贮碱罐焊接接头开裂原因及防止措施

第!"卷第!期

石油化工高等学校学报

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贮碱罐焊接接头开裂原因及防止措施

丁启敏!，栾江峰!，万发亭(

（!&抚顺石油学院化工机械系，辽宁抚顺!!"))!；摘

辽宁抚顺!!"))!）(&抚顺石油学院机械厂，

要：结合抚顺石化公司石油一厂两个;)A"立式贮碱罐焊接热影响区开裂情况，对其产生的原

因和防止措施进行了研究。现场检测和实验室研究结果表明，大多数情况下，贮碱罐焊接热影响区开裂是碱脆应力腐蚀破坏；指出：碱液质量浓度、温度、罐体的应力状态，是形成碱脆破坏的充分必要条件。提出适当调节三要素中的任何一个，都可以有效地避免产生碱脆破坏的观点。在设计和制造贮碱罐防冻加热器的结构时，应优先考虑选用内置加热器形式。主要原因在于：内置加热器结构尺寸远小于外置式结构。特点是：省料（选用镍基或镍钢管以及碳钢管焊制时）；便于焊制后整体进行炉中消除应力热处理（碳钢管焊制时）；从而避免或减轻碱脆应力腐蚀破坏。其它研究结果也证明：内置蛇形管加热器的优点多于外置式蛇形管加热器。

关键词：碳钢碱罐；焊接接头；碱脆；原因；措施中图分类号：3B)?"

文献标识码：.

在石油化工、热电厂以及贮运部门的生产环节中大量使用贮碱罐，基于介质工况多为常温常压，所以贮碱罐材料常选用B("?钢板由电弧焊拼焊制成，其容积由几立方米C几百立方米不等，鉴于生产条件限制，现场组焊的罐体，焊后很难彻底消除焊接残余应力，在腐蚀性碱液介质作用下，往往造成贮碱罐在焊接热影响区上产生纵向或横向裂纹，致使结构使用性遭到破坏，甚至经常引发人身损伤事故。这一问题已经引起人们的重视，并对其产生原因和防

［!C?］止措施开展了一些相应的探讨。现结合抚

焊条2@")"（*@((）；野外冬

季施工；焊后无热处理。（"）加热状况罐外蛇形管加热器：管径

加热管旋绕!"圈；加热高度()))AA；(?AA；!

加热管实测表面温度!(DE；罐体温度（贴合加热管处）!!(E。

（@）碱液’9+5@(F。

!==G年冬季。

（;）贮碱罐结构及裂纹部位如图!和图(

所示。

（?）建造时间

（(）焊接工艺

顺石化公司某炼油厂贮运车间两个;)A"贮碱罐焊接接头上热影响区部位开裂原因和防护措施进行研究。

!原始条件

（!）罐体

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图!贮碱罐结构简图

!<外置蛇形管加热器；(<保温岩棉；

），男，辽宁清原县，高级工

"<罐壁；@<碱罐人孔法兰；?<入孔补强图

材质B("?；板厚?AA；容积;)

液面高度@)))AA。A"；

收稿日期：!===<!)<);作者简介：丁启敏（!=?!<

万方数据程师。

(焊接热影响区裂纹特征

(-

石油化工高等学校学报第#+卷

位置、长度和走向，其检测数据如表#所示。

!"#

裂纹宏观特征

通过现场着色渗透检测可以清楚看到裂纹

表#

!"#$"#

开裂罐体&’#

裂纹位置入孔补强圈搭接焊缝罐壁侧罐体下部筒节纵焊缝组装支撑架焊缝罐体下部环焊缝

裂纹长度$%%()*

现场检测结果看出裂纹大多发生在焊接热影响区上，走向基本平行于焊缝或垂直于焊缝延伸至母材，如图!所示。

裂纹现场检测数据%&’()"("*(+,-).(..#’/(*0.*12

裂纹走向沿热影响区开裂沿热影响区开裂沿热影响区开裂开裂在热影响区延伸至母材

裂纹性质贯穿

距罐底高度$%%##**

裂纹深距外加热管位置在加热管下

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贯穿贯穿贯穿

)-*#).*#-**

在加热管下在加热管下在加热管下

/01"!&23456789:;<=>?0@3;53;0’6A72:<A3@56

图!贮碱罐焊接热影响区裂纹

!"!裂纹微观特征

裂纹尖端现场金相检测看到：裂纹起源于

展成宏观裂纹。

焊接热影响区的粗晶区部位，沿晶界走向，属于典型的沿晶开裂，如图+所示。

生产中盛装B3C=溶液的碳钢和低合金钢容器经常发生这种应力腐蚀开裂，其形貌特征均为沿晶开裂。这源于，在其晶界处富集一些低熔点共晶物质（如硫、磷、碳等），在碱液中这些物质成为腐蚀电池的阳极，而晶粒由于钝化而成为腐蚀电池的阴极。阳极溶解，在拉应力集中部位阳极溶解加速，如此，在碱液介质和拉应力的共同作用下，万方数据裂纹不断沿晶界扩展而发

