为什么疲劳压力容器不能采用药芯焊丝焊接

一、GB/T4732明确禁止选用药芯焊丝焊接按疲劳分析设计的压力容器，JB4732并没有这个限制，为什么GB/T4732会专门增加这个限制呢。

7.1.2.6 药芯焊丝可用于 Fe-8-1 组铬镍奥氏体型不锈钢母材之间和 Fe-1-1 组母材之间的焊接，但不应选用药芯焊丝焊接其中的低温压力容器、按疲劳分析设计压力容器、盛装毒性为极度和高度危害介质的压力容器、现场组装压力容器中在现场施焊的受压元件焊接接头以及厚度大于 60 mm 的 Fe-1-1 组母材制受压元件焊接接头。

二、查阅相关文献，可以在13年通用院发表的“变压吸附器开裂原因分析及失效预防”一文（https://m.doc88.com/p-2901007562104.html#）中找到答案，部分内容抄录如下。

0 引言

吸附器是制氢装置变压吸附技术中的关键设备，长期承受临氢环境下的疲劳载荷作用。近年来，中国石化及煤化工行业制氢装置发生多起变压吸附器开裂失效事故，如大连某石化制氢吸附器因焊缝开裂发生泄漏，内蒙古某煤制油分公司数台制氢吸附器在较短的时间间隔内相继发生开裂泄漏（开裂部位包括筒体母材和外壁保温支撑圈缺口处角焊缝等），天津某石化公司多台吸附器使用一个周期（3年）后，全面检验时在筒体环焊缝上发现多起超标缺陷。上述开裂案例具有以下几个共同特点：

(1) 制造单位均是国内规模较小的地方压力容器制造企业；

(2) 均在投用3~5年内即发生开裂；

(3) 开裂部位并不是设计中重点考虑的应力集中部位，而是在筒体的焊缝或母材上。

根据对典型开裂案例的失效分析结果，结合对中国多家石化及煤化工企业百余台吸附器的设计和使用情况的调研结果，从疲劳设计、制造、使用、检验等环节对造成吸附器开裂的主要影响因素进行了深入分析，提出了避免吸附器过早发生疲劳破坏的改进措施。

1 典型失效分析案例

2012年6月，某石化分公司连续重整联合装置一台氢提浓（PSA）吸附器发生泄漏现象，泄漏部位位于塔的简体上部的环焊缝上（见图1），裂纹方向为轴向。该设备2008年6月投入运行至发生泄漏时累计运行时间约3.5年。

设备主要技术参数如表1所示。

1.1 裂纹宏观形貌

开裂部位外壁裂纹长度约410 mm，内壁裂纹长度约450 mm，裂纹中心处有约33 mm × 19 mm的凹坑（见图2）。裂纹附近焊缝金属的最小厚度40.65 mm，筒体厚度44.70 mm。根据裂纹内壁长度大于外壁长度的现象可以推断裂纹是由内向外扩展的。另，除已穿透裂纹外，在其附近的环焊缝上还发现了5条长度为15 ~ 30 mm的埋藏横向裂纹，根据裂纹的埋藏深度判断，裂纹均位于环焊缝金属靠近内坡口侧的焊道上。

1.5 分析结论

吸附器开裂的原因是环焊缝的内坡口焊道上存在埋藏原始焊接热裂纹，设备运行过程中裂纹在环向交变应力的作用下沿轴向发生疲劳扩展，最终穿透筒体壁厚引起泄漏。

2 讨论 2.1 裂纹产生的原因

从开裂焊缝焊接接头的低倍金相形貌的焊道成形和熔深较浅等特点以及调查所了解到情况来看，失效吸附器环焊缝采用 X 型坡口，内外坡口均采用了药芯焊丝 CO 2 2 气保焊，焊接材料牌号为 E501T-1，焊接顺序为先焊外壁（6 道），后焊内壁（6~7 道）。调查发现，由该厂同一批制造的另一台规格完全相同的吸附器（位号：C2101B）进行 RT 检测时，在与 C2101I 开裂部位相同的焊缝上也检测出多条埋藏裂纹，特别是在筒体与上封头连接焊缝上检出了超过 13 条埋藏裂纹。由此可见，制造单位在制造该批吸附器时，采用的药芯焊丝气保焊工艺存在较高的产生裂纹的概率。

药芯焊丝具有：飞溅小、熔滴过渡均匀、焊缝成形好、可用较大焊接电流进行全位置焊接和生产效率高（生产率比焊条电弧焊高约 3~5 倍）等优点[2]，近年来越来越多地被容器制造厂采用，特别是一些中小型的制造厂将采用药芯焊丝提高焊接生产效率作为降低制造成本的一个重要竞争手段。但是从一些容器制造厂药芯焊丝的使用情况来看，由于药芯焊丝存在外表容易锈蚀，粉剂易吸潮等缺点，一旦受潮和锈蚀，将导致焊缝金属中的氢、氧及低熔点污染元素的含量较高，产生焊接缺陷（裂纹、气孔、夹渣等）的概率较高。本失效吸附器在开裂部位附近同一条环焊缝上约 800 mm 范围内即检出 5 条 15~30 mm 长埋藏裂纹（原始焊接热裂纹），足以说明制造厂选用的焊接工艺不当，同时在制造质量控制上存在明显缺陷。

2.2 原始制造缺陷开裂的影响

金属结构在疲劳载荷下的寿命包括无缺陷时疲劳萌生寿命和裂纹萌生后的疲劳扩展寿命，一般萌生寿命占总寿命的90%，疲劳裂纹扩展寿命很短。从上述失效案例分析结果可知，焊缝中存在原始制造缺陷（热裂纹）是导致该吸附器运行3.5年就发生筒体开裂的主要原因。吸附器设计的疲劳寿命是基于材料无缺陷状态下的S-N曲线，在无缺陷的情况下疲劳裂纹的萌生寿命很长，但一旦有原始裂纹存在，裂纹不需要萌生，在疲劳载荷作用下就会发生亚临界扩展。当原始裂纹尺寸发展到某一临界条件时，裂纹就会发生失稳。由于越过了疲劳裂纹的萌生阶段，因此显著地缩短了设备的疲劳寿命。本案例中发生泄漏的裂纹断面的启裂部位存在明显的原始焊接裂纹，证明了原始焊接缺陷成为了疲劳裂纹源。

3 几点建议

1. 根据笔者所在机构对最近发生的几起吸附器开裂的失效分析结果来看，制造质量不佳（包括焊接材料选用不当、缺陷漏检等）是导致开裂发生的主要原因，因此，加强制造质量控制是预防吸附器过早失效的最有效的措施；

2. 在制定吸附器定期检验方案前应认真审查设备原始制造资料，对2000年以后制造能力较弱的制造厂制造以及采用药芯焊丝自动焊或气保焊的设备，除应重点检验应力集中部位外，对接焊缝也应进行UT或RT检查，并提高检测精度（如采用TOFD方法等）；

3. 对不是采用药芯焊丝焊接的吸附器，则重点检验应力集中部位，并适当抽检筒体对接焊缝。

三、总结

好几年以前在讨论疲劳容器要不要热处理的问题时大家就聊到吸附器对接接头开裂的事情，当时并没有看过篇文章报道，几乎都倾向于把焊后热处理直接加上。等几年之后GB/T4732出来，也没有要求疲劳设备一律焊后热处理，而是禁止采用药芯焊丝焊接疲劳容器。另外，GB/T4732明确要求制造厂具备A级或者C级制造许可，直接把制造能力弱小的制造厂排除掉。

消息来源：“压力容器设计技术”公众号

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