硝酸氧化炉封头裂纹原因分析及改进

沙勇　张彭博

摘要：硝酸氧化炉封头冷旋后，小“r”部位出现表面裂纹，本文从无损检测、材料、焊接及理化检验等方面，分别进行分析，阐述了裂纹产生的原因，并提出改进措施。

关键词：封头；冷旋；裂纹

Cause and Measures for Head Surface Crack of Nitric Acid Oxidizing Furnace

Sha Yong Zhang Pengbo

（210058 Oschatz Energy & Environment （Nanjing） Co.， Ltd. Jiangshu Nanjing ）

Abstract：The crack happened to the head surface “r” location after the cold spinning procedure for Nitric Acid Oxidizing Furnace head. Due to that， this paper， based on the NDE ， material ， welding and The physical and chemical inspection ， analyses and elaborates the mechanism of these crack as well as the measures taken to resolve.

Keywords：Head，Cold Spinning，Crack

前言

某制造厂生产的36万吨硝酸装置反应器的封头，型号：DHB5890*22， 材质：S32168 （06Cr18Ni11Ti）。该封头由制造厂进行拼板焊接，焊接方法为双面埋弧自动焊，封头成形由某锻压公司采用冷旋压工艺制作。封头加工成形前，因旋压工艺需要由锻压厂对拼板焊缝余高进行磨削去除。在封头加工完成验收时，发现封头拼接焊缝表面有裂纹形貌，随后该公司技术及检验部门立即对两个封头进行全面的检验，从中发现了裂纹产生的原因并采取了适当的处理措施，确保了产品质量。

1.裂纹发生部位和形貌

据观察封头裂纹发生部位均在封头曲率较大的小“r”部位，所有裂纹均在与焊道平行的熔敷金属上，裂纹呈线状，没有分支（详见下图1）且都处于焊缝焊道搭接的凹陷处和砂轮打磨的尖端划伤部位。

2.裂纹成因分析

本文主要从原材料、焊接、无损检测、理化检验等方面对裂纹产生的原因进行分析。

2.1 无损检测进行确认分析

针对封头焊缝表面裂纹，我们对焊缝内外表面进行抛光处理后100% PT和RT检验， 从PT检验的结果可以看出裂纹的形貌特征，见图1。射线检测的效果不如渗透检测明显。渗透检测发现，裂纹存在于焊缝表面凹坑和砂轮打磨的划伤部位，封头内表面焊缝几乎没发现存在裂纹。

2.2 母材表面进行PMI材料确认

在裂纹附近母材上用德国产SPECTRO TEST TXC25移动式光谱分析仪进行化学成分分析，分析结果及标准要求见表1。由数据可知，封头母材化学成分符合GB24511-2009《承压设备用不锈钢钢板及钢带》中S32168 材料的要求[1] 。

2.3 焊接方面进行分析

对 WPS 和PQR进行审核，表明其符合NB/T47015标准的要求[2]， 焊工施焊记录和WPS的对照见表2，从表中的数值可以看出，实际操作完全按照WPS的规定，因此可以排除过大的焊接热输入引起的热裂纹的可能性。

2.4 理化试验分析

2.4.1金相检验

分别对裂纹附近焊缝及母材进行了金相检验，在金相显微镜200倍下观察，显微组织见图2，从金相照片可看出，母材与焊缝组织熔合良好，母材组织为奥氏体，熔合线靠近焊缝一侧存在少量魏氏组织，焊缝区为铁素体+少量点条状的珠光体组织。焊缝及熔合区组织为未经固溶处理的正常奥氏体不锈钢焊缝组织形貌。

2.4.2 裂纹附近及直边段的硬度测试

对裂纹附近及直边段的硬度测试数据见表3，从表3数据可看出，直边段的硬度值HBW均小于217，符合GB24511-2009标准中S32168材料的要求，表明封头使用的母材不锈钢出钢厂时固溶处理效果比较理想，经冷旋压加工，尽管会产生加工硬化，但对母材影响不是特别明显。从表3还可看出，裂纹附近（小r处）的硬度值比直边段硬度值高，这是由于焊缝区的组织（F+少量点条P）和钢板冷作硬化所共同作用的结果。