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图+起源于焊接热影响区的裂纹形态

+焊接接头开裂原因

第#期丁启敏等"贮碱罐焊接接头开裂原因及防止措施<F

多数情况下都不能及时进行消除应力热处理，

!"#

罐体焊制的影响

中大型贮碱罐一般在现场组装焊接，焊后

致使在罐体中存在着较大的残余应力，特别是焊脚处应力集中现象尤为严重，且均为拉应力，应力状态如图$

所示。

%&’"$()*+,,-./0&)&./&/1+20345图$焊接热影响区应力状态

!"6介质浓度的影响

在石油炼厂和众多化工厂中，由于生产工

艺的要求，必须设置高浓碱液的贮运装置，其碱液（含7893）质量分数一般为$6:;$<:。!"!开裂处温度的影响

贮罐中介质一般为常温常压，但北方地区冬季寒冷，为防止罐内碱液结冰，一般采用罐内或罐外蛇形管加热器加热，并在罐外岩棉保温处理。

现场实测温度表明，无论哪种加热方式，蛇形管加热器表面温度均超过#6=>（蒸汽加热）。内加热情况下，蛇形管将处在高温碱液层的包容之中；外加热时，为了提高加热效率，蛇形管将直接贴附在罐壁上，如图#中所示。而贴合加热管处罐壁温度很高（实测值均超过，远高于碱脆理论浓碱介质中形成碱脆#==>）

［?］

破坏的最低临界温度（<<>）。!"$

原因分析

现场检验和实验室分析结果表明，这种破坏是一种典型的碱脆，它是应力腐蚀的一种形式，而生成碱脆的充分必要条件是：#）较大的拉伸应力；6）高浓的腐蚀性碱液；!）破坏点环境温度超过最低临界值。其关系如图<所示。

%&’"<@AA+-).A,)*+,,-./0&)&./，)+BC+*8)D*+8/0-./-+/)*8)&././-8D,)&-+/E*&))2+B+/)图<应力状态、温度和浓度对形成碱脆破坏的影响

有效地隔离腐蚀介质6）罐体内部衬里或涂漆，与罐体内壁接触；!）碳钢结构焊后整体退火，较好地消除残余应力；$）有效地控制温度。

生产过程中，为了提高效率，贮碱罐中盛装介质均为高浓度碱液，按照三元素原则，浓度因素调节性不大；现场焊接的大型贮罐，焊后彻底消除焊接残余应力，工艺复杂费用很大；而有效地调节罐体敏感部位的温度则是一种经济有效的途径。

贮碱罐产生碱脆的敏感温度主要来源于冬季防冻加热，生产中应用的加热方式主要有：#）罐内设置碳钢蛇形管加热器蒸汽加热；6）罐外设置蛇形管加热器蒸汽加热。

第一种情况下，加热器在罐内碱液中，表面温度不易控制，而往往导致蛇形管表面温度大大超过该条件下产生碱脆的最低临界温度，造成罐内加热器泄漏，明汽使罐内温度速升，致使

$碱脆腐蚀防护

贮碱罐产生碱脆破坏已相当普遍，防护措

万方数据施也有多种：#）结构采用镍基或高镍钢焊制；

#M

罐壁敏感部位产生碱脆现象。

石油化工高等学校学报第!>卷

#结论

第二种情况下，罐壁贴合加热管的敏感部位，温度也会大大超过该最低临界温度，促使产生碱脆现象。

实验研究结果表明：在保留内加热优点的基础上，改变内加热器蛇形管材质，就能有效地避免贮碱罐产生碱脆损伤。具体措施为：!）采用无缝碳钢管焊制后整体炉中加热消应处理，彻底消除焊制中产生的残余应力；"）使用镍基或高镍钢管焊制加热器，以减轻碱脆损伤。采用上述措施，即能防止加热器腐蚀泄漏，又能保证罐壁附近碱液的温度远小于碱脆临界温度。

参

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$）贮碱罐焊接热影响区裂纹是一种碱脆

应力腐蚀开裂。

碱液的浓度、温度%）贮碱罐的应力状态、

是形成碱脆的三个充分必要条件。

设置蛇形管内加&）液碱贮罐防冻加热时，

热器选用材料时，应优先考虑镍钢或镍基耐蚀不锈钢。

’）内置蛇形管加热器采用碳钢管煨制时，焊后进行整体消应热处理，也能达到有效防止碱脆的效果。

(）内加热的优点多于外加热方式。

考文献

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万方数据

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贮碱罐焊接接头开裂原因及防止措施

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作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：丁启敏， 栾江峰， 万发亭， Ding Qimin， Lan Jiangfeng， Wan Fating丁启敏,栾江峰,Ding Qimin,Lan Jiangfeng(抚顺石油学院化工机械系,辽宁抚顺,113001)， 万发亭,Wan Fating(抚顺石油学院机械厂,辽宁抚顺,113001)石油化工高等学校学报JOURNAL OF PETROCHEMICAL UNIVERSITIES2000,13(1)

参考文献(6条)

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