蒸发器加热室焊缝开裂的原因及措施探讨

时间：2024-04-25

黄世省

摘要：现代社会，随着经济和工业技术的不断发展，氧化铝厂的产能也越来越大，发展到现在已达到单条生产线120万吨/年，在形成规模效应的同时，也对生产线的设备质量提出了更高的要求。本文主要对溶出系统的蒸发器加热室管板焊缝开裂的原因进行分析和研究，初步确定应力腐蚀—碱脆是导致焊缝开裂的主要原因，在对蒸发器进行焊接的过程中焊接残余应力是导致蒸发器焊缝开裂的主要应力，并针对性地提出了一些相应的预防措施。

关键词：蒸发器；焊缝开裂；原因；措施；研究

蒸发器是氧化铝工程确保形成氧化铝生产能力的关键设备，设备直径为3m～5m不等，由加热室和分离器组成，总高度约为17m左右。主要材质为Q345R，板厚依设备直径和工作压力不同而不等，一般为10～30mm，加热室管板厚度为70mm～120mm。设备工作压力范围在-0.1～4MPa不等，工作温度在140～250℃，属Ⅰ～Ⅱ类钢制压力容器。焊缝接头系数为1.0，A、B类焊缝100%射线检测，符合JB4730中Ⅱ级以上为合格。设备焊后要求整体热处理。加热室为管壳式热交换设备，壳程介质为蒸汽，管程介质为Na2AlO2料液；设备在使用过程中，由于受到Na2AlO2料液的腐蚀作用，管程中的换热管、管板使用寿命大为缩短，停车检修和更换费用使运营成本大为提高。特别是管板由于碱脆开裂失效，导致极大的浪费。加热室中的管板、换热管在使用过程中由于碱脆导致的设备失效，是影响设备使用寿命的关键因素，预防和减轻碱脆、延长设备的使用寿命是设备制造不可忽视的命题。

在我公司为某铝业公司检修过程中，就碰到了Ⅰ效加热室碱脆导致管板开裂失效的事件，不得已委托我公司制作新设备进行更换。停产检修更换给铝业公司带来了巨大损失。为了避免类似事件发生，我公司对该设备碱脆失效原因进行了分析研究，并提出了一些制造过程中的预防措施。

1、加热室焊缝开裂原因分析

（1）设备碱脆现状

该Ⅰ效加热室为管壳式热交换设备，壳程介质为蒸汽，管程介质为Na2AlO2料液；工作温度壳程为200℃，管程为160℃；工作压力壳程为-0.1～0.6MPa，管程为-0.1～0.6MPa，属Ⅰ类压力容器。壳体材料为16MnR（Q345R），板厚16mm；壳程管板材料为16MnR（Q345R），板厚70mm，换热管材料为P265GH ENl0216-2+S.C（注：机械结构碳素钢，日本产的一种碳素钢无缝管。），规格为￠54×2.6mm。蒸发加热面积为1500m2。我们在对该容器进行检查发现，加热室内部所有与液体介质接触的部位在焊缝上都出现了不同程度的开裂的现象，特别是管板与筒体的角焊缝开裂最为严重。按照裂纹所处的位置以及裂纹的相关走向进行分类，可以分为以下主要几类：一是沿着管板内熔合线进行扩展的裂纹；二是沿着焊道扩展的焊缝纵向裂纹；三是位于焊缝内部、横过焊道扩展的焊缝横向裂纹。在这三种焊缝裂纹中尤其以熔合线裂纹的出现是最多的，而且裂纹的危险程度也是最高的，一旦出现熔合线裂纹，大多是在焊缝双侧出现开裂的现象。

（2）试件分析

为了分析蒸发器焊缝开裂的原因和性质，我们从蒸发站现场更换下来的加热室壳体与管板焊缝开裂部位切取试件进行分析研究。试件的尺寸为60mm×50mm×16mm，从试件表面进行外观检查就会发现，试件内壁和外部都出现了严重的锈蚀现象，而且试件大部分的锈蚀都出现了暗褐色，在一些局部的区域出现了红棕色，而且不用借助任何的工具，通过肉眼就可以清晰的看见在试件的焊缝处出现了比较明显的裂纹，我们分别进行了宏观检验和金相分析。

