劉 蘭，謝遠奉，段大軍，尚洪寶

（重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

石化建設(shè)工程涉及的生產(chǎn)裝置大都處于高溫高壓、易燃易爆的復(fù)雜工況中，對于目前大量應(yīng)用的鉻鉬鋼Cr5Mo和15CrMo而言，由于含有Cr、Mo等碳化物形成元素，從而使接頭過熱區(qū)具有不同程度的再熱裂紋敏感性。因此，即使在出廠時焊縫探傷檢測和閥門強壓測試中（常溫檢驗）均合格，未發(fā)現(xiàn)裂紋和外漏情況下，并不能說明焊縫的內(nèi)部力學(xué)性能達到要求。某石化現(xiàn)場運行僅半年的閥門上閥蓋中部焊接處出現(xiàn)介質(zhì)外漏，見圖1?，F(xiàn)場介質(zhì)為360℃的循環(huán)油，介質(zhì)壓力2.6MPa，上閥蓋材質(zhì)為Cr5Mo，蓋與填料焊縫位置泄漏，屬焊接缺陷。在無損檢測和強壓試驗都合格的情況下，依然出現(xiàn)使用性能不合格，將從以下幾方面進行分析。

1 焊接缺陷出現(xiàn)的原因

1.1 焊接工藝

圖1 某石化現(xiàn)場閥門上閥蓋焊接處介質(zhì)外漏照片F(xiàn)ig.1 Photo of the media leakage at the valve cover welding on a petrochemical site valve

表1 預(yù)熱溫度Table 1 Warm-up temperature

使用性能的合格首先是以焊接工藝作為技術(shù)支持的。因此，在實際焊接過程中焊接人員嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝顯得尤為重要。根據(jù)SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》7.2.4規(guī)定鉻鉬合金鋼采用熱加工方法時，坡口表面應(yīng)100%進行無損檢測。如果未進行100%無損檢測直接進行焊接施工，會將母材原始缺陷或坡口加工過程中產(chǎn)生的缺陷遺留在焊縫中。此外，預(yù)熱、焊后消氫不到位對1Cr5Mo鋼的冷裂紋控制不利。焊接Cr-Mo鋼時，工程上采用預(yù)熱，焊后消氫以及消除應(yīng)力熱處理來防止冷裂紋的產(chǎn)生[1]。

1）預(yù)熱是最重要的手段，不僅對減少殘余應(yīng)力和限制擴散氫具有一定作用，而且通過控制熔池冷卻速度和焊接線能量的穩(wěn)定獲得適宜的焊接熱循環(huán)，從而達到防止冷裂紋和再熱裂紋、控制組織以達到滿意的性能。此外根據(jù)GB50236-2011《現(xiàn)場工業(yè)設(shè)備、管道焊接工程施工規(guī)范》7.3.7條明確規(guī)定：管子焊接時，管內(nèi)應(yīng)防止穿堂風(fēng)，焊口兩端需要封堵，不讓管內(nèi)流動的空氣形成穿堂風(fēng)，防止根部焊接接頭冷卻速度加快，易形成硬化組。根據(jù)SH3520-201規(guī)范《石油化工鉻鉬鋼焊接規(guī)程》，焊前預(yù)熱宜采用電加熱方式進行，預(yù)熱溫度宜在距對口中心50mm～100mm范圍內(nèi)進行測量，最低預(yù)熱溫度符合表1的規(guī)定，而且預(yù)熱溫度有熱電偶控制。

2）焊后消氫處理可以消除金屬中產(chǎn)生氫脆、增大裂紋傾向的“擴散氫”，氫致裂紋產(chǎn)生溫度在-100℃～100℃之間，故消氫溫度不應(yīng)低于200℃；SH3501-2011《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗收規(guī)范》消氫處理溫度定為 300℃～350℃，氫的擴散速度與溫度有關(guān)，并需要一定時間。因此，消氫處理必須按照規(guī)定的溫度時間才能有效果，而且氫致裂紋不會立即出現(xiàn)，具有潛伏期，所以焊后消氫處理必須在冷裂紋尚在潛伏期未開裂前實施，盡量在焊后立即處理[2]。

