焦炭塔焊接技术与焊接裂纹的成因及防治

焦炭塔焊接技术与焊接裂纹的成因及防治（赵拥强）摘要：本文通过我公司在辽宁华锦化工集团乙烯原料工程120万吨/年延迟焦化装置焦炭塔T101A/B焊接技术方案，在分析焊接裂纹产生的原因的基础上提出了防止焊接裂纹产生的相应措施。

关键词：焊接裂纹定位焊过渡层整体热处理概述焦炭塔（T101A/B）是120万吨/年延迟焦化装置的核心设备，由中国石化集团洛阳石油化工工程公司设计，中油一建进行焦炭塔筒体和裙座分片预制、滚制工作，我公司负责焦炭塔现场的拼装组对、吊装、安装和整体热处理的施工，组对和焊接难度大、焊接工程量大。

若焊接、组对、预热及焊后热处理不当，就容易产生焊接裂纹；焊接裂纹是最尖锐的一种缺口，它的缺口根部曲率半径接近于零；尖锐根部有明显的应力集中，当应力水平超过尖锐根部的强度极限时，裂纹就会扩展，以至贯穿整个截面而造成锅炉、压力容器失效；特别是当焊接接头处于脆性状态时，裂纹的扩展速度极快，造成脆性破裂事故。

1工程概况1.1焦炭塔（T101A/B）主体材质为14Cr1MoR / 14Cr1MoR+0Cr13，属低合金高强度耐热钢，焊接时易产生裂纹和淬硬倾向，因此焊接时要作好焊接预热、焊后后热及层间温度控制。

1.2施工时适逢冬季，因此施工时室外安装时搭设防风雪、防冻棚，必要时生火炉子提高外界环境温度，确保焦炭塔（T101A/B）焊接质量。

1.3焦炭塔（T101A/B）使用的材质较多，有14Cr1MoR、14Cr1MoR+0Cr13、20R、Q235A同种钢的焊接，也有20R与Q235A、14Cr1MoR与20R、14Cr1MoR与14Cr1MoR+0Cr13异种钢焊接，因此施工时必须高度重视，选用正确的焊接材料、焊接工艺及严格的焊接管理是焦炭塔（T101A/B）焊接质量的关键。

1.3工程实物量见（表1）1.4焦炭塔主要设计参数（见表2）表2 焦炭塔主要设计参数22.1焊接程序2.2焊接工艺2.2.1施焊前按照《钢制压力容器焊接工艺评定》JB4708-2000进行焊接工艺评定。

焊接工艺评定应以可靠的钢材焊接性能为依据，并在产品焊接之前完成。

焊接工艺评定的一般过程是：拟定焊接工艺指导书、施焊试件和制取试样、检验试件和试样、测定焊接接头是否具有所要求的使用性能。

2.2.2焊接工艺评定所用的设备、仪表处于正常的工作状态，钢材焊接材料必须符合相应标准，有本单位技能熟练的焊接人员并使用本单位焊接设备焊接试件。

2.2.3焊接工艺评定所采用的焊接方法、母材、焊接材料、焊接位置、试件厚度、焊接工艺等应能覆盖所从事的焊接工件。

2.2.4焊接方法为了提高效率保证工期，选用埋弧自动焊和手工电弧焊相结合。

其中环焊缝采用壁挂式埋弧自动焊机，其余焊缝采用手工电弧焊，复合层及过渡层焊接采用手动电弧焊。

批号焊接材料R307B进行化学成分光谱分析，其结果应符合下表要求：坡口型式：对接焊缝除裙座上14Cr1MoR对接环缝按设计要求采用单边V型坡口，其他采用X型坡口。

坡口加工：采用机械方法加工，且坡口表面必须平滑，对难以机加工部位（椭圆封头接管开孔）可采用火焰切割加工坡口，切割后必须将坡口表面的氧化皮、熔渣及影响接头质量的硬化层等清理干净，并将坡口表面打磨平整。

