加氢高压空冷器管板与管子焊接焊缝开裂原因的探讨

杨枫

摘 要：加氢高压空冷器作为整个裂化装置体系中的关键设备，一般具有高温高压、临氢系统的特点，可将其看做特种设备。结合国内高压空冷器运行经验，大部分空冷器的失效是发生在管子和管板相连接位置，管和管板连接接头对整个化工装置的稳定性具有决定性影响。本文结合加氢高压空冷器管板和20钢换热管焊接后的裂纹进行分析，得出具体原因、焊接工艺措施等要素，旨在快速提高加强高压空冷器的设备质量。

关键词：加氢高压空冷器;管板;焊接质量

1 前言

近十几年来随着国内加工进口含硫原油数量逐渐增加，高压空冷器的腐蚀问题日渐突出。为解决这个影响装置安全运行的关键问题，从2008年开始，高压空冷器的主体材料由碳钢逐渐采用合金材料，而且，通过中国石化组织的国产化工程技术开发，合金材料可全部国内自主生产。截止目前，国内加氢装置的高压空冷器主体材料基本采用Incoloy825合金材料，解决了介质的腐蚀泄漏问题。为进一步拓展高压空冷器的材料选择范围，降低设备投资，解决双相钢高压空冷器制造难度较高的问题，必须结合实际情況对空冷器焊接工艺进行全面分析和探讨，针对管板和管子焊接开裂原因进行彻底分析。

2 焊接工艺及故障分析

对加氢高压空冷器管板与管子进行焊接试验。焊接材料为：16MnR（管板）+20钢（管子）;焊接方式：手工无焊丝（条）熔化焊;焊接参数：电压200V;电流50A，焊接速度400mm/min;保护气体：氩气7～9L/min;焊前预热150～200℃。焊后不久，发现在该焊接接头处出现开裂。对出现开裂部位进行解剖分析，其特征如下：

①裂纹出现在管子与管板的连接焊缝处管子一侧。试样在试验室经过研磨抛光，并浸蚀，宏观上可清晰的看出焊缝、焊接热影响区以及焊接熔深等试样的细节（照片中发白的区域）。裂纹出现在管子一侧发白的区域内。裂口附近的形状尺寸比较完整，无明显塑性变形痕迹，属宏观脆性断裂;②对管子与管板材料试样进行金相组织检测，其显微组织均为正常的铁素体+珠光体组织。在出现裂纹的管子焊接热影响区，出现了淬硬的回火马氏体和下贝氏体组织。对焊缝及热影响区进行显微硬度检测，焊缝裂口部位的硬度值最高;随着距离的增加，硬度逐步下降;③通过对微观裂纹分析发现，裂纹微观上是塑性穿晶断裂模式，由断口两侧的偶合情况及变形痕迹，可以确定裂纹扩展的主受力方向。促使裂纹扩展的应力，实际上是管子所受的径向力与其所受的轴向力的合成。根据它们与主受力方向的交角可知，导致焊接管出现裂纹的应力中，管子所受的径向力起主要作用。

3 结果分析及讨论

①经分析管子和管板的显微组织正常，均为铁素体+珠光体;②开裂出现在管子一侧的焊接热影响区，宏观上是脆性断裂，而微观上是塑性穿晶断裂;由于钢的淬硬倾向越大，越易产生裂纹，通过对焊缝及热影响区显微硬度的检测，发现在产生裂纹的焊缝处硬度最高，且相应部位的显微组织为淬硬的回火马氏体和下贝氏体，从而导致焊缝处产生焊接冷裂纹;③根据微观裂纹分析，导致裂纹产生及扩展的主应力为管子所受径向力与轴向力的合成力，其中，导致焊缝处产生裂纹的合成力中，管子所受径向力起主要作用。此外，在实际的焊缝检测中发现，管子与管板孔口的配合松动，并且没有完全贴胀，此种结构经无焊丝熔化焊接以后，极易产生上述应力分布状态;④对于出现焊接缺陷及微裂纹形成原因，也可能与焊接时环境湿度、环境温度以及焊接区域的清洁度有关。在实施焊接时应考虑环境因素的影响，如环境湿度大于90%时，空气中含有大量的水分，施焊时因为水分产生氢，大量的氢溶入焊接熔池中，在随后的冷却和凝固过程中，由于溶解度的急剧降低，和冷却速度过快，导致氢来不及逸出而保留在焊缝金属中，使焊缝中氢处于饱和状态，并在焊缝处产生较大的氢压，诱发并促使焊接冷裂纹的产生及扩展，最终在外应力作用下导致焊缝失效。

4 改进措施

加氢高压空冷器管板与管子连接焊缝的开裂是焊接冷裂纹。引起开裂的主要原因有两个：一是焊接热影响区出现了高硬度显微组织;二是管子与管板没有完全贴胀，配合间隙偏大，在焊接后出现了复杂应力状态，为冷裂纹的产生及扩展提供了应力条件。

具体改进措施如下：

①施焊时确保焊接工艺合理并严格按照焊接工艺进行，并加强焊件的清理和焊接保护，减少环境因素的影响等;②根据材料的化学成分进行必要的焊接冷裂纹敏感性估算分析，适当调整所选钢材的化学成分，尽量降低材料中增加焊接冷裂纹倾向的元素含量，改善复杂应力状态下的开裂;③减小管子与管板的配合间隙及贴胀，以降低焊接区的应力水平，抑制裂纹的产生及扩展。

5 结语

本次通过对加氢高压空冷器管板与管子连接焊缝开裂原因进行分析，找出了焊缝开裂的原因，并提出了相应的解决措施。以上的分析，为提高加氢高压空冷器管板与管子的焊缝质量提供了理论依据，通过采取控制材料化学成分、改进焊接工艺等措施，提高了空冷器设备运行的可靠性及安全性。

参考文献：

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