3）焊后熱處理的作用是消除焊接殘余應(yīng)力，改善組織、除氫。其效果依賴于加熱速率、加熱溫度、保溫時間及冷卻方式，SH3520-2015《石油化工鉻鉬鋼焊接規(guī)范》第10節(jié)對不同鉻含量的鉻鉬鋼焊后熱處理加熱溫度、升溫速度和保溫時間做了具體規(guī)定，實際操作中應(yīng)嚴(yán)格控制升溫、恒溫及降溫過程，焊口下方應(yīng)設(shè)置熱電偶。上述焊接缺陷一個原因就是在上閥蓋焊接后所進行的“去應(yīng)力熱處理”過程中，未嚴(yán)格遵循工藝要求，導(dǎo)致接頭高溫綜合性能（蠕變強度、抗回火脆性等）未達到產(chǎn)品技術(shù)條件要求，焊接應(yīng)力未完全釋放，存在應(yīng)力殘留，在閥門實際使用過程中，由于介質(zhì)高溫及壓力的作用，焊接應(yīng)力逐步釋放，進而導(dǎo)致焊縫擴展，出現(xiàn)外漏[3]。

焊接作業(yè)人員未嚴(yán)格按照焊接工藝執(zhí)行是焊接缺陷產(chǎn)生的重要原因之一。

1.2 焊接接頭的坡口形式

在焊接接頭內(nèi)，由于某一構(gòu)件的焊接而造成的收縮變形常常受到周圍構(gòu)件的拘束。因此，在焊接區(qū)產(chǎn)生拘束應(yīng)力σw，由干焊接變形受限制而產(chǎn)生的焊接應(yīng)力與拘束度Rf的關(guān)系為σw=mRf，式中，m為拘束系數(shù)，它除了與材料的物理性能即：熱膨脹系數(shù)、熔點、比熱有關(guān)外，還與對接接頭的坡口角度有關(guān)。顯然，同樣的材料、同樣的板厚，由于焊接接頭的坡口形式不同，即使是同樣的拘束度，其拘束應(yīng)力也會不同（主要是大小和方向）[4]。

通過對上述出現(xiàn)質(zhì)量問題焊接式上閥蓋產(chǎn)品進行切割并腐蝕后發(fā)現(xiàn)（圖2），加工坡口為Y型，且鈍邊厚度太大，中間沒預(yù)留間隙，導(dǎo)致焊接時根部未融合，人為地制造了一個裂紋擴展方向，在產(chǎn)品使用過程中受到高溫高壓時極易沿著鈍邊縫隙繼續(xù)擴展是出現(xiàn)焊縫失效的主要原因。

由此可以從焊接坡口設(shè)計上著手對其進行改進，降低人為因素導(dǎo)致焊縫失效。

2 焊接坡口設(shè)計形式

各標(biāo)準(zhǔn)對接焊中坡口型式推薦如下：

圖2 切割腐蝕后的示意圖Fig.2 A diagram of the corrosion after cutting

圖3 ASME IX QW-469.1 [5] 有墊板對接接頭Fig.3 ASME IX QW-469.1 [5] with pad butt joint

圖4 ASME IX QW-469.2 無墊板對接接頭Fig.4 ASME IX QW-469.2 padless pad butt joint

圖5 NB/T47015-2011 [6] 坡口形式與尺寸（僅能單面施焊）Fig.5 NB/T47015-2011 [6] groove form and size(only one side welding)

由ASME IX和NB/T47015-2011對焊接坡口設(shè)計的要求可以看出，在對接焊過程中都會在兩零部件中間預(yù)留間隙，其大小根據(jù)需要進行取舍。

圖6 某公司坡口設(shè)計簡圖Fig.6 A brief picture of a company's slope design

圖7 對比實驗坡口設(shè)計簡圖Fig.7 A sketch of the design of the experimental bevel

圖6 為某公司現(xiàn)在大部分焊接式上閥蓋坡口設(shè)計簡圖，從圖中可以看出當(dāng)填料函和蓋在定位工裝上對接后完全貼合，而在焊接中，因為焊條端部為φ2.5～φ4.0的圓頭，在焊接圖6中的銳角接頭時根部不能完全融合（如果電流開過大，會引起焊條過熱藥皮掉落失效，且嚴(yán)重影響焊縫組織性能，不符合焊接工藝要求），在焊趾及根部將出現(xiàn)高應(yīng)力集中區(qū)（從后面的拉伸試驗斷口形貌可看出，見4.1節(jié)）[7]。

