加钒钢容器下过渡段与裙座筒体焊接裂纹分析

刘杰，廖桂新

（德阳市特种设备监督检验所，四川 德阳 618000）

目前，大型加氢反应器选用的主体材料一般为2.25Cr1Mo-0.25V，此种材料相比以前的Cr-Mo钢焊接性较差，但具有优良的耐热性、高温抗腐蚀性能以及力学性能。所以，随着加氢反应器使用材料的发展进步，制造过程中对焊接工序提出了更高的要求。在某台容器产品生产过程中，该焊缝焊接完后产生了很多裂纹，严重影响产品质量和生产工序的推进。

1 大型锻焊压力容器概况

主体材料为2.25Cr1Mo-0.25V大型加氢反应器中，壳体部分（包括上封头+上过渡段+筒体+下过渡段+下封头）均为锻件，与之相焊的裙座筒体（Ⅱ）为同材质的钢板卷制而成。该产品壳体外径φ4449mm，最小壁厚δ=217mm，容器总重580t。现壳体部分已经装焊完成，之后组焊裙座筒体（Ⅱ）与下过渡段，其外径与壳体相同，用同材质66mm厚的钢板卷制而成，如下图1。

图1 某台加氢反应器装焊过程简图

裙座筒体（Ⅱ）卷制完成后纵缝先进行点焊固定，然后，通过工装吊耳与壳体下过渡段组装。下过渡段坡口有一圈宽24mm的直边（厚度4mm），裙座筒体（Ⅱ）装配时将其卡紧。装配后，采用焊条电弧焊进行点焊固定，这样裙座筒体（Ⅱ）与下过渡段之间就形成“V”形坡口，之后采用埋弧焊进行焊接。焊接完成后，将直边气刨去除，打磨平滑，最后再焊接裙座筒体（Ⅱ）上的纵缝。

2 裂纹的形貌、位置分析

在某台容器的实际生产中，该环焊缝按工艺进行消氢后，出现很多裂纹，且肉眼可见，垂直于焊缝方向，为横向裂纹，长度约80mm，共8处，无规则地分布在环焊缝圆周上，贯穿于整个焊缝宽度。在清除裂纹的过程中，发现裂纹延伸到焊缝根部。如下图2、图3所示（图3是图2中裂纹局部放大图）。

图2 产生裂纹的焊缝

3 裂纹产生原因分析

3.1 母材的特殊性

此前，该厂生产的容器产品母材大多数为16MnR或2.25Cr1Mo。前者材料焊接性非常好，焊接工艺参数范围大，且一般不会产生裂纹；后者材料焊接性也较好，焊接过程中注意预热温度、焊接层间温度以及焊后热处理等，产生裂纹倾向也不大。

图3 焊缝裂纹

现在该厂生产的加氢容器母材一般都为2.25Cr1Mo-0.25V，相比上述2.25Cr1Mo材料，加入了金属元素”V”。在增加了母材耐热性和高温抗腐蚀性的同时，使材料本身的焊接性变差，即焊接时产生裂纹（特别是热裂纹、冷裂纹及再热裂纹）倾向大大增加，如果焊前装配不当或焊接过程中温度控制不好都会引发裂纹的出现。

3.2 焊接工艺参数

在实际生产过程中，原工艺对下过渡段与裙座焊缝采用的焊接工艺如下表1所示。该焊接规范与之前做的焊接工艺评定中参数并无区别，由此可见，采用的焊接工艺参数是符合要求的，关键是该焊缝在焊接过程中工艺执行情况是否严格。

表1 下过渡段与裙座焊缝的焊接工艺参数

（1）焊接材料选用。在焊接过程中，使用的焊材为德国进口的蒂森埋弧焊丝和配对的焊剂，焊材入库的复验结果均符合相应技术条件。但是，在焊接的过程中，焊缝成型不是很美观，焊道脱渣也较困难，尤其是焊道两边的熔合线部位，容易造成夹渣的焊接缺陷，为下道焊缝熔合埋下病根，引起裂纹的产生。（2）焊接过程中温度控制。工艺要求采用天然气加热的方式进行焊前预热和保证焊接层间温度。按照以前操作人员的加热方法，使用约为筒体1/6的圆弧形加热工装，在底部中心圆周上进行加热，在焊接过程中，筒体在慢慢转动，加热工装不能覆盖全部焊缝，会影响焊缝在圆周方向受热均匀性。

3.3 多种内应力的影响

焊缝的焊接过程中，存在着拘束应力、热应力和焊接残余应力，这些都是影响焊缝的重要因素。（1）受拘束力。下过渡段为锻件，所有尺寸都是通过立车机械加工符图，而裙座是由采购的同材质钢板下料，在三辊卷板机上卷制成型，坡口也是在钢板下料时数控气割而成。钢板成型时，必然会存在一定的椭圆度，在与下过渡段装配后，裙座筒体（Ⅱ）限制了焊接过程中下过渡段的自由收缩，受拘束度较大。在裙座筒体与下过渡段装配完后，在焊缝背面采用焊条点焊固定，之后直接进行埋弧自动焊接。下过渡段直边厚度只有4mm，在进行埋弧自动打底焊接时，由于结构限制及焊接应力的存在，第一层打底焊后很容易产生微裂纹，且焊接操作者无法看见。（2）热应力。该焊缝是相同厚度的锻件和钢板相连接，材质相近，虽然下过渡段锻件壁厚存在一定长度的过渡区，但是，焊接受热时，热膨胀速度仍有一定差异。另外，虽然钢的牌号都一样，但锻件的化学成分和各种物理性能与采购的钢板也存在较大区别，所以，使得下过渡段与裙座筒体的线膨胀系数存在差异。热膨胀的不同会引起更大的热应力。

4 结语

通过上述分析，加钒钢压力容器在现场生产过程中，下过渡段与裙座焊缝的裂纹主要是由于焊前装配（点焊固定）、焊接材料以及焊接过程中温度的控制造成焊缝缺陷所致。在后续产品的制造中，我们主要做了以下改进。

（1）根据实际生产情况，使用更好的焊材，使焊缝成型优良，容易脱渣。

（2）采用图8中改进后的装焊方式，小焊条多道多层焊打底，打底焊过程中，不允许焊条做横向摆动，尽可能采用小电流焊接，之后将焊缝打磨圆滑。

（3）在加热时，尽量使整条圆周焊缝受热均匀。

经过以上措施的实施，后续过渡段与裙座筒体的焊缝未出现过裂纹，大大提高了焊接质量和生产效率。