坡口示意如(图1)所示（其中S为壁板厚度）2.2.7定位焊定位焊采用火焰预热，预热温度200～250℃，定位焊应焊在基层母材上，且采用与焊接基层金属相同的焊接材料，定位焊尺寸见（表4）因焦炭塔（T101A/B）是分片到货,现场组对焊接,根据焦炭塔的安装顺序,组对顺序为裙座整体组对→锥段整体组对→筒体分段组对→封头整体组对→接管与封头组对→各段之间组对.( 如焦炭塔各部分组对成品示意图（图2所示)组焊前彻底清除坡口内外20mm范围内的油物、铁锈、氧化皮、及其他对焊接有害的物质.坡口表面不得有裂纹、分层、毛刺等缺陷.严禁在坡口之外的母材表面引弧和试验电流，防止电弧檫伤母材。

2.2.9焊前预热预热温度:200～250℃,此温度指焊接区域应达到的温度(实际测量);预热方法:磁吸附式电加热(带保温);预热范围:坡口及两侧各150mm左右并不小于3倍壁厚,并均匀加热;测温方法:电热偶、红外线测温仪。

2.2.10进行焊接经测量焊接区域达到预热温度200～250℃后方可进行焊接，焊接时边移动加热带边焊接，每层焊缝焊完后要及时用保温棉进行保温，单面焊缝焊完后要及时检查及修磨并用保温棉保温，焊接时加热带要继续加热，保持层间温度在200～250℃之间，单面焊缝应一次连续焊完，并好焊接记录。

2.2.11后热后热应在焊后立即进行；后热温度：300～350℃；后热方法：磁吸附式电加热带（带保温）；恒温时间：2h；后热范围：坡口及两侧各150mm左右；加热带及保温棉布置：后热时加热带应布置在刚焊完的焊缝上，加热带的背面要用保温面进行保温。

后热要作好后热记录，同时要作好曲线记录。

2.2.12复合钢板的焊接焦碳塔上段筒体为复合板（14Cr1MoR+0Cr13）。

复合板焊接中的主要问题在于过渡层焊接。

可归纳为两个方面，一是过渡层异种钢的混合问题，若焊接材料或焊接工艺不合适，复层不锈钢焊缝就可能严重稀释，形成马氏体淬硬组织，或由于Cr、Ni强烈渗入14Cr1MoR基层而严重脆化，产生裂纹；二是过渡区的组织特点，过渡区在高温下有碳扩散过程发生，结果在交界区形成高硬度的增碳层和低硬度的脱碳层，使过渡区形成复杂的金属组合状态，造成复合板焊接的困难，另外使热影响区的复层耐蚀性降低。

因此焊接过渡层时，要使用含Cr、Ni较多的焊接材料，以提高抗裂性，避免产生马氏体淬硬组织，同时采用合适的焊接工艺，减少基层一测熔深和焊缝的稀释。

1）先焊基层，焊接后用碳弧气刨清根，经磁粉检测合格后，才能焊过渡层，最后将复合层焊满。

2）过渡焊缝应同时熔合基层焊缝、基层母材和复合层母材，且应盖满基层焊缝和基层母材。

3）过渡层焊接用小线能量多道焊接。

过渡焊缝在复合钢对接接头中的位置如图3所示2.2.13复合层的修复如果复合层受到损伤需要修复，按下述方法进行，如图4所示，去掉复合层后将基层去掉1～2mm,然后堆焊过渡层及复合层，焊后磨平修光堆焊表面。

复合钢板焊缝焊接完毕检验合格后彻底清除复合层侧焊渣和飞溅，采用涂酸法对焊道进行酸洗钝化。

3焊后热处理采用塔器内部燃油法进行整体热处理，以焦炭塔内部为炉膛，焦炭塔外部用保温材料进行绝热保温，选用0号轻柴油（随气温选用标号）为燃料，通过喷嘴将燃料油喷入并雾化点燃，通过风机送风助燃，随着燃油不断燃烧产生的高温气流在塔体内壁对流传导和火焰热辐射作用，使塔体升温到热处理所需的温690±14℃，恒温时间2h.热处理焊后热处理工艺曲线见图5所示4焊后检验4.1焊缝外观检查外观检查一般以肉眼观察为主，有时用5－20倍的放大镜进行观察；通过外观检查，可发现焊缝表面裂纹。

