气化炉内壳体裂纹焊接修复

某厂一台气化炉为ⅢMR夹套容器。该容器高13900mm，外径4000mm，容积78m3，内外壳体间距150 mm。设计压力为3.0 MPa。夹套内工作压力为2.8Mpa，工作温度为270℃，介质为水和蒸汽。内壳体内工作压力为2.7MPa，按不同区段工作温度在400~1000℃之间，介质为煤、水、蒸汽、CO、CO2、H2、CH4、H2S。内壳体内径3636 mm，材质为复合板，基材材质为HⅡ，厚为28mm，复合层材质为X2CrNiMoN22.5双相不锈钢，厚为4mm。该气化炉设计时内壳体内有砖衬，后拆除，复合层直接与火焰接触。该容器于1994年8月投入运行，2011年4月发现内壳体开裂。

一、经裂纹产生原因分析：气化炉内壳体裂纹应为热疲劳裂纹

不锈钢复合层中铁素体分解导至不锈钢脆化是产生热疲劳裂纹的主要原因。不锈钢复合层中铁素体发生严重分解导至不锈钢脆化的主要原因是未按原设计在气化炉内壳体内加砖衬，使不锈钢复合层表面长期与火焰直接接触，表层温度过高（可能在600℃以上）使得不锈钢复合层特别是表层中铁素体明显分解，导至不锈钢复合层母材和焊缝脆化。其次，不锈钢复合层焊接时，当焊接热影响区和焊道重热区最高温度在1300~1100℃（过热区）范围内时，将使不锈钢复合层中铁素体含量增加（含量可达90%），温度在600~900℃范围内时将使铁素体发生分解。焊接修复时由于金属多次重复受热进一步加速了铁素体分解。铁素体含量越高，分解越严重，脆化也越严重。这也是裂纹主要产生在复合层焊缝熔合线和焊缝焊道搭接线的主要原因。气化炉内壳体产生热疲劳裂纹的原因是气化炉运行中存在急起急停（急冷急热）现象。内壳体内外工作压力基本相等，由压力引起的工作应力很小，起停（冷热）引起的热应力是内壳体承受的主要应力。由于不锈钢热膨胀系数大且与碳钢热膨胀系数相差较大，急起急停必然在内壳体内外壁之间产生过大的交变附加应力，其最大值出现在复合层表面。脆化最严重的焊趾部位和焊缝重复返修部位是裂纹优先形成部位。

从金相组织和机械性能上看，明显劣化现象仅发生于不锈钢复合层表面，碳钢基材未见脆化倾向。不锈钢复合层尚有足够的韧性，经焊接修复后弯曲性能可满足工作要求。考虑到内壳的工作条件（低工作应力），可以认为：开裂部位可通过焊接方法修复。

二、焊接修复

1.需焊接修复部位

气化炉内壳体探伤发现存在裂纹部位、复合层剥离部位、取样开窗口部位均需焊接修复。较浅裂纹（复合层内）、剥离的复合层采用砂轮打磨或机械方法清除裂纹和剥离部位。较深的裂纹可先用碳弧气刨清除，再用打磨或机械方法加工成坡口，打磨或机械方法加工深度应不小于3mm，以清除碳弧气刨的热影响区。裂纹、剥离部位清除后用渗透探伤方法检验坡口，以确认缺陷全部清除。对于裂到基材的裂纹清除后还应进行酸浸蚀检验，以确定不锈钢和碳钢的分界线。

2.焊接修复所用材料

因未发现裂纹与原复合层及焊接材料有直接关系，考虑到焊接修复所用材料与原复合层材料腐蚀性能和机械性能相匹配，复合层不锈钢裂纹部位和剥离部位焊接修复所用材料应与原设计一致。过渡层材料选用E309MoL9（铁素体含量约为8~10%），不锈层选用E2209（铁素体含量约为40%）。HⅡ钢与20g性能相近，窗口镶补材料选用28mm厚20g板，基材的焊接材料选用性能与20g 及HⅡ钢相匹配，抗冷裂纹性能好的E4315。

3.焊接修复过程

3.1基材及窗口镶补板的焊接

焊前坡口附近要予热到100~150℃，焊接过程中层温控制在100~250℃。打底焊及二、三层焊道采用Φ3.2mmE4315焊条焊接，四层以上采用Φ4.0 mmE4315焊条焊接。为了减少焊接应力，焊接电流要小，层间要进行锤击。基材坡口要用4315焊条焊满，但电弧不要烧到复合层，以免不锈钢金属熔入碳钢焊缝，引起焊接冷裂纹。焊接过程每层都要进行检查以避免产生裂纹和夹渣等缺陷。基材及窗口镶补板的焊接完成后按JB/T4730-2005进行超声波及渗透探伤，Ⅰ级合格。

3.2不锈层焊接修复

内壳体不锈层修复用焊接材料为E2209焊条。但在清除裂纹时露出碳钢部分、E4315焊缝表面以及窗口镶补板内表面均需先堆焊一层过渡层。过渡层焊接材料为Φ3.2mm的E309MoL焊条。为防止焊接过程复合层发生剥离，堆焊过渡层时要先焊复合层与基材的结合处。为了提高堆焊金属的韧性，堆焊时夹套内充满水，控制层温60℃。电弧长度要稳定，要添满弧坑以防止热裂纹和火口裂纹。过渡层堆焊完后焊缝表面要进行清理打磨，去掉过高焊缝，检查表面有无裂纹、夹渣等缺陷。不锈层堆焊用Φ3.2mm的E2209焊条，堆焊工艺与过渡层相同。焊完后堆焊层要比原复合层高0.8~1.0mm。焊后对所有补焊焊缝进行20%超声波探伤和100%渗透探伤，按JB/T4730-2005Ⅰ级合格。

三、修复后运行情况

气化炉内筒体焊接修复完成后加砌了衬砖，然后严格地按起停炉规程投入运行。从六月至今运行正常。