不锈钢复合板焊接裂纹预防措施

杜俊杰，霍朝阳

（石油化工工程质量监督总站天津石化分站，天津 300270）

在石化设备现场组焊过程中，经常需要对不锈钢复合钢板进行组对焊接。不锈钢复合钢板通常是由一层珠光体钢作为基层材料，以满足强度、刚度和韧性等力学性能要求，复层一般为不锈钢材质，以满足耐腐蚀性要求。

复合钢板是由两种不同金属复合而成，焊接属异种钢焊接。由于不同金属的化学成分、物理、化学性能差别很大，可焊性差。在焊接中稍有不慎，就可能沿焊缝方向产生裂纹，返修补焊也往往会产生新的裂纹。

一、案例

某新建E O/EG装置，E O汽提/再吸收塔设备C-6404与其内部冷凝器E-6405为一台装备，在设备分交时，C-6404分为上下两段，中间插入再吸收塔内冷凝器E-6405，自E-6405上下管板处分界，分三段供货，现场组焊为一整体，具体见表1、图1。现场有两条组装环焊缝。

表1 设备主要设计数据

汽提塔C-6404上、下塔体为16MnR＋00Cr19Ni10复合板，下塔体厚度为28mm+3mm，上塔体厚度为18mm+3mm。冷凝器E-6405为固定管板式结构，管板为16MnR，厚137mm，表面堆焊304L不锈钢，现场形成60°坡口的上下两道大角焊缝，设计要求内层焊不锈钢。

原焊接工艺，焊条选用基层J507、过渡层A062、复层A002，焊接顺序为先焊基层，再焊过渡层，最后焊复层。但因设备结构限制，实际安装过程中无法按上述焊接顺序实施焊接，实际焊接顺序只能为复层→过渡层→基层。

按照一般不锈钢复合板焊接规程，基层的焊接用过渡层焊材焊接。焊接完成后，发现下塔体与管板角焊缝处有大面积裂纹产生，有裂纹的焊缝长度占焊缝总长约2/3，既有纵向裂纹，也有横向裂纹，纵向裂纹最长达500～600mm。

二、原因分析

焊接残余应力和淬硬组织的存在是导致焊接冷裂纹的主要因素，残余氢的存在可促进裂纹的发生和扩展。

1.残余应力

冷凝器管板厚度137mm，表面堆焊不锈钢，因设计图纸未明确提出焊后消应力热处理，制造单位未对管板进行消应力热处理，管板自身应力较大。设备进场后实测，塔体最大椭圆度达35mm，施工单位在未校圆的情况下组对焊接，造成较大焊接残余应力。结构设计上未充分考虑到实际施工的可操作性，造成不锈钢复合板焊接顺序不合理，且下环口为仰脸横缝焊接，现场焊接操作难度大。

2.焊接热应力

在不锈钢复合板焊接中，由于两种金属物理性能的不同，如熔化温度、线膨胀系数、热导率等的差异，影响焊接的热循环过程、结晶条件，降低焊接接头质量。线膨胀系数相差较大时，会引起较大的焊接残余应力和变形，易使焊缝和热影响区产生裂纹。

本案中珠光体钢16MnR、奥氏体304L导热系数和线膨胀系数存在较大差异，见表2。由于奥氏体的导热系数较低，热膨胀系数较大，膨胀变形较大。接头在冷却时奥氏体比珠光体钢收缩变形大，而基层金属却束缚着过渡层金属的收缩。在焊缝方向上，如果焊缝上存在脆、硬的马氏体淬硬组织，在热应力的作用下极易产生裂纹，马氏体组织越多，焊缝裂纹敏感性越强。

表2 珠光体和奥氏体钢材的物理性能

3.马氏体淬硬组织的形成

设备分三段运抵建设现场后，施工单位现场安装组焊。复层采用A002(钛钙型超低碳Cr19Ni10焊条)，过渡层和基层采用A062(钛钙型超低碳Cr23Ni13焊条)。

