呂遠(yuǎn)鋒 楊輝偉

【摘要】在反應(yīng)產(chǎn)物分離罐的接管法蘭與筒體的焊接過程中產(chǎn)生了裂紋。本文從力學(xué)方面對產(chǎn)生的裂紋進(jìn)行了分析，并針對產(chǎn)生裂紋的因素制定了返修及預(yù)防措施，有效的解決了接管法蘭與筒體焊接裂紋問題。

【關(guān)鍵詞】裂紋 預(yù)熱 后熱 層間溫度

1 引言

我公司為廣西石化公司制造的石腦油加氫-輕烴回收裝置反應(yīng)產(chǎn)物分離罐，其主體筒體厚度為δ=83mm（基層厚度為80mm，復(fù)層厚度為3mm），材質(zhì)為16MnR+Monel400復(fù)合鋼板，設(shè)備上有一個(gè)內(nèi)徑為1400mm的水包，主體筒體及水包上總共有12個(gè)包括人孔在內(nèi)的大小不一的接管法蘭，接管法蘭材質(zhì)為16Mn的Ⅲ級鍛件，接管法蘭公稱直徑為DN50～DN500，接管法蘭內(nèi)側(cè)堆焊Monel合金，水包及接管法蘭與筒體相焊處的管壁厚度最小為90mm，最大為200mm。接管法蘭與筒體采用承插式接頭連接，采用對稱的雙面單邊V型坡口，坡口角度為40°。焊接采用焊條電弧焊，焊條為J507R（E5015）。在組焊第一個(gè)接管法蘭時(shí)，接管法蘭與筒體連接時(shí)在坡口四個(gè)方向?qū)ΨQ點(diǎn)焊固定，焊前采用電加熱進(jìn)行了預(yù)熱，預(yù)熱溫度為100℃，焊接過程中加熱器未中斷過加熱，焊后進(jìn)行了后熱處理，焊接時(shí)先焊內(nèi)側(cè)基層，焊完內(nèi)側(cè)基層后發(fā)現(xiàn)在焊縫區(qū)出現(xiàn)沿焊縫中心的縱向裂紋。采用碳弧氣刨清除裂紋發(fā)現(xiàn)，此裂紋深而長，基本上貫穿了整道焊縫。見下圖1：圖1 焊縫效果

2 裂紋產(chǎn)生原因

根據(jù)裂紋在焊縫中的位置可以判斷此裂紋為結(jié)晶熱裂紋。焊接過程中，焊縫結(jié)晶時(shí)，由于結(jié)晶的先后不同，產(chǎn)生了結(jié)晶偏析，造成了化學(xué)成分的不均勻，形成低熔相共晶，在凝固過程中，低熔相來不及凝固而形成液態(tài)薄膜散布于晶粒表面，在冷卻凝固過程中，當(dāng)液態(tài)薄膜承受不了由于冷卻收縮而引起的拉伸應(yīng)力時(shí)便會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。影響結(jié)晶裂紋的因素主要有冶金及力學(xué)兩個(gè)方面，而采購的復(fù)合鋼板、接管法蘭以及焊材都是經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)收的，驗(yàn)收結(jié)果證明復(fù)合鋼板、接管法蘭以及焊材的質(zhì)量都是合格的，因此，本文主要從力學(xué)因素方面對上述裂紋進(jìn)行分析。

（1）焊接先焊內(nèi)側(cè)基層，此時(shí)，接管法蘭處于垂直朝下的位置，焊內(nèi)側(cè)基層前雖然在外側(cè)進(jìn)行了預(yù)熱，但由于是采用加熱繩進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)接管法蘭置于筒體的正下方時(shí)，盤敷在筒體上的加熱繩便會往下垂，與筒體貼合不好，使得加熱效果不好，因而使加熱溫度達(dá)不到要求，且盤敷在筒體側(cè)的加熱繩寬度不足100mm，加熱范圍不夠，而接管法蘭側(cè)的加熱繩由于可以緊緊纏繞在接管法蘭上，因而貼合良好，加熱效果就好，由此造成了接管法蘭與筒體的溫度不均勻，即焊縫兩側(cè)溫度不均勻，造成熱應(yīng)力的增加。

