厚壁容器接管焊接裂纹的原因分析及应对措施

尹大如

【摘要】通过对厚壁容器接管焊接裂纹产生的原因进行分析，制定了合理的修复工艺、采取相应的防范措施，成功的修复了接管焊接裂纹、优化了制造工艺。

【关键词】厚壁容器 接管焊接裂纹 原因分析 修复 优化工艺

我公司中标某石化厂冷高压分离器，该设备壳体材质为16Mn锻件。封头厚度150+4（堆焊TP316L）mm，筒体厚度250+4（堆焊TP316L）mm，总高度16.5米，管口数量为13个，最大的接管人孔接管的公称直径为DN600，最小的接管液位计口接管的公称直径为DN80，总重量280吨。由于我公司以前有制造板焊式加氢反应器的经验（厚度在150mm左右），并且冷高压分离器虽然厚度比加氢反应器厚一些，但是材料并不特殊，所以从思想上没有引起足够的重视，在制造上就采用了板焊式加氢反应器的焊接工艺。

在制造过程中，接管外侧焊完后，在内侧清根过程中发现有局部裂纹，裂纹的总清除长度在200-400mm左右，宽度在50-80mm，深度70-130mm，局部裂纹沿焊缝切线方向延伸至筒体母材60mm。

1 原因分析

裂纹的产生主要有下列原因：

（1）焊前及焊接过程中的加热范围小，预热温度控制不好，焊接过程中对预热温度没有进行有效的监控。

焊前及焊接过程中的预热温度控制是避免产生冷裂纹的重要措施，预热温度失控，极易造成裂纹。

产生裂纹的几个接管，预热过程中的加热范围太小，容易造成预热温度不够且不均匀。这台设备的接管与筒体24小时焊接，特别是在晚上焊接时，由于没有检验员对预热温度进行抽检，而热处理工对预热温度的监控又不够重视，造成焊接时预热温度不到位。

（2）焊接过程断断续续。

对于厚壁设备的接管与筒体的焊缝，拘束应力非常大，焊接时容易从根部产生冷裂纹。理想的状态是焊缝一次焊完，但设备制造过程中由于人力资源方面的原因，部分接管没有一次焊完，增加了出现裂纹的可能性。

（3）一面焊接完成后没有及时对另一面进行清根。

产生裂纹的几个接管一面焊接完成后，另一面没有及时清根，这也增加了出现裂纹的可能性。

事后了解到，国内其他厂家也发生过由于清根不及时而导致加氢反应器的接管与筒体焊缝出现严重的裂纹。

某厂1台加氢反应器（母材2.25C r-1Mo）的热电偶管与筒体的焊接中，预热温度保持在200-250℃，外侧焊缝一次焊完，焊后立即进行焊后中间热处理，并在热态清根处理，内侧焊接完成后进行消氢处理，焊缝检测合格。而同台设备的另外几个接管与筒体焊缝，采用外侧一次焊完，先局部消氢处理，搁置一段时间后再并炉进行中间焊后热处理，结果有部分接管产生了纵向裂纹，遍布环缝整圈，并由根部向外表扩展，几乎裂透，制造厂将接管全部割除，并对裂纹的性质及原因进行分析，主要原因是焊接结构刚性大且焊后消氢不够而产生的氢致裂纹。经解剖检验发现，宏观端口上有多处裂纹源，焊根及夹杂物不仅导致了应力集中，而且造成了氢的聚集。断口微观具有解理、准解理及二次裂纹等氢脆特性[1]。

2 应对措施

2.1 改进加热方式及加强对预热温度的监控

（1）焊接焊缝外侧时，内侧电热板覆盖宽度必须包括整个接管端面以及焊缝内侧外围300mm范围；焊缝外侧施焊坡口周围（包括筒体侧、接管侧；仅露出坡口，不影响施焊即可）500mm范围铺设保温棉保温；接管内部也需塞上保温棉，具体如图2所示。