1）宏观检验

我们通过肉眼和低倍放大镜对试件进行宏观检验，经过仔细观察，可以发现试件出现的裂纹是比较多的，我们将这些裂纹进行分类主要是可以分为熔合线裂纹、焊缝纵向裂纹和焊缝横向裂纹三类，如下图所示。通过试件宏观检验表明，焊缝开裂试件中出現的所有裂纹其实主要是来源于内壁，然后是逐渐的向外进行扩展的，而且在扩展的过程中还出现了一些分叉。

a.焊缝纵向裂纹 b.焊缝横向裂纹 c.熔合线裂纹

2）金相检验

金相检验试样采用冷法加工磨制。在金相显微镜下用不同的倍率分别对焊缝纵向裂纹、横向裂纹和熔合线裂纹进行观察就会发现：

①各种裂纹的扩展途径曲折延伸；

②熔合线裂纹的出现主要是位于焊缝热影响区，与焊缝的扩展方向平行；

③裂纹存在着显微分叉现象；

④焊缝的金相组织出现了复杂情况，主要是由多种形态的铁素体和渗碳体组成。

3）相关的结论

通过对试件进行宏观分析和微观分析，我们是可以得出以下的结论：

①加热室焊缝试件的裂纹都是来源于内壁，说明这些的裂纹的出现是与加热室内的介质是有关系的。

②加热室焊缝试件的裂纹主要是起源于焊接接头区内。通常在相关的焊接结构中，焊接接头是一个比较薄弱的环节，存在较高的焊接残余应力和各种各样的焊接缺陷。在加热室的焊接接头处出现了裂纹，说明这种裂纹的出现是与接头区内的许多缺陷是有关的，是裂纹萌生主要区域。

③一般来说，腐蚀疲劳裂纹主要是成群的出现的，而且腐蚀疲劳裂纹的发展平直，是很少出现分叉的；但是应力腐蚀裂纹与其则恰好相反，应力腐蚀裂纹的发展大多数是曲折的，而且还会出现较多的宏观分叉和显微分叉。从以上对加热室焊缝裂纹分析可以发现，裂纹的形貌符合应力腐蚀裂纹的相关特征。

（3）相关原因的确认

从以上分析可以得出蒸发器加热室焊缝开裂的原因主要是因为应力腐蚀—碱脆所致，主要有以下依据：

1）通过对试件进行宏观和微观分析发现，试件上的裂纹具有应力腐蚀的特征，裂纹呈现宏观分叉和显微分叉，而且相关的裂纹传播方向主要是由内壁向外壁扩展，微观走向主要是沿晶间开裂。endprint

2）加热室工况具备产生应力腐蚀（碱脆）所必须的三个条件：一是较高浓度的氢氧化钠溶液，试验指出，浓度大于10%的碱液即足以引起钢的碱脆。管程中的Na2AlO2料液碱浓度虽然不会达到产生碱脆的程度，但在局部地方，常常会因为氢氧化钠富集而使料液的碱浓度增大。例如在焊缝表面及其他一些存在缝隙的地方，料液进入后常被逐渐浓缩，就很有可能达到碱脆所需要的浓度。二是较高的温度，碱脆的温度范围较宽，但最容易引起碱脆的温度是在溶液的沸点附近。加热器中碱的浓度、工作压力和工作温度之间存在一个函数关系，具备使溶液达到沸点的条件。三是拉伸应力，可以是外载荷引起的应力，也可以是残余应力，或者是两者的联合作用。加热器的管板与壳体焊接过程中受热的不均匀变形存在一定的拉伸应力，换热管的胀接以及在正常运行情况下，管板承受一定的压力并处在较高的温度和拉伸应力的作用下，局部区域也存在不均匀的应力。拉伸应力的大小虽然是碱脆的一个影响因素，但更重要的因素是应力的均匀与否，局部的拉伸应力最容易引起碱脆。

