吸附塔裂紋產生原因分析及處理措施

1. 21#吸附塔材料

21#吸附塔筒體材料為16MnR，16MnR低合金鋼的焊接性能良好。其化學成分見表1.但由於強度高，容易產生淬硬組織，從而影響其焊接性。不同厚度時，力學性能也不同。這類鋼一般屬於熱軋鋼或正火鋼，含碳量較低，並含有一定的錳，只要C、S、P含量不超標及不產生局部區域偏析，同時對焊縫金屬中的C、S、P進行嚴格控制，一般不會出現熱裂紋問題。由於鋼中加入了一定量合金元素，鋼的淬硬性增加，存在冷裂紋問題。

表1.16MnR低合金鋼化學成分

2. 冷裂紋產生原因

冷裂紋是指焊接接頭冷卻到較低温度下產生的裂紋。多產生與有淬硬傾向的低合金高強度鋼和中、高碳鋼的焊接接頭。裂紋大多出現在熱影響區，有時也會出現在熔合區。變壓吸附工段21#吸附塔出現裂紋從時間上初步判斷為延遲裂紋。而出現裂紋的主要原因主要有以下幾點原因：①擴散氫的原因、②鋼本身的淬硬傾向原因、③焊接接頭所承受的拘束應力原因、④設備的使用環境原因。

2.1擴散氫的影響

吸附塔在使用過程中，它的主要介質有：H2佔52.12％；CO2佔27.46％；CO佔3.87％；CH4佔1.09％；N2佔15.28％；Ar佔0.18％

事實證明，隨着焊縫中擴散氫含量的增加，冷裂紋出現率會提高。氫是呈原子狀態溶解在液體金屬中，在連續冷卻下金屬凝固和發生相變時溶解度發生突變。氫在γ相中的溶解度大大高於在α相中的溶解度。在快冷時，就來不及在γ相向α相轉變時析出，而以過飽和溶解的形式存在於α相中。由於氫的擴散能力很強，隨着時間的延長過飽和的氫將不斷擴散，其中一部分擴散到金屬外部，另一部分則在金屬內部遷移。氫在不同的晶格結構中擴散能力不同，在α相中的擴散能力比在γ相中高。因此，在發生γ相向α相轉變時氫的溶解度突降，而擴散能力突升，過多的氫必然通過熔合線向尚未轉變的熱影響區擴散。氫擴散到母材後，由於γ相中溶解大而擴散速度低，在快冷時就不能繼續向母材內部擴散，而聚集在熔合線附近形成高氫帶。在母材也發生相變後，氫以過飽和的形式殘留在馬氏體或貝氏體中，並擴散到應力集中或晶格缺陷處結合成分子，形成較高的局部應力。局部應力、熱應力及組織應力共同的作用下，就可能造成開裂。當熱影響區氫的濃度足夠高時，還將使馬氏體進一步脆化，產生焊道下裂紋。

裂紋的產生，首先由於介質內H2在罐體內表面產生腐蝕坑和氫致脆化層，而後，隨着蝕坑的加深及脆化層厚度的增加，在應力的共同作用下，蝕坑底部和邊緣將首先形成微裂紋，在裂紋前端將形成應力集中，在應力誘導下，氫將向裂紋前端的應力集中區擴散，當此部位氫的濃度達到臨界值時，在應力作用下，就會發生啟裂和微裂的相應擴展。其後，氫又不斷向新的高應力集中區擴散，這種過程周而復始斷續進行，直至形成不連續的平行於焊縫的縱向宏觀裂紋。

2.2拘束應力影響

焊接接頭的拘束應力包括接頭在焊接過程中因不均勻加熱所承受的熱應力、相變應力、結構自身幾何因素所決定的內應力。焊接過程是一個先局部加熱，然後在冷卻的過程。在冷卻過程未對焊縫進行相應的處理，導致焊縫冷卻速度較快。設備中的殘餘應力將一直存在，在設備使用過程中出現其它誘因時，在焊縫的熔合區、熱影響區等一些區域出現裂紋及撕裂現象。

2.3鋼材淬硬傾向的影響

16MnR鋼在鐵素體析出後，餘下的奧氏體就有可能轉變成高碳馬氏體或貝氏體。馬氏體是典型的淬硬組織，這是由於間隙原子碳的過飽和，使鐵原子偏離平衡位置，晶格發生畸變所致。特別是焊接條件下，近縫區的加熱温度高達1350℃-1400℃，使奧氏體晶粒嚴重長大；當快速冷卻時，粗大的奧氏體將轉變成粗大的馬氏體。淬硬的馬氏體在斷裂是所需的能量較低。因此，焊接接頭中有馬氏體存在時，裂紋易於形成與擴展。鋼材的淬硬傾向越大，熱影響區或焊縫冷卻後得到的淬硬組織馬氏體越多，對裂紋就越敏感。馬氏體對裂紋的影響除了其本身的脆性外，還與不平衡結晶所造成的較多晶格缺陷有關。這些缺陷在應力作用下會遷移、集中，而形成裂源。裂源數量增多，擴展所需能量又低，必然使裂紋敏感性明顯增大。

