合成废锅管箱与管板合拢焊缝裂纹的分析及处理

合成废锅管箱与管板合拢焊缝裂纹的分析及处理

吴云鹏

奎屯锦疆化工有限公司新疆奎屯833200

摘要：某合成氨装置废热锅炉在运行的过程中，废热锅炉管箱与管板合拢缝出现了多处裂纹，针对出现的裂纹做了一系列检测及分析后对裂纹进行了处理，保证了设备的安全性能。

关键词：裂纹；打磨；焊接；消氢；热处理

1前言

Casale氨合成生产工艺中合成回路蒸汽发生器（简称合成废锅）属于装置关键设备，该设备长期处于高温高压临氢工况下，设计主体材料、焊接接头的各项性能指标要求非常严格。

裂纹是所有焊接缺陷中危害最大的，在任何探伤标准中裂纹都是不允许存在的缺陷，因为裂纹是断裂性缺陷，在应力作用下具有扩展性，国内外均有焊接件因焊接裂纹导致的灾难性事故的发生。

本文就废热锅炉管箱与管板合拢缝出现的裂纹和处理进行深入分析。

2设备情况简介

瑞士Casale设计工艺，国内制造三类压力容器。采用进口典型抗氢材料，锻焊结构的高温高压换热器。

2.1设备技术及工艺参数

工作温度（℃）：444.1℃/275.3℃（管侧）/245.0℃/253.3℃（壳侧）

工作压力（Mpa）：14.02MPa（管侧）/4.22MPa（壳侧）

设计温度（℃）：480℃/350℃（管侧）/265℃（壳侧）

设计压力（Mpa）：16.0MPa（管侧）/4.6MPa（壳侧）

介质名称：管侧：合成气（含氢59.33%）壳侧：蒸汽。

材料：管箱筒体：SA336F22CL3；管板：SA336F22CL3堆焊INCONEL600。

2.2经过描述

该合成氨装置在检修过程中，废热锅炉设备的管箱与管板环焊缝B2焊缝在外表面10点至11点位置有1条表面横向裂纹（垂直于焊缝），经第三方检测机构用超声波+TOFD复检：裂纹缺陷呈倾斜两个倒梯形，表面宽度25mm，裂纹最宽110mm，在深度25~40mm范围内，最内侧裂纹宽度在25mm左右，沿焊缝环向倾斜宽度约30mm，裂纹向筒体方向延伸60mm，向管箱方向延伸25mm，合计总长度110mm，具体如图1所示，虚线处为裂纹。

图1裂纹截面示意图

先拆除管箱端部法兰及压盖：用Φ6mm碳棒将压盖与法兰密封焊焊缝刨掉3-4mm，用砂轮片将焊缝切开，打磨密封压盖与法兰面，并100%PT检测合格备用。然后对B2焊缝内侧进行100%PT检测，Ⅰ级合格，裂纹情况如下：

图2B2焊缝外、内侧裂纹

由图2可以看到：设备B2焊缝内侧存在9条裂纹：

①、大部分裂纹为横向裂纹，横向裂纹长度基本等于焊缝宽度；

②、部分横向裂纹上带有5~10mm的纵向裂纹；

③、有一条长约100mm的纵向裂纹贯穿两横向裂纹，该处焊缝位置与检修时发现的设备的外表面的裂纹位置一致，为贯穿性裂纹。

对管箱与管板合拢缝B2内、外侧进行硬度检测：该环缝内外侧带裂纹区域的硬度为HB：240~290，该环缝内外侧未带裂纹区域为HB：155~205

2.3原因分析

SA336F22CL3的公称成分为2.25Cr-1Mo，该钢材属于珠光体耐热钢，合金元素较多，具有较强的淬硬倾向。根据管板与管箱合拢焊缝B2的硬度检测结果及裂纹形貌，可初步判定裂纹为应力裂纹，造成裂纹的因素有以下几点：

①、该环缝在施焊时的热处理方式为局部热处理，采用的是电加热板内、外侧同时加热并保温的方式进行，局部热处理过程中加热板与筒体未贴合紧密造成热处理不到位，导致局部硬度偏高。有潜在焊接残余应力，在达到一定使用周期后出现扩展和裂纹产生。

