N2O4冷却器管板接头泄漏焊接修复

陈 玲，任小鸿，周林军，肖银生

（1.四川化工职业技术学院，四川泸州 646009；2.四川泸天化弘旭工程建设有限公司，四川泸州 646300）

0 引言

硝酸是工业生产中一种常见的氧化性酸，在化肥、农药、炸药、染料及盐类等生产中得到了普遍应用[1]。由于其极强的强氧化性和腐蚀性[2-3]，硝酸生产的过程设备容易出现硝酸腐蚀，影响设备的正常使用。因此，生产硝酸的设备需要选择耐硝酸腐蚀的奥氏体型不锈钢。00Cr14Ni14Si4（下文简称C4 钢）属于高硅单相奥氏体不锈钢，具有良好的耐腐蚀性，常在浓硝酸介质中使用[4]。

某厂C4 钢制造的浓硝酸设备投入使用已经10 年，其N2O4冷却器管板部分均为C4 钢焊接而成，其接头在正常使用6 年后出现泄漏，之后每年都进行不间断管口补焊，但少数焊缝在焊后试压还是出现了泄漏现象。现在出现了大面积的渗漏，修补的焊缝金属呈现出焊接铁水不清洁、不光亮，焊缝熔合区边缘裂纹，通过补焊已不能解决问题，需对接头进行分析并制定详细检修方案，从根本解决泄漏的问题，保证设备安全运行。

1 裂纹产生原因

为观察焊缝表面和内部泄漏点情况，先清洗漏点管板焊口，采用射线探伤找出焊缝上的泄漏点；再将管板焊接接头泄漏点部分截取试样，制作焊接接头表面金相试样；腐蚀清洗后利用100 倍金相显微镜进行观察，检查焊缝表面腐蚀情况；最后将试样铣削2 mm 后制作金相，继续观察焊接接头内部泄漏情况，显微组织如图1～图3 所示。

图1 母材显微组织

图2 熔合区显微组织

图3 焊缝显微组织

由图可看出母材的显微组织均为单相奥氏体和少量碳化物；在焊缝表面和焊缝内部熔合区的熔合线上发现微观晶间腐蚀裂纹，裂纹从焊缝向母材延伸，在熔合线上出现腐蚀空洞；焊缝表面和内部组织均为细小的奥氏体和碳化物，在焊缝上均发现了微观晶间腐蚀裂纹，裂纹沿晶界延伸。

从金相检查结果可看出，C4 钢母材组织中出现了少量的碳化物，造成出现碳化物的原因是由于反复返修加热造成的碳化物聚集；在管板表面和内部两个区域的熔合区和焊缝处都出现了腐蚀裂纹，表明N2O4冷却器使用多年后表面腐蚀已较深。随着使用时间的延长，腐蚀深度加深，是检修时出现铁水不清洁和边缘裂纹的原因。为了避免再次出现缺陷，采取将接头已腐蚀的部分全部铣削去除，再设计工艺进行补焊和堆焊恢复焊缝。

2 焊接措施

2.1 工艺分析

C4 钢化学成分见表1，钢中含有大量的Si 元素，可以形成致密的SiO2薄膜，保证了钢的耐腐蚀性能，但Si 在含Ni 量较高的钢中易于偏析，与Ni、S、P 等合金元素形成低熔共晶夹层[5]，在焊接拉应力作用下易产生热裂纹。因此在焊接时，需要采用小线能量焊接，使用小电流短弧直道焊，同时焊道层间温度严格控制在50 ℃以下[6]。

表1 C4 钢化学成分 %

以前返修后试压，管口出现泄漏，分析原因是过去采取从管口内部补焊方法，未采用快速降温的方法，焊接管口时温度过高，使焊缝达到了敏化温度，使耐腐蚀能力下降而出现了腐蚀。因此，焊接时除需用小线能量焊接外，还需采取快速降温的措施，根据本厂实际情况，采用水冷紫铜块进行降温。管板表面加工及坡口形式如图4 所示，紫铜块冷却管头工具如图5 所示。

图4 四氧化氮冷却器坡口

图5 水冷铜块降温示意

2.2 焊接方法选择

由于焊接的管子薄，且焊接坡口深度为2 mm，为了防止缺陷、减少热裂纹产生，采用热输入小的钨极氩弧焊（GTAW）。

2.3 焊接材料选择

焊接材料管厚2.5 mm，板厚40 mm，且C4 钢为奥氏体钢，既要保证焊缝金属力学性能，同时也需保证耐腐蚀能力，因此焊缝成分与母材相似，还应保证铁素体含量为6%～12%，才能保证焊缝性能。之前曾采用过HC4 焊条和KY704H 氩弧焊丝，焊接过程裂纹几率较高，本次焊接选择C4 钢专用A082 焊丝，焊丝成分见表2。

表2 A082 焊丝的成分 %

2.4 焊接参数制定

根据上述分析，当C4钢焊接线能量过大时，易出现热裂纹，而且焊接接头长期在敏化区加热，会使处于高温浓硝酸环境下的管板接头加速腐蚀泄漏，因此采用小线能量、短弧、快速直道焊，保证层间温度不超过50 ℃，并采用水冷铜块降温。焊接工艺参数见表3。

表3 焊接工艺参数

2.5 焊接实施

为减少热输入，除采取合理工艺参数外，焊接时注意事项：①使用技能熟练的焊工进行焊接操作；②焊接时，为避免因保证焊透而加大熔深，焊接操作时每层焊接层高如图6 所示；③每道焊缝宽度应控制在≤2 倍焊材直径，以减少高温停留时间；④为避免弧坑裂纹，熄弧时应将熔池填满，且为防止母材表面划伤，应在焊缝上熄弧，不能引入母材，如图7 所示。

图6 焊接层高控制

图7 修复后的管板

3 结论

用金相分析的方法观察管板接头腐蚀裂纹的分布。采用小线能量、短弧、快速直道焊，保证层间温度不超过50 ℃，用水冷铜块对焊缝进行降温的办法，成功修复了接头缺陷。该接头已成功运行没有出现泄漏，为不锈钢管板接头修复提供案例参考。