接管法兰与筒体焊接裂纹分析及控制

吕远锋 杨辉伟

【摘要】在反应产物分离罐的接管法兰与筒体的焊接过程中产生了裂纹。本文从力学方面对产生的裂纹进行了分析，并针对产生裂纹的因素制定了返修及预防措施，有效的解决了接管法兰与筒体焊接裂纹问题。

【关键词】裂纹 预热 后热 层间温度

1 引言

我公司为广西石化公司制造的石脑油加氢-轻烃回收装置反应产物分离罐，其主体筒体厚度为δ=83mm（基层厚度为80mm，复层厚度为3mm），材质为16MnR+Monel400复合钢板，设备上有一个内径为1400mm的水包，主体筒体及水包上总共有12个包括人孔在内的大小不一的接管法兰，接管法兰材质为16Mn的Ⅲ级锻件，接管法兰公称直径为DN50～DN500，接管法兰内侧堆焊Monel合金，水包及接管法兰与筒体相焊处的管壁厚度最小为90mm，最大为200mm。接管法兰与筒体采用承插式接头连接，采用对称的双面单边V型坡口，坡口角度为40°。焊接采用焊条电弧焊，焊条为J507R（E5015）。在组焊第一个接管法兰时，接管法兰与筒体连接时在坡口四个方向对称点焊固定，焊前采用电加热进行了预热，预热温度为100℃，焊接过程中加热器未中断过加热，焊后进行了后热处理，焊接时先焊内侧基层，焊完内侧基层后发现在焊缝区出现沿焊缝中心的纵向裂纹。采用碳弧气刨清除裂纹发现，此裂纹深而长，基本上贯穿了整道焊缝。见下图1：图1 焊缝效果

2 裂纹产生原因

根据裂纹在焊缝中的位置可以判断此裂纹为结晶热裂纹。焊接过程中，焊缝结晶时，由于结晶的先后不同，产生了结晶偏析，造成了化学成分的不均匀，形成低熔相共晶，在凝固过程中，低熔相来不及凝固而形成液态薄膜散布于晶粒表面，在冷却凝固过程中，当液态薄膜承受不了由于冷却收缩而引起的拉伸应力时便会产生结晶裂纹。影响结晶裂纹的因素主要有冶金及力学两个方面，而采购的复合钢板、接管法兰以及焊材都是经过严格的验收的，验收结果证明复合钢板、接管法兰以及焊材的质量都是合格的，因此，本文主要从力学因素方面对上述裂纹进行分析。

（1）焊接先焊内侧基层，此时，接管法兰处于垂直朝下的位置，焊内侧基层前虽然在外侧进行了预热，但由于是采用加热绳进行预热，当接管法兰置于筒体的正下方时，盘敷在筒体上的加热绳便会往下垂，与筒体贴合不好，使得加热效果不好，因而使加热温度达不到要求，且盘敷在筒体侧的加热绳宽度不足100mm，加热范围不够，而接管法兰侧的加热绳由于可以紧紧缠绕在接管法兰上，因而贴合良好，加热效果就好，由此造成了接管法兰与筒体的温度不均匀，即焊缝两侧温度不均匀，造成热应力的增加。

（2）焊缝两侧母材厚度较厚，筒体的厚度为83mm，接管法兰的厚度超过100mm，且接管法兰与筒体组对时采用从四个方向对称点焊固定，属于刚性连接。大的厚度及刚性连接，增加了焊缝的拘束应力。

（3）内侧基层焊接完毕后虽然进行了后热，但并未按工艺要求加热到规定的温度，且后热时间也未达到工艺的要求，同时，后热时虽然在筒体外侧包敷了保温棉，但内侧（即焊缝）却是裸露的，因而在冷却时达不到缓冷的目的，且造成了内、外两侧的温度不均匀，快的冷却速度及大的温度梯度也增大了热应力的产生。

（4）坡口角度为40°，使得焊缝成形系数（焊缝宽深比）小于1，给焊缝的受力状态、结晶条件及热的分布造成了不利影响。

由上述分析可见，接管法兰与筒体连接的焊接裂纹是由于拘束应力及热应力综合作用而产生的。

3 返修及预防措施

针对上述裂纹产生的原因，特制定下列返修及预防措施。

3.1 提高焊缝成型系数。

（1）采用火焰切割将接管法兰取下，将其上的熔敷金属全部去除，打磨光滑，并将筒体开孔坡口重新加工，增大坡口角度至不小于45°，再对管壁打磨表面及坡口表面做MT检测，确认无缺陷后按照3.3条要求重新组对接管法兰。

（2）将其他所有开孔坡口重新加工，将坡口角度增大至不小于45°。

（3）调整焊接工艺参数。采用小规格焊条进行打底焊，填充焊时也采用小电流、小电压焊接，并控制焊接速度不宜过快。

3.2 预热及后热的控制

（1）提高预热及后热的温度。预热温度控制在150～200℃，后热温度控制在300～350℃，后热保温时间必须达到1小时以上。

（2）对接管法兰的加热继续采用加热绳，但对筒体侧的加热不再使用加热绳，改用加热块。加热块能很好的贴附在筒体上，同时也增大了加热范围，加热宽度达到220mm，同时，在接管内塞入保温棉，在待焊接侧距坡口边缘200mm范围内的筒体上都盖上保温棉，只留出焊缝位置以焊接。焊接前用红外测温仪测量温度，达到预热温度后才开始焊接。

（3）在内侧基层焊接完毕后必须按要求进行后热，后热时必须保证温度及保温时间达到工艺的要求，同时焊缝内、外两侧都必须包敷保温棉。

（4）筒体外侧焊缝的焊接也必须严格按照上述要求执行。

3.3 降低接头的刚度和拘束度

接管法兰与筒体组对时，不再在坡口内进行点焊加固，而是改为如下图3所示方法进行固定。图中四块支撑板分别与筒体及接管法兰点焊固定，使得接管法兰与坡口根部有一定的自由度。

4 结论

（1）按上述措施对裂纹进行返修及再进行其他的接管法兰组焊时，未再发现有裂纹产生，焊接质量得到了有效的控制。

（2）在对厚壁容器的接管法兰与筒体焊接时，采取有效的措施，控制焊缝成型系数、预热温度、后热温度及时间以及降低接头的刚度及拘束度，可以有效的预防裂纹的产生。