复合板厚壁筒体与不锈钢接管焊接裂纹的修复

王岩

（大连市化工设计院有限公司大连市116092）

1 前言

在石化装备中复合板的应用越来越广泛，它既具有一定的强度，又有耐化学介质腐蚀性能，而且价格也相对低廉。在使用厚壁复合板生产制造设备过程中，设备筒体与接管之间的角焊缝在焊接过程中很容易出现焊接裂纹。为避免角焊缝焊接裂纹的出现，现就某公司在厚壁复合板制造过程中接管与筒体之间的焊接产生的焊接裂纹后，提出焊接返修方案进行简单介绍。

粗甲醇2#分离器是某公司年产100万吨乙二甲醇项目中一台立式设备，设备封头及筒体为复合板材质，接管为碳钢堆焊不锈钢材质和不锈钢材质。碳钢堆焊不锈钢接管与复合板筒体之间焊接的角焊缝在焊接完成后，没有出现焊接裂纹并经过无损检测合格。不锈钢接管与复合板筒体之间焊接的角焊缝在焊接完成后，在沿复合板筒体熔合线处出现了贯穿性裂纹。由于复合板筒体壁厚较厚，导致这种焊接裂纹返修难度大，返修时间长，若返修方案处理不好，还有可能会再次出现裂纹。现结合某公司粗甲醇2#分离器中两种不同材质接管与复合板厚壁筒体之间的焊接接头对比分析，不锈钢接管与复合板筒体之间的焊接接头裂纹产生的原因，针对其原因提出了返修方案。

2 设备概况

粗甲醇2#分离器其设计压力为8.3MPa，设计温度为120℃/-19.3℃：材质为S30403+Q345R，筒体规格为DN3760X（3+96）mm，接管材质分别为16MnⅢ堆焊S30403和S30403Ⅲ，设备总长10500mm。

3 复合板筒体与接管之间焊接时的基本参数及过程

3.1 S30403Ⅲ锻管与复合板筒体之间的焊接：

筒体材质为S30403+Q345R，t2=（3+96）mm；

接管材质为S30403III，t1=37.5mm；

焊接坡口形式采用K型坡口，如图一所示：

图1

焊接之前对坡口进行清理干净，露出金属光泽,

并进行100%MT无损检测，不锈钢侧刷白垩粉浆；

预热温度为≥100℃（碳钢侧），层间温度控制在100～200℃；

采用焊条电弧焊的焊接方法，用A062焊条从坡口内侧开始焊接，焊接一定深度后，背面清根，用砂轮进行修磨露出金属光泽，焊接坡口另一侧，坡口内外两侧交替焊接，最后焊接耐蚀层，采用焊条A062焊接过渡层，采用焊条A002焊接面层，与母材平齐；

焊接参数如表1：

表1

焊接过程控制：焊接时，应采用小的线能量，直焊道，多道压焊的方法，道间认真清理熔渣，每道焊接厚度约2mm。在焊接过程中除面层及打底层外，进行逐层锤击。焊后清理飞溅，焊缝修磨，进行外观检查。

3.2 16MnⅢ堆焊S30403锻管与复合板筒体之间的焊接：

筒体材质为S30403+Q345R，t2=（3+96）mm；

锻管材质为16MnⅢ堆焊S30403，t1=（128+6）mm

焊接坡口形式采用K型坡口，如图二所示：

图2

焊接之前对坡口进行清理干净，并进行100%MT无损检测，

不锈钢侧刷白垩粉浆；

预热温度为≥100℃，层间温度控制在100～200℃；

采用焊条电弧焊的焊接方法，用焊条J507从内侧开始焊接，焊接一定深度后，背面清根，用砂轮进行修磨露出金属光泽，焊接坡口另一侧，坡口内外两侧交替焊接，内侧坡口填充到距复合板熔合线1.5～2.0mm，最后焊接耐蚀层，采用焊条A062焊接过渡层，采用焊条A002焊接面层，与母材平齐；

焊接参数如表2：

表2

焊接过程控制：焊接时，应采用小的线能量，直焊道，多道压焊的方法，道间认真清理熔渣，每道焊接厚度约2mm。在焊接过程中除面层及打底层外，应进行逐层锤击。焊后清理飞溅，焊缝修磨，进行外观检查。

4 对裂纹产生原因进行分析

在同一个复合板筒体上焊接，同样的坡口形式，同一个焊接工人施焊，相似的焊接热过程，不同的母材材质，不同的焊接材料，不同的接管直径产生了不同的焊接结果。根据这几点的不同，我们发现在复合板厚壁筒体与不锈钢接管在焊接的过程中可能存在如下问题：

4.1 在复合板基层Q345R与S30403Ⅲ接管焊接时，采用A062焊条作为填充焊缝材质，由于复合板基层Q345R与焊材A062的化学成分差异较大，熔化的Q345R母材金属在熔池边缘上与焊材A062填充金属不能很好地熔合，使得靠近Q345R侧母材的一个狭窄的区域内，形成和焊缝金属内成分不同的过渡层。对照舍弗勒组织图，可推测出这一区域很可能是高硬度的马氏体或奥氏体加马氏体组织，而这种淬硬组织可能会导致焊接裂纹。

