在焊缝的熔合区。在取样断口上发现：几乎所有筛条与焊缝连接部位均有未焊透现象，焊缝底部有大量的熔渣。金相和扫描电镜分析发现，焊缝中还存在微裂纹，存在未熔合、未焊透缺陷，在缺陷缝隙中存在明显夹渣物。大量焊接缺陷的存在大大增加了焊缝开裂的可能性，同时在缺陷附近形成应力集中，对焊缝开裂起到推动作用。在缺陷的起止部位，尤其是缺陷的尖角处由于应力高度集中，焊缝沿熔合线开裂并不断扩展，最终导致断裂失效。

（5）焊缝未按照设计要求开坡口、焊接时焊缝间隙不均匀、焊缝中存在大量的焊接缺陷（未焊透和未熔合）。这说明焊接质量差，尤其在焊缝间隙过大的焊缝上，焊接过程中焊缝金属冷却收缩时，会产生很大的拉应力和焊接残余应力，从而加速了焊缝开裂。

（6）焊接结构表面的平整度差，造成实际焊接接头为高约束区域，使得焊接接头存在高拘束、高应力现象，这也易导致焊缝开裂。设计要求中心管表面应该平整、光滑，为此制造方在焊接后对焊缝外表面进行打磨。在正常焊接情况下，外表面的打磨不会对结构强度造成不利的影响。但是对本次分析的情况则不同。由于焊接过程不符合要求，焊缝存在严重的未熔合、未焊透等缺陷，当打磨焊缝外表面金属后，会出现打磨后的筛条与焊缝连接的金属量很少，焊接接头难以满足基本的强度要求，甚至会出现筛条与焊缝分离情况。

综上所述，焊接工艺操作不当导致的焊接缺陷是造成中心管环向焊缝开裂的主要原因。

3 建 议

鉴于中心管焊缝开裂损伤严重，修复具有不确定性和难以预见的风险，基本失去了修复的价值，为保证设备的长周期安全运行，提出以下建议：

（1）更换中心管；

（2）制造厂家严格按照设计要求进行施焊，有效控制中心管筛网表面的平整度；

（3）严格控制筛条材料的化学成分。避免材料成分不当和材料组织中有氮化钛夹渣物存在。