（2）焊接焊缝内侧时，外侧电热板覆盖宽度必须包括焊缝两侧300mm范围（包括筒体侧、接管侧）；焊缝内侧包括整个接管端面以及焊缝内侧外围500mm范围（仅露出坡口，不影响施焊即可）铺设保温棉保温；接管内部也需塞上保温棉。

（3）在改进加热方式的同时，加强对预热温度的监控。每30分钟测温一次，并形成记录，每个接管每次测温至少4个点，同时在距离坡口150mm处对称布置2个热电偶。

2.2 剩余接管施焊时，连续施焊，中途不得停工

2.3 剩余接管施焊时，要求在正面施焊厚度至50～70mm时，在热态下对反面进行清根，并将反面焊完

然后再进行正面的焊接，全部焊完后再进行中间热处理。3 应对措施效果

按照改进后的工艺要求进行焊接的接管与筒体焊缝进行RT、UT、MT检测时全部一次合格，说明应对措施是可行的，有效的。

4 接管焊接裂纹的修复

4.1 修复工艺

（1）加热方式及对预热温度的监控方式与应对措施中的一致。

（1）清除至150mm时，如果裂纹完全清除干净，去除渗碳层后，继续焊接，焊接完后做560℃中间热处理。

（2）清除至150mm时，如果深度方向还未清除干净（但是内侧部分0～150mm厚度内的裂纹必须清除干净，不允许挖洞式去除裂纹；裂纹清除时，裂纹上部的金属也必须去除，并且与周围有一定坡度），去除渗碳层后，也应该焊掉，内侧焊完后进行中间热处理；之后从外侧开始返修，外侧焊完后再次进行中间热处理。

4.2 修复效果

按照修复工艺完成修复后进行RT、UT、MT检测全部一次合格，说明修复工艺是可行的，有效的。

5 修复过程中的注意要点

5.1 处于筒体边缘的接管焊缝应该重点关注

（1）筒体边缘的接管预热时，如果加热板控制器设定的功率一样，会造成距离筒体边缘近的一侧温度高，另一侧的温度低（因为钢传热快，空气传热慢）；为了使接管周围的温度控制均匀，就需要跟踪实测温度把控制柜上的功率分开设定；这样虽然实测的温度相对比较均匀，但是各处在单位时间里的散热还是差别很大（散热速度不平衡会造成应力的不均匀）。

（2）再一个原因是，筒体边缘的接管受到的拘束应力非常的不均匀。

（3）针对以上两点：在加热时应该把距离筒体边缘近的一侧的筒体的端部全部用保温棉包裹好，在另一侧应该加大加热片的加热面积。使传热和拘束应力尽量均匀，这样可以减少应力并且促进应力平衡。

5.2 止裂坑的设置

在清除裂纹过程中，如果发现有裂纹沿焊缝切线方向裂向母材时，应及时的在裂纹扩展方向的正前方100mm处设置止裂坑，深度应该超过裂纹深度30mm为宜。5.3 二次返修时缺陷位置的确定

（1）由于拍片时，镜头与焊缝成一定角度，造成片子上面的缺陷与实际有一定偏移，而且焊缝较厚时对缺陷有放大效果。这样会造成在底片下找不到缺陷，使返修变得盲目，对工期和质量影响甚大。

（2）因此，在返修前应该使用UT确定缺陷的具体位置，并且让焊工与评片人员共同参与返修，这样返修时才能游刃有余。

6 总结

（1）对于厚度250mm的16Mn锻件来说，焊接应力对裂纹的产生起到了主要作用，尤其是接管焊缝的应力。所以在制造过程中如何减少焊接应力、消除焊接应力至关重要。目前来看，保持有效的预热，使用合理的消应力方法非常关键。

（2）在保证预热的情况下，及时进行清根非常重要。当母材厚度超过150mm时，正面在焊接至50～100mm厚度时就应该先清根，之后再继续焊接。

参考文献

[1] 袁耀如.加氢反应器制造与使用中的问题及

对策[J].石油化工设备，2004，33（2）：70-72