2.4設備使用環境影響

金屬材料在無限次交變載荷作用下而不破壞的最大應力稱為疲勞強度或疲勞極限。淨化車間變壓吸附工段吸附塔工作壓力在0－1.9MPa之間交變，循環時間200秒一個週期。在這種衝壓--降壓--衝壓--降壓的反覆交替下進行。實際上，金屬材料並不能無限多次交變載荷。當金屬材料到達疲勞極限時，設備本身會在最薄弱點因材料疲勞而出現缺陷。往往整個設備的最薄弱點是焊縫及周圍的熱影響區。表現出來的情況是焊縫或熱影響區出現裂紋或開裂現象。

3修復措施

3.1無損檢測

根據NB/T47013.5-2015《承壓設備無損檢測》中的滲透檢測有關標準要求，對出現缺陷的位置及周邊進行無損檢測。確定出現裂紋的位置及裂紋的開裂方向（如出現橫向或縱向裂紋，可以進行修復；出現向四周發散狀裂紋，考慮設備的材質問題）。

3.2缺陷部位挖除

確定缺陷位置後，用碳護氣刨對缺陷部位進行挖除。如果是貫穿性裂紋，碳護氣刨刨的深度不得超過2/3設備板厚度。餘下的1/3使用砂輪機進行打磨。挖除長度以裂紋長度並向外擴展10mm－20mm為準。刨槽兩端過渡要平緩，兩邊的角度應在60±5度範圍內，以利於多層焊接時的端部質量。缺陷完全找出並用碳護氣刨刨除後，用砂輪機將刨槽內部及四周至少20mm範圍內的油污、氧化鐵、鐵鏽等不利於焊接的有害雜質進行清理。

3.3焊接

3.3.1考慮到設備母材是16MnR材料及焊接坡口的形式、焊接的位置等一些原因，故採用焊條電弧焊，選用E5015 Ф3.2焊條進行焊接。具體參數如下：選用直流反接法。用Ф3.2焊條打底，焊接電流100-110A，電弧電壓18-20V，填充及蓋面也採用Ф3.2焊條，焊接電流110-120A，電弧電壓20-22V，焊接速度為14cm/min。焊前，焊條應放入烘箱烘烤至350℃，烘烤時間為2小時。焊接時，放入保温桶內，隨用隨取。

3.3.2為減小應力和改善接頭性能，防止冷裂紋產生，焊前應進行100-200℃的預熱。預熱方式採用氧乙炔火焰加熱。加熱寬度應保證在坡口兩側各不少於100mm，如焊接中斷應保持預熱温度。

3.3.3焊條移動時應與前進方向成70°-80°的夾角，使熔化金屬和熔渣推向後方。防止造成夾渣等缺陷。焊接方向由焊縫最低點向焊縫最高點焊接。每焊完1層，要及時清理熔渣，飛濺物等。發現缺陷時要用及時補焊磨平後，才能進行下一層焊接。

4.焊後熱處理參數及方法

焊接結束後，敲去焊縫表面渣皮。仔細檢查外觀成形情況，確認焊縫表面無裂紋、氣孔、弧坑、咬邊等焊接缺陷。為了防止由於焊接時在板厚方向存在温差而形成三向應力場所導致的脆性破壞，16MnR鋼焊後應進行消除應力退火及消氫處理。由於低合金高強度鋼的碳當量明顯高於低碳鋼，為了防止冷裂紋和熱影響區出現淬硬組織，對焊縫位置進行焊前預熱。為了防止冷卻速度過快或因過熱而產生晶粒粗大現象，層間温度的下限不低於預熱温度，上限温度不高於後熱處理温度。為了促進焊縫和熱影響區中氫的逸出。焊後進行熱處理，熱處理温度為550－650℃，具體時間見圖1.最後對焊接區域進行保温緩冷。

5.焊後檢驗

焊接結束後根據NB/T47013.5-2015《承壓設備無損檢測》中的滲透檢測有關要求對返修焊縫進行檢驗。

注：21#吸附塔在返修結束後，可能因為使用環境原因；熱處理設備原因；該設備使用時間過長造成材料疲勞；介質中氫可能造成設備內部出現蝕坑等一些原因。導致該設備返修後使用時間不長，筒體局部地方再次出現裂紋及開裂現象。