石化装置中取压孔板法兰与支管焊缝裂纹分析及处理

摘要：某石化260万吨/年浆态床渣油加氢裂化装置及轻油联合加氢装置，在装置投料试运行过程中，反应进料及加热炉区管廊节流装置取压孔板法兰仪表引出支管一次点焊缝出现微裂缝，导致管线内氢气外漏，焊缝泄漏部位管道操作工况为氢气、384℃、17.3MPa。装置紧急停炉切出氢气泄压处理，没有造成着火爆炸及人员伤亡。装置车间人员联合施工人员，针对泄露焊缝进行分析，并结合裂纹原因和实际对裂纹处进行清理和补修焊接。装置顺利投料开车，保证了装置投料生产节点要求。

关键词：石化装置；焊缝；裂纹；分析；处理

裂纹导致物料泄露后，生产方和施工方对裂纹处进行检查，并对资料、材料、施工措施等进行逐项分析，罗列原因，逐一进行排查，对类似焊缝统一进行检测和更换。

1．法兰孔板支管焊缝裂纹

1.1针对该装置同类取压法兰仪表支管一次点焊缝，共检查法兰6对、36个法兰接管焊缝，发现3对法兰8处出现裂纹和泄露；

1.2 裂纹位于管线弯矩最大处，当管线内介质升温时，此处亦是应力及膨胀系数最大处，受力集中容易导致裂纹产生；

1.3 从裂纹形状观察，裂纹从取样孔焊缝沿法兰熔合线处开裂，并向焊缝、母材延伸，修磨最深一处22mm，初步判断起裂处在法兰熔合线。

2．查阅孔板法兰供货及施工资料

2.1 针对上述情况，通过查验设计文件资料、现场实际状况以，节流装置取压孔板法兰所在管线以及仪表支管技术参数。

2.2 经查阅取压孔板法兰采购厂家技术协议、孔板法兰供货条件，厂家供货状态为孔板法兰、短管、闸阀为分开供货。孔板法兰为锻件。

2.3 经查阅孔板法兰产品质量证明书、锻件孔板法兰检测合格证资料及焊缝质量情况，均为A182 F22材质，孔板法兰锻件产品合格证、锻圆钢的拉伸试验检测报告指标在标准范围内。

2.4 经现场对孔板法兰、焊缝的光谱复测，焊缝裂纹区域的母材、焊缝熔敷金属（CHG-62B3R）均符合P22合金钢金属化学成分含量要求，不存在材料、焊材用错问题。

2.5 经查阅施工焊接质量控制资料，包括管段图、管道焊接工作记录、热处理曲线、法兰孔板仪表规格书、理化检测结果反馈单、焊接接头无损检测日委托单和管道焊口无损检测结果通知单等资料，证明施工单位按照设计图纸、相关施工规范及施工技术方案要求进行作业，同时进行了相关检测并出具报告。该管线经水压试验、气密（分N2气密和H2气密）等冷态试压检验合格。

2.6 查阅焊缝的施焊记录，证明焊工资质与焊接内容相符且在有效期内，上岗证亦符合焊接工艺要求。

3. 法兰孔板支管焊缝裂纹分析

3.1 由于取样孔板法兰、支管、阀门是分开供货，需要现场组焊，考虑到孔板法兰厚度为δ120mm，而支管厚度仅为Φ26.7×7.82mm，且厂方没有提供孔板法兰及取样直管焊接技术要求。从调查情况并结合现场实际来看，开裂的孔板法兰和引出支管角焊缝焊后热处理条件受限，考虑到焊后热处理技术参数较难确定，施工方编制审批的工艺管道热处理专项方案，按照相关标准规范对预热、后热的焊接热处理工艺要求进行了规定，没有制定焊后热处理工艺。

施工单位按照方案对焊缝进行了焊前预热、焊后后热保温处理，未进行焊后热处理工作。由于规范SH3501-2011及GB50517-2010中未要求后热需提供相关资料证明，故该焊缝没有预热、后热的焊接过程资料。

但现场组焊焊接过程中，存在预热温度不够，后热不及时或后热温度不达标等现象，也是间接导致裂纹产生的原因。

3.2 从焊缝外观成型观察，焊工焊接时，没有严格按照必须焊接2-3层要求，导致个别焊缝存在焊肉不足。

3.3管道设计存在应力集中，导致焊缝应力过大，也是导致焊缝开裂的直接原因。根据施工单位以往经验分析产生应力有以下几种原因：

（1）焊接及热处理过程中，产生应力；

（2）管道投料运行中，由于母管及引压管热胀冷缩引起位移，产生应力没有释放；

（3）管道运行中，内部氢介质对管道及焊缝及热影响区进行侵蚀，引起应力腐蚀；

（4）管道焊接完，投料过程中，有外力碰撞到引压管，也促使焊缝产生裂纹；

（5）母材原材料存在先天质量问题也是导致焊缝开裂的原因之一；

（6）桨态床渣油加氢为转化意大利技术首次应用，在设计方面，因时间紧张，尤其管道应力计算、流量计算方面还有待完善等等。

4．P22材料分析

4.1 P22为低合金耐热钢,合金元素含量近似于我国12Cr2Mo，主要合金元素为铬、钼。铬在材料表面生成致密的保护膜，提高钢的耐蚀性。铬溶于Fe3C后，可使碳化物具有很大的热稳定性，阻止碳化物的分解和减缓碳在铁素体中的扩散，能有效防止石墨化。钼是钢中的主要强化元素，钼优先进入固溶体使其强化，提高钢的热强性，但降低热脆敏感性。