母材、焊材的化学成分及铬镍当量的计算数值见表3。

表3 化学成分及铬、镍当量

铬当量计算公式[C r]=1%C r+1%M o+1.5%S i+0.5%N b，镍当量计算公式[N i]=1%N i+3 0%C+0.5%M n。

利用舍夫勒图(图2)分析过渡层焊缝组织构成。

在图2中分别标出基层金属16MnR相应成分点m，复层金属304L相应成分点s，过渡层焊条金属A062相应成分点f。

在实际焊接过程中，因设备结构限制，被迫采用先焊复层，再焊过渡层，最后焊基层的工序。过渡层是在复层金属上焊接，复层金属304L熔入过渡层焊缝的比例较高，则两种材料成分混合后应在s、f连线中心偏左的位置，假设为a点，可以认为这就是待焊母材。具有a点成分的待焊母材再与基层金属成分m相熔合后，构成焊缝金属。其具体组成成分应落在a、m连线上，根据熔合比确定。从图2可知，为使焊缝不出现马氏体组织，基层熔合比大致应低于20%，实际焊接时极难控制，焊接电流或焊条摆动稍大，基层融合比就可能超出极限值，马氏体组织产生几率极大，几乎难以避免。即使严格控制内复层和过渡层的融合比，比如混合成分在s、f连线中心偏右的b点，焊缝金属组织如若不产生马氏体，基层金属熔入焊缝中的融合比至少应小于30%，控制难度极大。同时由于是冬季施工，组焊设备体积庞大，又无预热和保温，焊缝温度降低较快也是促进马氏体产生的因素。

4.其他因素

(1)碳迁移的影响。焊接时碳从低Cr的基层金属向高Cr的不锈钢复层焊缝金属扩散迁移，因此在基层和复层的交界处形成高硬度的增碳层和低硬度的脱碳层，引起熔合区的脆化和软化。

(2)焊缝的结晶裂纹。奥氏体结晶温度区间很大，熔池结晶时枝晶晶界上存在的S、P等低熔点共晶物呈现薄膜状，在拉应力作用下极易产生裂纹。

(3)焊接纪律等因素。焊接接头附近油、水等污物处理状况和焊条烘干、存放状况的不良均可在焊缝中形成较多的残余氢，焊后冷却时如果没有及时进行后热处理，残余氢会扩散聚集，对裂纹的产生起到促进的作用。

如果不能严格执行按合格焊评编制的焊接工艺，其他诸如焊接线能量控制、熔合比、熔深控制等因素，均会对焊接质量产生影响。

三、解决方法

减少应力和避免马氏体淬硬组织的形成是问题解决的基本方向。

1.应力问题的解决

由于管板和管束涨焊已经完成，若此时对堆焊后的管板进行消应力热处理，虽然有利于应力水平的降低，但对管束涨焊的影响不易判断。考虑到介质的特殊性，此时热处理不会获得理想效果。对于设备对口处椭圆度超标问题，由于筒体直径较大且内有不锈钢复合层，加之相关设施的缺乏，现场无法完成筒体校圆工作。因此高应力问题现场无法解决，只能在避免或减少马氏体淬硬组织形成上想办法。

2.避免马氏体淬硬组织的形成

虽然正常焊接顺序为基层、过渡层、复层，这样可以尽量减少碳迁移和合金元素的稀释，避免马氏体的形成和焊缝的脆化问题。但由于设备结构的特殊性，只能按复层、过渡层、基层顺序焊接，在焊接过程中，由于基层金属1 6 M n R的熔入，使得焊缝金属合金成分被冲淡，要想焊缝中不产生马氏体组织，必须保证焊缝中奥氏体形成元素N i的含量不低于一定值，Ni含量越高形成马氏体的可能性就越低。本案在考虑到角焊缝的强度问题(304L在100℃时δs=118MPa，16Mn R在100℃时δs=163MPa)的同时，决定过渡层和基层焊接均采用高Ni焊条ENiF e-3，该焊材是低氢型Ni70Cr15镍基合金焊条，Ni含量高，且熔敷金属含有适量锰、钼和铌，具有较好的抗裂性。