3）容器焊缝开裂的时候仅仅是发生在部件中接触溶液的位置上，而容器上没有接触到溶液的其他部位却没有发现其他的裂纹。

4）容器部件的焊缝上出现开裂其实是容器在运行了一段时间之后出现的，而相关的设备操作是不具备其他失效模式的工艺条件和使用环境。

2、产生应力腐蚀的主要应力

从蒸发器加热室产生碱脆的原因分析中可以发现，高浓度碱溶液和高温度工作条件是比较容易进行测量的，主要是由相关生产工艺的需要而确定，一般是很难进行相关的适应性调整或者是进行较大的改变。而第三项也就是临界以上的拉伸应力这个条件是属于应力方面的因素，这个因素比较复杂，而且对于一些应力的比较是很难进行确定和控制的。

经过对蒸发器加热室各个部件的应力进行分析计算就会发现，壳程筒体受内压产生的最大应力也就是周向应力约为14 MPa，加热室管板的最大应力也就是环向应力约为11.2 MPa，加热室换热管的最大应力（周向）约为13.75 MPa，由于接管开孔导致的最大局部应力小于等于55 MPa，而壳体材料Q345R工作温度下允许的许用应力183MPa，换热管20#钢管工作温度下允许的许用应力131MPa，加热室所受到的应力都远低于材料的许用应力。从这我们就可以看出，容器部件由于工况承载的内压产生的应力是很小的，其中也包括结构不连续应力在内的综合应力也是不大的，远远是低于材料的屈服强度。加热室筒体的开孔部位，虽然在一定的程度上存在着较大的热应力，但是由于轴向压缩应力以及由于该部分不接触相关溶液，所以不存在导致应力腐蚀的拉伸应力。

通过以上的分析我们是可以认为，容器的各个承载部件在内压的作用下所产生的相关应力，是不会产生应力腐蚀，而且一些相关部件的开裂部位是集中在焊缝上，所以我们认为蒸发器焊缝开裂的应力因素主要是由于焊接的残余应力，这与应力腐蚀的相关理论和实验的事实是一致的。

3、相关预防措施

（1）严格控制材料供货状态

加热器管板材料为Q345R，板厚70mm。由于设计没有给出材料的供货状态，可供选择的供货技术条件为：1）热轧、控轧；2）正火状态交货（抗氢钢、HIC、R-HIC）；3）正火+回火状态交货；4）调质状态供货。由于管板厚度较大，热轧状态下供货，材料内部组织不均匀、应力较大，容易导致发生碱脆。正火状态下供货，材料内部获得较为细密、均匀的组织，且释放了轧制过程中产生的应力，有利于预防和减少碱脆的发生。

（2）改进蒸发器加热室的结构设计

预防蒸发器加热室发生应力腐蚀，最根本的办法就是改进蒸发器的结构设计，通过改进设计，改善结构，避免发生很高的局部应力结构。

a.改进前筒体与管板接头型式 b.改进后筒体与管板接头型式

通过将加热室管板与筒体的焊接接头型式由角焊缝改为对接焊缝并且全熔透焊，可以减少接头的焊接应力和改善接头的受力状况。

（3）进行严格的消除应力热处理

管板部件由于板厚较大（70mm），在钻孔加工过程中存在局部挤压应力和表面过热（蓝脆）现象。在粗加工后精加工前，可进行一次完全退火，即加熱到Ac3以上30～50℃（850℃+30～50℃），保温2.4h后随炉冷却，以获得细化晶粒、消除内应力、降低硬度、改善切削加工性能。

加热器总装焊接完成后，在水压试验之前按设计要求进行整体退火。焊后热处理为去应力退火，根据《钢制压力容器焊接规程》，退火温度为600～640℃，保温时间按容器中最厚的板厚选取。加热器中最厚的部件为管板（70mm），最短保温时间为（2+ × ）h，即2.4h。热处理工艺如下：

1）、焊件进炉时，炉内温度不得高于400℃。

2）、焊件升温至400℃后，加热区升温速度不得超过71℃/h，最小可为50℃/h。

3）、焊件升温期间，加热区内任意长度为5000mm内的温差不得大于120℃。

4）、当炉内温度升至600～640℃后，保温最短时间不少于2.4小时。

5）、焊件保温期间，加热区内最高与最低温度之差不宜大于65℃。