4.2 当复合板基层Q345R与S30403Ⅲ接管焊接时，由于复合板基层Q345R的含碳量较高，而且合金元素较少，而S30403Ⅲ接管却相反，因此在复合板基层Q345R侧熔合区两边形成了碳的活度差。在高温加热过程中，复合板基层Q345R与S30403Ⅲ接管界面附近发生反应扩散造成碳的迁移。一部分碳将通过界面由复合板基层Q345R一侧迁移到S30403Ⅲ接管一侧，在复合板基层Q345R一侧形成脱碳层，同时在S30403Ⅲ接管一侧形成增碳层。这个结果会造成两侧力学性能相差很大，当接头受力时，该处可能会引起应力集中。

4.3 复合板基层Q345R与S30403Ⅲ接管的线胀系数相差较大，复合板基层Q345R的导热能力很好，S30403Ⅲ接管的导热能力差，而复合板筒体导热面积相对接管的导热面积大，在焊接的过程中复合板基层Q345R的焊接散热速度较快，S30403Ⅲ接管的散热速度较慢，从而使得焊缝两侧产生很大温度梯度，温度梯度越大，焊后的残余应力也会越大[1]。

4.4 由于接管与筒体之间的角焊缝是封闭焊缝，接管与筒体之间的焊接是在较大拘束条件下进行的，焊后其内应力值也会比较大。而接管直径与筒体直径比值越小，拘束度就越大，钢管的中的内应力就越大。所以在不锈钢接管与筒体焊接后产生的内应力就比碳钢堆焊不锈钢接管与筒体焊接后产生的内应力大。

4.5 厚板焊接接头中除存在纵向应力和横向应力外还存在较大的厚度方向的应力。另外，板厚增加后，纵向应力和横向应力在厚度方向上的分布也会发生很大变化。本设备中复合板厚度为（3+96）mm，多层焊焊缝横截面积的中心处残余应力沿厚度方向的分布。纵向应力在焊缝根部大大超过了屈服强度，这是由于每焊一层就产生一次弯曲作用，多次拉伸塑性变形的积累造成焊缝根部应变硬化，使应力不断升高。严重时，甚至会因塑性耗竭而导致焊缝根部开裂[2]。

综合以上所述，在复合板筒体侧熔合线处可能存在着淬硬组织和比较大的残余应力，在共同的作用下，沿筒体侧熔合线处出现焊接裂纹。为避免这种现象的再次发生，在复合板厚壁筒体与不锈钢接管之间焊接时，我们应将焊接坡口根部留有足够的距离，为防止焊接材料和母材不能很好的熔合，应先将坡口进行堆焊，让焊缝形成化学成分相近材质的焊接，减少焊接残余应力的存在。

5 返修方案

改变原来的坡口形式，坡口形式如图三所示：

图3

先将接管用碳弧气刨切割下来，对接管焊接部位表面

及筒体坡口表面进行砂轮修磨，修磨至金属光泽，然后对

接管和筒体坡口表面进行分别进行100%PT和100% MT检

测，按NB/T47013.5和NB/T47013.4 I级合格。

采用焊条电弧焊的焊接方法，用焊条J507对筒体基层缺

口部位进行补焊，然后修磨成图三所示的待堆焊坡口表面，

对其进行100%MT检测，按NB/T47013.4 I级合格，补焊参数如表三：

表3

在复合板侧坡口进行堆焊，堆焊过渡层采用焊条A062，面层采用焊条A002，过渡层堆焊厚度约为2mm，面层堆焊厚度约为4mm，堆焊参数如表四：

表4

堆焊后进行堆焊面的修磨，对其进行100%PT检测，按NB/T47013.5 I级合格。不锈钢接管与复合板筒体在焊接之前，需要在筒体外壁放置环形不锈钢垫板，预热温度为室温，层间温度≤150℃；用焊条A002从内侧开始焊接，焊至与表面2-3mm，清除环形不锈钢垫板，修磨焊接部位，露出金属光泽后，采用焊条A062焊接外侧焊脚，焊脚高应满足图纸要求，最后焊接内侧面层，焊至与母材平齐。

焊接过程控制：焊接时，应采用小的线能量，直焊道，多道压焊的方法，道间认真清理熔渣，每道焊接厚度约2mm。在焊接过程中除面层及打底层外，应进行逐层锤击。焊后清理飞溅，焊缝修磨，进行外观检查，进行100%UT和100%PT检测，按NB/T47013.3 I级合格和NB/T47013.5 I级合格。

6 结束语

在复合板厚壁筒体与不锈钢接管之间焊接时，为避免产生裂纹，焊接坡口形式的设计和焊接工艺方案的编制显得尤为重要。在返修方案中复合板侧碳钢坡口堆焊避免了异种钢之间的焊接，消除了异种钢之间焊接时容易产生组织成分不均匀的现象，同时也减小了焊接过程中产生的残余应力。厚壁设备中不锈钢接管与复合板厚壁筒体的焊接都可以采用这种堆焊形式的焊接结构，焊缝返修率低，提高生产效率，节约生产成本。