為什么疲勞壓力容器不能采用藥芯焊絲焊接

一、GB/T4732明確禁止選用藥芯焊絲焊接按疲勞分析設(shè)計的壓力容器，JB4732并沒有這個限制，為什么GB/T4732會專門增加這個限制呢。

7.1.2.6 藥芯焊絲可用于 Fe-8-1 組鉻鎳奧氏體型不銹鋼母材之間和 Fe-1-1 組母材之間的焊接，但不應(yīng)選用藥芯焊絲焊接其中的低溫壓力容器、按疲勞分析設(shè)計壓力容器、盛裝毒性為極度和高度危害介質(zhì)的壓力容器、現(xiàn)場組裝壓力容器中在現(xiàn)場施焊的受壓元件焊接接頭以及厚度大于 60 mm 的 Fe-1-1 組母材制受壓元件焊接接頭。

二、查閱相關(guān)文獻(xiàn)，可以在13年通用院發(fā)表的“變壓吸附器開裂原因分析及失效預(yù)防”一文（https://m.doc88.com/p-2901007562104.html#）中找到答案，部分內(nèi)容抄錄如下。

0 引言

吸附器是制氫裝置變壓吸附技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備，長期承受臨氫環(huán)境下的疲勞載荷作用。近年來，中國石化及煤化工行業(yè)制氫裝置發(fā)生多起變壓吸附器開裂失效事故，如大連某石化制氫吸附器因焊縫開裂發(fā)生泄漏，內(nèi)蒙古某煤制油分公司數(shù)臺制氫吸附器在較短的時間間隔內(nèi)相繼發(fā)生開裂泄漏（開裂部位包括筒體母材和外壁保溫支撐圈缺口處角焊縫等），天津某石化公司多臺吸附器使用一個周期（3年）后，全面檢驗(yàn)時在筒體環(huán)焊縫上發(fā)現(xiàn)多起超標(biāo)缺陷。上述開裂案例具有以下幾個共同特點(diǎn)：

(1) 制造單位均是國內(nèi)規(guī)模較小的地方壓力容器制造企業(yè)；

(2) 均在投用3~5年內(nèi)即發(fā)生開裂；

(3) 開裂部位并不是設(shè)計中重點(diǎn)考慮的應(yīng)力集中部位，而是在筒體的焊縫或母材上。

根據(jù)對典型開裂案例的失效分析結(jié)果，結(jié)合對中國多家石化及煤化工企業(yè)百余臺吸附器的設(shè)計和使用情況的調(diào)研結(jié)果，從疲勞設(shè)計、制造、使用、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)對造成吸附器開裂的主要影響因素進(jìn)行了深入分析，提出了避免吸附器過早發(fā)生疲勞破壞的改進(jìn)措施。

1 典型失效分析案例

2012年6月，某石化分公司連續(xù)重整聯(lián)合裝置一臺氫提濃（PSA）吸附器發(fā)生泄漏現(xiàn)象，泄漏部位位于塔的簡體上部的環(huán)焊縫上（見圖1），裂紋方向?yàn)檩S向。該設(shè)備2008年6月投入運(yùn)行至發(fā)生泄漏時累計運(yùn)行時間約3.5年。

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.1 裂紋宏觀形貌

開裂部位外壁裂紋長度約410 mm，內(nèi)壁裂紋長度約450 mm，裂紋中心處有約33 mm × 19 mm的凹坑（見圖2）。裂紋附近焊縫金屬的最小厚度40.65 mm，筒體厚度44.70 mm。根據(jù)裂紋內(nèi)壁長度大于外壁長度的現(xiàn)象可以推斷裂紋是由內(nèi)向外擴(kuò)展的。另，除已穿透裂紋外，在其附近的環(huán)焊縫上還發(fā)現(xiàn)了5條長度為15 ~ 30 mm的埋藏橫向裂紋，根據(jù)裂紋的埋藏深度判斷，裂紋均位于環(huán)焊縫金屬靠近內(nèi)坡口側(cè)的焊道上。

1.5 分析結(jié)論

吸附器開裂的原因是環(huán)焊縫的內(nèi)坡口焊道上存在埋藏原始焊接熱裂紋，設(shè)備運(yùn)行過程中裂紋在環(huán)向交變應(yīng)力的作用下沿軸向發(fā)生疲勞擴(kuò)展，最終穿透筒體壁厚引起泄漏。

