吸附塔裂纹产生原因分析及处理措施

1. 21#吸附塔材料

21#吸附塔筒体材料为16MnR，16MnR低合金钢的焊接性能良好。其化学成分见表1.但由于强度高，容易产生淬硬组织，从而影响其焊接性。不同厚度时，力学性能也不同。这类钢一般属于热轧钢或正火钢，含碳量较低，并含有一定的锰，只要C、S、P含量不超标及不产生局部区域偏析，同时对焊缝金属中的C、S、P进行严格控制，一般不会出现热裂纹问题。由于钢中加入了一定量合金元素，钢的淬硬性增加，存在冷裂纹问题。

表1.16MnR低合金钢化学成分

2. 冷裂纹产生原因

冷裂纹是指焊接接头冷却到较低温度下产生的裂纹。多产生与有淬硬倾向的低合金高强度钢和中、高碳钢的焊接接头。裂纹大多出现在热影响区，有时也会出现在熔合区。变压吸附工段21#吸附塔出现裂纹从时间上初步判断为延迟裂纹。而出现裂纹的主要原因主要有以下几点原因：①扩散氢的原因、②钢本身的淬硬倾向原因、③焊接接头所承受的拘束应力原因、④设备的使用环境原因。

2.1扩散氢的影响

吸附塔在使用过程中，它的主要介质有：H2占52.12％；CO2占27.46％；CO占3.87％；CH4占1.09％；N2占15.28％；Ar占0.18％

事实证明，随着焊缝中扩散氢含量的增加，冷裂纹出现率会提高。氢是呈原子状态溶解在液体金属中，在连续冷却下金属凝固和发生相变时溶解度发生突变。氢在γ相中的溶解度大大高于在α相中的溶解度。在快冷时，就来不及在γ相向α相转变时析出，而以过饱和溶解的形式存在于α相中。由于氢的扩散能力很强，随着时间的延长过饱和的氢将不断扩散，其中一部分扩散到金属外部，另一部分则在金属内部迁移。氢在不同的晶格结构中扩散能力不同，在α相中的扩散能力比在γ相中高。因此，在发生γ相向α相转变时氢的溶解度突降，而扩散能力突升，过多的氢必然通过熔合线向尚未转变的热影响区扩散。氢扩散到母材后，由于γ相中溶解大而扩散速度低，在快冷时就不能继续向母材内部扩散，而聚集在熔合线附近形成高氢带。在母材也发生相变后，氢以过饱和的形式残留在马氏体或贝氏体中，并扩散到应力集中或晶格缺陷处结合成分子，形成较高的局部应力。局部应力、热应力及组织应力共同的作用下，就可能造成开裂。当热影响区氢的浓度足够高时，还将使马氏体进一步脆化，产生焊道下裂纹。

裂纹的产生，首先由于介质内H2在罐体内表面产生腐蚀坑和氢致脆化层，而后，随着蚀坑的加深及脆化层厚度的增加，在应力的共同作用下，蚀坑底部和边缘将首先形成微裂纹，在裂纹前端将形成应力集中，在应力诱导下，氢将向裂纹前端的应力集中区扩散，当此部位氢的浓度达到临界值时，在应力作用下，就会发生启裂和微裂的相应扩展。其后，氢又不断向新的高应力集中区扩散，这种过程周而复始断续进行，直至形成不连续的平行于焊缝的纵向宏观裂纹。

2.2拘束应力影响

焊接接头的拘束应力包括接头在焊接过程中因不均匀加热所承受的热应力、相变应力、结构自身几何因素所决定的内应力。焊接过程是一个先局部加热，然后在冷却的过程。在冷却过程未对焊缝进行相应的处理，导致焊缝冷却速度较快。设备中的残余应力将一直存在，在设备使用过程中出现其它诱因时，在焊缝的熔合区、热影响区等一些区域出现裂纹及撕裂现象。

2.3钢材淬硬倾向的影响

16MnR钢在铁素体析出后，余下的奥氏体就有可能转变成高碳马氏体或贝氏体。马氏体是典型的淬硬组织，这是由于间隙原子碳的过饱和，使铁原子偏离平衡位置，晶格发生畸变所致。特别是焊接条件下，近缝区的加热温度高达1350℃-1400℃，使奥氏体晶粒严重长大；当快速冷却时，粗大的奥氏体将转变成粗大的马氏体。淬硬的马氏体在断裂是所需的能量较低。因此，焊接接头中有马氏体存在时，裂纹易于形成与扩展。钢材的淬硬倾向越大，热影响区或焊缝冷却后得到的淬硬组织马氏体越多，对裂纹就越敏感。马氏体对裂纹的影响除了其本身的脆性外，还与不平衡结晶所造成的较多晶格缺陷有关。这些缺陷在应力作用下会迁移、集中，而形成裂源。裂源数量增多，扩展所需能量又低，必然使裂纹敏感性明显增大。