通過上述分析結(jié)果，現(xiàn)將坡口簡要改為預(yù)留間隙的形式進行實驗對比分析（見圖7）。

3 焊縫宏觀目視對比

目前某閥門公司在設(shè)計時沒有預(yù)留中間間隙值，導(dǎo)致在焊接過程中焊縫根部不能完全融合（正確的焊接工藝參數(shù)情況下），本實驗使用材質(zhì)為F11，以高溫焊接式上閥蓋管狀形式進行，嚴(yán)格按照NB/T47014-2011承壓設(shè)備焊接工藝評定執(zhí)行，具體情況如圖8。

從圖8中可以看出，001號在留有3mm間隙值后焊縫根部完全熔透；而002號試樣在焊縫根部均出現(xiàn)未焊透的情況。

通過圖9、圖10可簡要說明兩種形式坡口受力情況。

在002號（未留間隙）試樣中焊接應(yīng)力主要方向為垂直焊縫向上，在受外力作用下會優(yōu)先向焊縫處斷裂導(dǎo)致焊縫失效（見圖10）。

圖8 001號（留間隙3mm）和002（無間隙）號試樣宏觀目視圖Fig.8 001 (3mm left gap) and 002 (no gap) sample macro-view

圖9 焊縫酸洗過后形貌圖及受應(yīng)力方向趨勢Fig.9 Profile and stress direction trends after solder pickling

表2 拉伸試驗對比Table 2 Stretch test comparison

在001號（留間隙）試樣中焊接應(yīng)力主要方向為水平方向，在受外力作用下如果產(chǎn)生裂紋會優(yōu)先向母材處延伸，因母材性能優(yōu)于焊縫，所以承受裂紋擴展力更強而不容易產(chǎn)生裂紋。

4 001號和002號試樣力學(xué)性能對比實驗分析

4.1 拉伸試驗對比

從圖11中可以看出001號（有間隙）2個試樣均為母材端斷裂且斷口較平整，而002號（無間隙）2個試樣均為焊縫熔池根部處斷裂且斷口形貌復(fù)雜，說明受力方向較為復(fù)雜，同時抗拉強度較001號試樣偏低（見表2）。

圖10 實際產(chǎn)品出現(xiàn)的裂紋Fig.10 Cracks in actual products

圖11 拉伸試驗對比Fig.11 Stretch test comparison

圖12 彎曲試驗對比Fig.12 Bending test comparison

4.2 彎曲試驗對比

從圖12中可以看出：001號3個試樣完全彎曲過后都未出現(xiàn)裂紋，效果良好；002號3個試樣在彎曲力Fm=10（KN）左右時就幾乎完全斷裂（001號3個試樣完全彎曲后的峰值力約為23KN），且002號幾個試樣斷裂位置均為之前所看到焊縫根部未熔透處。

根據(jù)前面的實驗分析得出：在做焊接工藝評定時，操作者刻意對V型坡口（未留間隙）樣件在焊接工藝允許范圍內(nèi)加大電流焊接，結(jié)果還是導(dǎo)致焊縫根部未焊透。在各項實驗中均有明顯的效果對比。

圖13 改進的坡口結(jié)構(gòu)圖Fig.13 Improved bevel structure diagram

通過實驗對比及ASME IX和NB/T47015-2011等標(biāo)準(zhǔn)推薦，結(jié)合焊接式上閥蓋手工電弧對接焊工藝，應(yīng)在對接焊縫中間預(yù)留2.5mm～3.5mm間隙保證焊接質(zhì)量（節(jié)點設(shè)計簡圖如圖13所示）。其中，在焊縫焊接時并不是焊得越多就越好（焊得越多，會增加熱輸入對焊縫組織的負影響）。因此，對于厚壁零件在增加了2.5mm～3.5mm間隙后，為了減少焊接量應(yīng)適當(dāng)將角度A減小。

5 結(jié)語

通過對閥門鉻鉬鋼材質(zhì)焊接式高溫上閥蓋在高溫高壓石化現(xiàn)場易出現(xiàn)的焊接質(zhì)量缺陷的原因和預(yù)防改進措施做了深入分析探討，相關(guān)單位必須對焊接工作制定好預(yù)防措施，嚴(yán)格按規(guī)矩辦事，依據(jù)現(xiàn)有的焊接施工規(guī)范進一步強化鉻鉬鋼焊接工藝，提高焊接質(zhì)量，加強操作人員生產(chǎn)規(guī)范及質(zhì)量管控意識，從根本上避免安全問題和質(zhì)量問題。