4.2焊缝无损检测焊接接头的无损检验应在焊后24h 方可进行。

4.3硬度检测热处理后应进行硬度检测，其Cr-Mo 钢焊接接头硬度值不得大于225HB 。

4.4Cr-Mo 钢焊缝光谱分析每条环缝至少2点，每条纵缝至少1点，每条接管焊缝至少1点。

4.5焦碳塔水压试验690时间（h ）400图5 焦炭塔焊后热处理工艺曲线4.5.1试验压力应缓慢上升，达到规定试验压力值，保持时间不少于30min。

然后将压力将至设计压力。

对所有的焊接接头和连接部位进行全面检查，符合下列情况，即认为合格。

1)无渗漏2)无可见的变形3)试验过程中无异常的响声4.5.2水压试验时，试验用水的氯离子含量不得大于25mg/L。

4.5.3试压水温不得低于15℃，试压之后立即将水渍除净并吹干5 焊接裂纹的分类及成因以上为焦炭塔T101A/B焊接技术方案，在焊前、焊中、焊后若有一过程控制不好，就容易产生焊接裂纹，焊缝裂纹是焊接过程中或焊接完成后在焊接区域中出现的金属局部破裂的表现；裂纹的存在大大降低了焊接接头的强度，并且焊缝裂纹的尖端也成为承载后的应力集中点，成为结构断裂的起源；烈纹可能发生在焊缝金属内部或外部，或者在焊缝附近的母材热影响区内，或者位于母材与焊缝交界处等等。

根据焊接裂纹产生的时间和温度的不同，可以把裂纹分为以下几类：2.1热裂纹（又称结晶裂纹）：产生于焊缝形成后的冷却结晶过程中，主要发生在晶界上，金相学中称为沿晶裂纹，其位置多在焊缝金属的中心和电弧焊的起弧与熄弧的弧坑处，呈纵向或横向辐射状，严重时能贯穿到表面和热影响区。

热裂纹的成因与焊接时产生的偏析、冷热不均以及焊条（填充金属）或母材中的硫含量过高有关。

2.2冷裂纹：焊接完成后冷却到低温或室温时出现的裂纹，或者焊接完成后经过一段时间才出现的裂纹（这种冷裂纹称为延迟裂纹）。

冷裂纹多出现在焊道与母材熔合线附近的热影响区中，其取向多与熔合线平行，但也有与焊道轴线呈纵向或横向的冷裂纹。

冷裂纹多为穿晶裂纹（裂纹穿过晶界进入晶粒），其成因与焊道热影响区的低塑性组织承受不了冷却时体积变化及组织转变产生的应力而开裂，或者焊缝中的氢原子相互结合形成分子状态进入金属的细微孔隙中时将造成很大的压应力连同焊接应力的共同作用导致开裂（称为氢脆裂纹）。

2.3再热裂纹：焊接完成后，如果在一定温度范围内对焊件再次加热（例如为消除焊接应力而采取的热处理或者其他加热过程，以及返修补焊等）时有可能产生的裂纹，多发生在焊结过热区，属于沿晶裂纹，其成因与显微组织变化产生的应变有关。

2.4层状撕裂：焊接时，在焊接构件中沿钢板轧层形成的呈阶梯状的一种裂纹。

其成因是由于钢板的内部存在有分层的夹杂物（沿轧制方向），在焊接时产生的垂直于轧制方向的应力，致使在热影响区或稍远的地方，产生“台阶”式层状开裂。

6 焊接裂纹的防止措施根据形成裂纹的因素，为了防止裂纹的产生，需从结构设计、焊接管理以及施工工艺三方面进行控制。

6.1 结构设计因压力容器的设计是比较成熟的设计模式，它的设计有国家规范为依据，在设计阶段可以避免。

6.2 焊接管理6.2.1焊工管理压力容器的各类别焊接工作，必须由持有相应类别的有效焊工合格证的焊工担任。

6.2.2 焊材管理焊接材料必须建立严格的验收、保管、烘干、发放、和回收制度；所有的焊接材料必须具有出厂合格证及材料质量证明书；焊工持焊工人员操作证和焊条筒领取焊条，焊条领用应用保温筒盛装，随用随取；保温筒在使用过程中应通电保温。

6.2.3 焊接设备管理所有的焊接设备应能满足焊接工艺性能需要，且必须完好，满足施工需要。

6.2.4 焊接环境管理在施工现场配备风速仪和干湿温度计，每天进行气象观测，并作好气象观测记录。

当焊接环境出现下列情况之一时，应采取有效防护措施，否则禁止施焊。

1）雨天；2）手工焊时风速大于10m/s；3)相对湿度在90%以上时。