4.2冷裂纹产生机理。P22材料中的主要合金元素为铬、钼，它们都能够显著提高钢的脆硬性。但是，随着合金元素和碳的含量提高，脆硬倾向增大，当焊接拘束度大，冷却速度快的厚壁管道焊接时，同时又有氢的有害作用，就会导致冷裂纹。

4.3 热裂纹产生机理。P22材料含有钒、铬、钼、硼等合金元素，容易在焊接接头热影响区的粗晶区，沿原奥氏体晶界开裂。

4.4根据 P22材质力学性能、化学成分与材料焊接特性分析，具有较大淬硬和裂纹倾向，应力集中导致焊缝应力裂纹产生。

4.5 初步判断，原始P22材料锻件取压法兰，存在制作晶粒度不均匀、晶粒粗大、焊接抗裂性不足等倾向。

5．部分管理因素

5.1 设计管理存在漏洞。孔板法兰是工艺专业及仪表专业的分界面，该A182  F22孔板法兰和支管焊缝，因为不属于工艺专业设计，工艺专业没有提及，而仪表专业也没有提及焊接方面要求。

5.2 孔板法兰厂家未提供组焊技术要求。孔板法兰及支管焊接，原则上应由材料厂家进行组焊完成，并进行无损检测、热处理等合格的验收工序。如果材料厂家分件供货，应提供相关技术条件及要求，如热处理等，以供设计方、施工方按照技术要求组焊。以上原因导致设计方、施工方执行工艺存在偏差。

5.3思想麻痹大意。流量孔板法兰引管的焊缝，客观上存在热处理的结构特点，未能提出提出针对性焊缝方案，思想麻痹大意。

6．修补工艺的制定

6.1 按照业主要求，需将36处孔板法兰和仪表支管焊缝全部清除，重新焊接。

6.2采用砂轮机将取压孔板法兰和仪表支管焊缝清除，原位置割除后清理干净，将孔板法兰支管管台内清理干净。采用PT检测，保证缺陷全部清除干净。由于管内存有压力，应立即采用软木塞封堵；

6.3 组对时，孔板法兰支管台和支管端面按照相关标准组对间隙2-3mm。

6.4 焊接工艺采用钨极氩弧焊工艺，镍基材料焊接（ERNiCrMo-3），现场采用美国产UTP ERNiCrMo-3，规格Φ2.4mm。

6.5 根据材料特性，焊缝施焊前，预热温度不低于100℃，层间温度不高于150℃。

6.6 焊接时电流控制在100-140A，氩气纯度99.99%。

6.7 每道焊缝适当控制焊接厚度在3-5mm，太薄容易出现裂纹缺陷。

6.8 焊接时焊缝不得少于3层，最后一道焊道为回火焊道，完成的焊缝后热150℃，覆盖保温棉保温缓冷。

6.9 孔板法兰、支管焊角高度满足SH/T3501规定，不小于支管厚度1.4倍（约为12mm），孔板法兰焊角额外增加1～2mm，最终焊道应为凸型焊缝。

6.10 焊缝完成后，焊缝熔合处需圆滑过渡。外观检查合格后，委托检测单位进行光谱、硬度及冷态着色检测，需全部符合设计及规范要求。

7 结束语

方案确定后，对现场施工人员进行交底后开始焊缝处理，共计完成6对法兰孔板、36个支管清除、焊接工作。第36道焊缝，由于裂纹延伸到母材，清除到近20mm厚度后，依然PT显示存在裂纹。经检测人员判定，PT着色探伤显示裂纹缺陷，为内磨机划过的一道道划痕，误判定为裂缝，采用刮刀刮后检测合格。

最后一道焊缝完成焊接。全部焊缝经PT检测全部一次合格。

通过本次P22材料孔板法兰及支管焊接，反应出孔板法兰是工艺专业还是仪表专业的界面模糊；孔板法兰厂家没有提供组焊技术要求；P22需要焊后热处理，但方案中没有提出针对性方案等管理漏洞。同时，施工方没有严格执行P22焊接工艺，没有按照标准进行支管台组对校验，焊接时存在焊肉不足等执行工艺不严等，也是导致焊缝出现裂纹的原因。