（2）焊縫兩側(cè)母材厚度較厚，筒體的厚度為83mm，接管法蘭的厚度超過100mm，且接管法蘭與筒體組對時(shí)采用從四個(gè)方向?qū)ΨQ點(diǎn)焊固定，屬于剛性連接。大的厚度及剛性連接，增加了焊縫的拘束應(yīng)力。

（3）內(nèi)側(cè)基層焊接完畢后雖然進(jìn)行了后熱，但并未按工藝要求加熱到規(guī)定的溫度，且后熱時(shí)間也未達(dá)到工藝的要求，同時(shí)，后熱時(shí)雖然在筒體外側(cè)包敷了保溫棉，但內(nèi)側(cè)（即焊縫）卻是裸露的，因而在冷卻時(shí)達(dá)不到緩冷的目的，且造成了內(nèi)、外兩側(cè)的溫度不均勻，快的冷卻速度及大的溫度梯度也增大了熱應(yīng)力的產(chǎn)生。

（4）坡口角度為40°，使得焊縫成形系數(shù)（焊縫寬深比）小于1，給焊縫的受力狀態(tài)、結(jié)晶條件及熱的分布造成了不利影響。

由上述分析可見，接管法蘭與筒體連接的焊接裂紋是由于拘束應(yīng)力及熱應(yīng)力綜合作用而產(chǎn)生的。

3 返修及預(yù)防措施

針對上述裂紋產(chǎn)生的原因，特制定下列返修及預(yù)防措施。

3.1 提高焊縫成型系數(shù)。

（1）采用火焰切割將接管法蘭取下，將其上的熔敷金屬全部去除，打磨光滑，并將筒體開孔坡口重新加工，增大坡口角度至不小于45°，再對管壁打磨表面及坡口表面做MT檢測，確認(rèn)無缺陷后按照3.3條要求重新組對接管法蘭。

（2）將其他所有開孔坡口重新加工，將坡口角度增大至不小于45°。

（3）調(diào)整焊接工藝參數(shù)。采用小規(guī)格焊條進(jìn)行打底焊，填充焊時(shí)也采用小電流、小電壓焊接，并控制焊接速度不宜過快。

3.2 預(yù)熱及后熱的控制

（1）提高預(yù)熱及后熱的溫度。預(yù)熱溫度控制在150～200℃，后熱溫度控制在300～350℃，后熱保溫時(shí)間必須達(dá)到1小時(shí)以上。

（2）對接管法蘭的加熱繼續(xù)采用加熱繩，但對筒體側(cè)的加熱不再使用加熱繩，改用加熱塊。加熱塊能很好的貼附在筒體上，同時(shí)也增大了加熱范圍，加熱寬度達(dá)到220mm，同時(shí)，在接管內(nèi)塞入保溫棉，在待焊接側(cè)距坡口邊緣200mm范圍內(nèi)的筒體上都蓋上保溫棉，只留出焊縫位置以焊接。焊接前用紅外測溫儀測量溫度，達(dá)到預(yù)熱溫度后才開始焊接。

（3）在內(nèi)側(cè)基層焊接完畢后必須按要求進(jìn)行后熱，后熱時(shí)必須保證溫度及保溫時(shí)間達(dá)到工藝的要求，同時(shí)焊縫內(nèi)、外兩側(cè)都必須包敷保溫棉。

（4）筒體外側(cè)焊縫的焊接也必須嚴(yán)格按照上述要求執(zhí)行。

3.3 降低接頭的剛度和拘束度

接管法蘭與筒體組對時(shí)，不再在坡口內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)焊加固，而是改為如下圖3所示方法進(jìn)行固定。圖中四塊支撐板分別與筒體及接管法蘭點(diǎn)焊固定，使得接管法蘭與坡口根部有一定的自由度。

4 結(jié)論

（1）按上述措施對裂紋進(jìn)行返修及再進(jìn)行其他的接管法蘭組焊時(shí)，未再發(fā)現(xiàn)有裂紋產(chǎn)生，焊接質(zhì)量得到了有效的控制。

（2）在對厚壁容器的接管法蘭與筒體焊接時(shí)，采取有效的措施，控制焊縫成型系數(shù)、預(yù)熱溫度、后熱溫度及時(shí)間以及降低接頭的剛度及拘束度，可以有效的預(yù)防裂紋的產(chǎn)生。