2.5 封头变形率的控制

对封头（焊缝）纤维变形率的测算（按GB150-2011《压力容器》第四部分第8.1.1条）：

计算结果表明该封头的最大纤维伸长量仅为1.62%，小于标准[3]中关于奥氏体不锈钢变形率不大于15%的规定（注：本文中的硝酸装置反应器的设计温度为350℃左右），按标准规定，是可以免于加工成型后的热处理工序。因此，推断熔敷金属因过量应变产生的裂纹的可能性不大。

2.6裂纹深度的确定

对典型裂纹部位进行打磨处理，打磨后，PT检测确认裂纹已清除干净，裂纹打磨深度均不超2mm，说明封头裂纹是表面裂纹。

2.7裂纹产生的机理

通过以上的分析，排除了原材料及焊接引发裂纹的可能性。由于裂纹大都平行于焊缝，位于焊道搭接处且都是打磨不彻底留下的凹槽部位或粗砂轮打磨将金属表面划伤留下尖锐划痕部位，且集中发生在封头变形量较大的小“r”区封头外表面，并且是表面裂纹， 故产生焊缝裂纹的直接原因是：由平行于焊缝的表面尖端凹槽在封头成形过程中产生的应力集中引发的；焊缝区组织与母材组织之间存在组织差异，产生组织应力，并且封头在冷旋压过程中，轧辊对封头表面的挤压使金属表面硬化促使裂纹扩展。

3.处理及预防措施

3.1裂纹技术处理

对已经产生了裂纹的封头，我们采取了下列补救处理措施：

（1）用砂轮机打磨清除裂纹缺陷；

（2）打磨后进行PT检测直至裂纹彻底清除；

（3）按原WPS进行焊接；

（4）100% PT和RT 检测，确保焊缝区不再有裂纹存在。

3.2 预防措施

针对封头裂纹产生的原因，可以采取下列措施进行预防：

（1）在冷旋压之前，应做好拼接板材的目视检验，焊缝余高打磨后，母材与焊缝应圆滑过渡，不能存在凹槽、划痕等应力集中的棱角区域。

（2）打磨后，焊缝应进行100%渗透检测，确保旋压前无表面裂纹缺陷。旋压后，焊缝内外表面再进行100%PT检测。

（3）封头拼接焊缝旋压前最好进行100%射线检测，确保焊缝内部检测合格。冷旋压后，小“r”部位再次RT检测。

（4）有条件的情况下，封头冷旋压后，最好立即进行固熔处理：一方面，可以消除焊缝区的组织与母材的组织差异，使焊缝区的组织转变为奥氏体，降低了焊缝区和母材区的组织应力，增强了焊缝区的耐腐蚀性能；另一方面，可以使封头在冷旋压过程中形成的加工应力得以释放，降低了裂纹发生的诱发因素。

（5）封头拼缝焊接时，应尽可能采用低焊接线能量，并严格控制层间温度，尽量采用小电流、快速焊、快冷却的焊接工艺，尽可能降低焊接应力。

4.结论

通过以上的检验和分析，可以看出本案例中封头焊缝产生裂纹的原因主要是，因焊缝表面打磨不当产生（或留下）的尖锐划痕在冷旋压过程中导致的应力集中引发的。本文根据裂纹产生的原因，提出的预防措施，在实际应用中成功避免了此类缺陷的产生，确保了产品质量。

参考文献：

[1]GB24511-2009.承压设备用不锈钢钢板及钢带[S].

[2]NB/T47015-2011.压力容器焊接规程[S].

[3]GB150.4-2011.压力容器[S].

作者简介：

沙勇（1967.8—），男，汉，质量保证工程师，从事锅炉、压力容器制造检验和质量管理20余年，无损检测方面资深人士。