②、管板正下方有固定支座，管箱与管板的合拢焊缝B2没有自动移动量，在管程与壳程之间压力差、温度差的作用下，B2焊缝应力增大。

③、该环焊缝承受管箱自重、工艺接管管道及阀门连接件载荷和管道不同材质热膨胀影响，产生不同位移量下焊缝会承受更多应力，加剧了焊接残余应力的释放。

④、运行工况的波动和开停车次数过多，设备温升速率无稳定规律，也是促进了残余应力的释放和裂纹的产生。

⑤⑥

3返修方案：

3.1拆除影响内部作业的内件，并清理干净设备内侧介质及杂物。

3.2对管箱承压焊缝内外表面进行全面检查。

3.2.1对承压焊缝进行100%UT+100%MT%/100%PT检测，Ⅰ+Ⅰ级合格。

3.2.2对管箱上的B，D类焊缝进行100%（UT+MT/PT），Ⅰ+Ⅰ级合格。

3.3环缝返修：

3.3.1为防止返修时新的应力裂纹的出现，在返修前，先对该焊缝进行局部热处理，保温温度690±14℃，保温时间20~22h。

3.3.2、环缝返修先从外侧进行返修，外侧返修完成后再返修内侧。

3.3.3、待该区域冷却至200~250℃时，撤去外侧保温棉或电加热带，使用碳弧气刨从外侧清除缺陷，碳刨时应垂直于裂纹方向进行碳刨，碳刨完成后砂轮打磨渗碳层及淬硬层，打磨厚度应不小于0.5mm，确认裂纹清除干净。

垫板补焊前需注意以下几点：

（1）、焊接垫板需要进行配割。

（2）、补焊前清理待焊接处，焊前预热160~230℃，焊条使用CM-A106N，焊接工艺参数见表1，焊后立即火焰消氢处理（300~350）℃×（15~20）min。

3.3.5、焊缝补焊：

焊条电弧焊先补焊外侧，焊前预热160~230℃，待外侧补焊完成后，将外侧补焊区域及周围300mm范围使用加热板加热，加热至200~250℃后撤去内侧加热板，立即再用碳弧气刨从焊缝内侧进行碳刨，去除焊接衬板，砂轮打磨渗碳层及淬硬层，打磨厚度应不小于0.5mm，确认垫板清除干净，再使用焊条电弧焊将返修处继续焊完。

3.3.6、焊后立即进行电加热消氢：（300~350）℃×（3~3.5）h，保温缓冷至50℃以下拆除保温棉。

3.3.7、对补焊处进行清理并自检。

3.3.8、焊后检测：

（1）外观。

（2）焊后24h后探伤：100%TOFD+100%UT+100%MT/100%PT，Ⅱ+Ⅰ+Ⅰ级合格。

经上述无损检测后，未发现超标缺陷。

3.3.9、对B2整条焊缝进行局部消应力热处理。

3.3.10热处理后检测：

①、热处理后对B2环缝进行100%UT+100%MT/100%PT，Ⅰ+Ⅰ级合格，未发现超标缺陷。

②、进行硬度检测：对B2焊缝内外侧测量不少于8处（8个点呈360°均布），每处不少于6个点（包含焊缝、热影响区及母材），合格指标为HB≤225。

经检测，以上硬度值范围为160≤HB≤195，符合要求。

③、金相检测：对B2环缝及母材等进行金相检测，检测结果为珠光体组织。

3.3.11水压后检测：

①、水压试验后对管箱上的B，D类焊缝进行100%（UT+MT/PT）；Ⅰ+Ⅰ级合格，未发现超标缺陷。

②、水压试验后并对管箱母材（包括管箱筒体、管板、端盖）能检测到的部位进行100%（UT+MT/PT）检测，Ⅰ+Ⅰ级合格，未发现超标缺陷。

结语

通过此次裂纹案例的研究，对淬硬倾向大的材料预防裂纹的产生有一定的借鉴意义：此类焊缝的返修施焊，必须有详细、严格、全面的焊接作业指导书、评定，先进有效可靠的热处理设备和工具，经验丰富的施工队伍；周密安排各专业的施工与衔接，严格控制各环节质量；特别是重点监控焊后热处理工艺和施工，恒温时间在20~30小时以内。

参考文献：

[1]GB150-2011压力容器

[2]TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》

[3]HG20584-1998《钢制化工容器制造技术规定》

[4]NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》