四、返修施工基本方法及技术要求

1.原焊缝清理

鉴于E-6 4 0 5冷凝器已经组焊安装在C-6 4 0 4塔下段，在焊缝清理时，发现部分裂纹已延伸至E-6 4 0 5管板焊缝热影响区，无法继续清理。因此，需将E-6 4 0 5整体及与其相接的C-6 4 0 4一段筒体一起割除。先将E-6 4 0 5带C-6 4 0 4下段一节筒体吊到地面，放在电动托辊上进行返修，其返修步骤如下：

(1)为防止原焊缝焊趾处的裂纹向管板延伸，采用分层气刨去除焊缝到复层，气刨前用火焊把对焊缝进行预热1 0 0～1 5 0℃，预热范围为焊缝宽度的3倍。然后用磨光机打磨焊道至冷凝器管板处。将C-6 4 0 4下段筒体取下后，分别清除筒体和冷凝器管板上的零星焊肉，再将筒体坡口及热影响区处全部打磨干净。筒体焊缝清理后，进行渗透检测，确保坡口无裂纹。

(2)对冷凝器管板进行检查，对于已延伸至管板热影响区的裂纹，采用超声波检测，确定裂纹深度，然后采用磨光机打磨处理，确保裂纹不再延伸。

2.焊接

首先进行焊接评定，焊评合格后对裂纹部位打磨补焊修复，对未发现裂纹的区域也用E N i C r F e 3堆焊一层，焊接过程中严格控制焊接熔合比这一关键因素。

(1)对管板缺陷去除处进行补焊，采用E N i C r F e 3焊条。补焊前将补焊部位预热到1 5 0℃方可施焊。

(2)对管板、塔体连接处进行重新焊接，采用E N i C r F e焊条；焊前焊接部位预热到1 5 0℃方可施焊。焊接采用两人1 8 0°同步同向焊接，焊接方法采用小电流、多层多道快速焊。层间温度不得低于1 0 0℃。

3.焊接保证措施

(1)选用焊接技能高的优秀焊工，焊接前进行专题技术交底，明确焊接要求和施焊步骤，并安排焊工在钢板上进行预施焊，以掌握E N i C r F e 3焊条的焊接特点。

(2)全过程监督现场镍基焊材施焊。

(3)过程严格按照镍基焊材焊接工艺进行。对于镍基焊材，焊接易出现热裂纹，特别是弧坑处容易出现热裂纹要求施焊过程中，焊接电流不能太大。加强对弧坑的检查和打磨。

(4)每焊接一层，及时打磨飞溅，着色检查合格后，才能继续施焊下一层。

4.检验

C-6404与E-6405角焊缝位置不适合射线、超声检测需分层进行渗透检测。检测位置为复层、过渡层、基层焊接一层检查一次，直至基层焊完。检测标准为JB/4730.5-2005，Ⅰ级合格。

5.热处理

因设备残余应力大，因此有必要对焊缝进行消除应力热处理，热处理参数如下：部位C-6404；壁厚28mm+3mm升温速度50~160℃/h；保温温度560℃；恒温时间1.2h；降温速度210~50℃/h（<400℃时，自然冷却）。

五、经验总结

设计的优劣是装备质量保障的前提，制造、安装是保证装备质量的基础，任何环节的疏忽都会对设备最终质量产生影响。在本案中EO的爆炸极限为3%～100%，如果发生开裂泄漏，将严重威胁到装置的本质运行安全。

焊接是一个复杂的系统工作，尤其复合钢板焊接属异种钢焊接，焊接质量控制难度更大、更复杂，影响因素更多，任何环节的失控必将影响到接头的焊接质量。因此必须严格执行焊接顺序，合理选择焊材，采用小电流、多道焊，避免焊条过度摆动，严控熔合比等各个细节，严格按照合格焊接评定工艺进行焊接，才能得到满意的焊接质量。

[1]强天鹏.压力容器检验[M].新华出版社.