2 討論 2.1 裂紋產(chǎn)生的原因

從開裂焊縫焊接接頭的低倍金相形貌的焊道成形和熔深較淺等特點(diǎn)以及調(diào)查所了解到情況來看，失效吸附器環(huán)焊縫采用 X 型坡口，內(nèi)外坡口均采用了藥芯焊絲 CO 2 2 氣保焊，焊接材料牌號為 E501T-1，焊接順序?yàn)橄群竿獗冢? 道），后焊內(nèi)壁（6~7 道）。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由該廠同一批制造的另一臺規(guī)格完全相同的吸附器（位號：C2101B）進(jìn)行 RT 檢測時，在與 C2101I 開裂部位相同的焊縫上也檢測出多條埋藏裂紋，特別是在筒體與上封頭連接焊縫上檢出了超過 13 條埋藏裂紋。由此可見，制造單位在制造該批吸附器時，采用的藥芯焊絲氣保焊工藝存在較高的產(chǎn)生裂紋的概率。

藥芯焊絲具有：飛濺小、熔滴過渡均勻、焊縫成形好、可用較大焊接電流進(jìn)行全位置焊接和生產(chǎn)效率高（生產(chǎn)率比焊條電弧焊高約 3~5 倍）等優(yōu)點(diǎn)[2]，近年來越來越多地被容器制造廠采用，特別是一些中小型的制造廠將采用藥芯焊絲提高焊接生產(chǎn)效率作為降低制造成本的一個重要競爭手段。但是從一些容器制造廠藥芯焊絲的使用情況來看，由于藥芯焊絲存在外表容易銹蝕，粉劑易吸潮等缺點(diǎn)，一旦受潮和銹蝕，將導(dǎo)致焊縫金屬中的氫、氧及低熔點(diǎn)污染元素的含量較高，產(chǎn)生焊接缺陷（裂紋、氣孔、夾渣等）的概率較高。本失效吸附器在開裂部位附近同一條環(huán)焊縫上約 800 mm 范圍內(nèi)即檢出 5 條 15~30 mm 長埋藏裂紋（原始焊接熱裂紋），足以說明制造廠選用的焊接工藝不當(dāng)，同時在制造質(zhì)量控制上存在明顯缺陷。

2.2 原始制造缺陷開裂的影響

金屬結(jié)構(gòu)在疲勞載荷下的壽命包括無缺陷時疲勞萌生壽命和裂紋萌生后的疲勞擴(kuò)展壽命，一般萌生壽命占總壽命的90%，疲勞裂紋擴(kuò)展壽命很短。從上述失效案例分析結(jié)果可知，焊縫中存在原始制造缺陷（熱裂紋）是導(dǎo)致該吸附器運(yùn)行3.5年就發(fā)生筒體開裂的主要原因。吸附器設(shè)計的疲勞壽命是基于材料無缺陷狀態(tài)下的S-N曲線，在無缺陷的情況下疲勞裂紋的萌生壽命很長，但一旦有原始裂紋存在，裂紋不需要萌生，在疲勞載荷作用下就會發(fā)生亞臨界擴(kuò)展。當(dāng)原始裂紋尺寸發(fā)展到某一臨界條件時，裂紋就會發(fā)生失穩(wěn)。由于越過了疲勞裂紋的萌生階段，因此顯著地縮短了設(shè)備的疲勞壽命。本案例中發(fā)生泄漏的裂紋斷面的啟裂部位存在明顯的原始焊接裂紋，證明了原始焊接缺陷成為了疲勞裂紋源。

3 幾點(diǎn)建議

1. 根據(jù)筆者所在機(jī)構(gòu)對最近發(fā)生的幾起吸附器開裂的失效分析結(jié)果來看，制造質(zhì)量不佳（包括焊接材料選用不當(dāng)、缺陷漏檢等）是導(dǎo)致開裂發(fā)生的主要原因，因此，加強(qiáng)制造質(zhì)量控制是預(yù)防吸附器過早失效的最有效的措施；

2. 在制定吸附器定期檢驗(yàn)方案前應(yīng)認(rèn)真審查設(shè)備原始制造資料，對2000年以后制造能力較弱的制造廠制造以及采用藥芯焊絲自動焊或氣保焊的設(shè)備，除應(yīng)重點(diǎn)檢驗(yàn)應(yīng)力集中部位外，對接焊縫也應(yīng)進(jìn)行UT或RT檢查，并提高檢測精度（如采用TOFD方法等）；

3. 對不是采用藥芯焊絲焊接的吸附器，則重點(diǎn)檢驗(yàn)應(yīng)力集中部位，并適當(dāng)抽檢筒體對接焊縫。

三、總結(jié)

好幾年以前在討論疲勞容器要不要熱處理的問題時大家就聊到吸附器對接接頭開裂的事情，當(dāng)時并沒有看過篇文章報道，幾乎都傾向于把焊后熱處理直接加上。等幾年之后GB/T4732出來，也沒有要求疲勞設(shè)備一律焊后熱處理，而是禁止采用藥芯焊絲焊接疲勞容器。另外，GB/T4732明確要求制造廠具備A級或者C級制造許可，直接把制造能力弱小的制造廠排除掉。

消息來源：“壓力容器設(shè)計技術(shù)”公眾號

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