2.4设备使用环境影响

金属材料在无限次交变载荷作用下而不破坏的最大应力称为疲劳强度或疲劳极限。净化车间变压吸附工段吸附塔工作压力在0－1.9MPa之间交变，循环时间200秒一个周期。在这种冲压--降压--冲压--降压的反复交替下进行。实际上，金属材料并不能无限多次交变载荷。当金属材料到达疲劳极限时，设备本身会在最薄弱点因材料疲劳而出现缺陷。往往整个设备的最薄弱点是焊缝及周围的热影响区。表现出来的情况是焊缝或热影响区出现裂纹或开裂现象。

3修复措施

3.1无损检测

根据NB/T47013.5-2015《承压设备无损检测》中的渗透检测有关标准要求，对出现缺陷的位置及周边进行无损检测。确定出现裂纹的位置及裂纹的开裂方向（如出现横向或纵向裂纹，可以进行修复；出现向四周发散状裂纹，考虑设备的材质问题）。

3.2缺陷部位挖除

确定缺陷位置后，用碳护气刨对缺陷部位进行挖除。如果是贯穿性裂纹，碳护气刨刨的深度不得超过2/3设备板厚度。余下的1/3使用砂轮机进行打磨。挖除长度以裂纹长度并向外扩展10mm－20mm为准。刨槽两端过渡要平缓，两边的角度应在60±5度范围内，以利于多层焊接时的端部质量。缺陷完全找出并用碳护气刨刨除后，用砂轮机将刨槽内部及四周至少20mm范围内的油污、氧化铁、铁锈等不利于焊接的有害杂质进行清理。

3.3焊接

3.3.1考虑到设备母材是16MnR材料及焊接坡口的形式、焊接的位置等一些原因，故采用焊条电弧焊，选用E5015 Ф3.2焊条进行焊接。具体参数如下：选用直流反接法。用Ф3.2焊条打底，焊接电流100-110A，电弧电压18-20V，填充及盖面也采用Ф3.2焊条，焊接电流110-120A，电弧电压20-22V，焊接速度为14cm/min。焊前，焊条应放入烘箱烘烤至350℃，烘烤时间为2小时。焊接时，放入保温桶内，随用随取。

3.3.2为减小应力和改善接头性能，防止冷裂纹产生，焊前应进行100-200℃的预热。预热方式采用氧乙炔火焰加热。加热宽度应保证在坡口两侧各不少于100mm，如焊接中断应保持预热温度。

3.3.3焊条移动时应与前进方向成70°-80°的夹角，使熔化金属和熔渣推向后方。防止造成夹渣等缺陷。焊接方向由焊缝最低点向焊缝最高点焊接。每焊完1层，要及时清理熔渣，飞溅物等。发现缺陷时要用及时补焊磨平后，才能进行下一层焊接。

4.焊后热处理参数及方法

焊接结束后，敲去焊缝表面渣皮。仔细检查外观成形情况，确认焊缝表面无裂纹、气孔、弧坑、咬边等焊接缺陷。为了防止由于焊接时在板厚方向存在温差而形成三向应力场所导致的脆性破坏，16MnR钢焊后应进行消除应力退火及消氢处理。由于低合金高强度钢的碳当量明显高于低碳钢，为了防止冷裂纹和热影响区出现淬硬组织，对焊缝位置进行焊前预热。为了防止冷却速度过快或因过热而产生晶粒粗大现象，层间温度的下限不低于预热温度，上限温度不高于后热处理温度。为了促进焊缝和热影响区中氢的逸出。焊后进行热处理，热处理温度为550－650℃，具体时间见图1.最后对焊接区域进行保温缓冷。

5.焊后检验

焊接结束后根据NB/T47013.5-2015《承压设备无损检测》中的渗透检测有关要求对返修焊缝进行检验。

注：21#吸附塔在返修结束后，可能因为使用环境原因；热处理设备原因；该设备使用时间过长造成材料疲劳；介质中氢可能造成设备内部出现蚀坑等一些原因。导致该设备返修后使用时间不长，筒体局部地方再次出现裂纹及开裂现象。