淺析壓力容器及焊接裂紋

1、淺析壓力容器的焊接裂紋七冶壓力容器廠趙萍摘要：壓力容器在施焊過程中經(jīng)常出現(xiàn)裂紋,特別是中厚制作的壓力容器,在低溫環(huán)境下焊接裂紋發(fā)生的頻率很高,針對此現(xiàn)象進(jìn)行分析提出控制措施。關(guān)鍵詞：壓煮器、冷裂紋、熱裂紋、控制措施前言：在現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)和人們?nèi)粘Ｉ钪?，各種壓力容器的應(yīng)用范圍極其廣泛，因此它的質(zhì)量控制是壓力容器制造企業(yè)最為重要的環(huán)節(jié)，然而在壓力容器制造過程中由于種種原因，壓力容器在制造過程中會出現(xiàn)許多無法預(yù)見的缺陷，這其中以在焊接過程中產(chǎn)生的焊接裂紋，其隱避性和危害性最為嚴(yán)重，我廠是壓力容器制造單位具備A1、級壓力容器的制造資質(zhì)，近幾年我廠承接了大量的壓力容器的制造任務(wù)，其中以壓煮器的制作最具

2、代表性，該產(chǎn)品是氧化鋁生產(chǎn)的核心設(shè)備，其工作壓力為5.2MPa、溫度為265，介質(zhì)是高濃度的礦漿，是高溫高壓高腐蝕性壓力容器，在總結(jié)前幾期壓煮器的制造過程中，發(fā)現(xiàn)在壓煮器的焊接過程中，不同焊位的焊縫都相繼出現(xiàn)過不同形式的裂紋，通過對裂紋進(jìn)行分析比較，從中找出裂紋產(chǎn)生的規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)，提出應(yīng)對措施，為今后類似產(chǎn)品的生產(chǎn)提供參考。一、 原因分析在壓煮器的制作中，由于業(yè)主和設(shè)計(jì)單位的不同，加之設(shè)備制造成本的考慮，不同的業(yè)主分別采用了進(jìn)口的48CPR和國產(chǎn)的16MnR兩種不同的材料，材料的厚度直徑相同，厚度為63mm,直徑為2800mm，封頭厚度為68mm，接管材料為16Mn三級鍛件，選用焊材：進(jìn)口

3、材料焊條為NF510A、焊絲為AS36、焊劑為AS80、國產(chǎn)材料焊條為CHE507R、焊絲為CHW-S3、焊劑為J431。在壓力容器的制作中，焊縫產(chǎn)生裂紋一般有兩鐘形式，既冷裂紋和熱裂紋，兩種裂紋產(chǎn)生的原因各有不同。、 冷裂紋焊接冷裂紋通常是在近縫區(qū)或焊縫上產(chǎn)生的，它與金屬相變過程中力學(xué)性能急劇變化和復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，冷裂紋主要發(fā)生在那些易于淬化的金屬材料中，特別是在焊接條件下近縫區(qū)的加熱溫度高，使奧氏體組織晶粒顯著增大，而晶粒粗大的奧氏體極易淬火，也容易轉(zhuǎn)變?yōu)榇执蟮鸟R氏體組織，使近縫區(qū)金屬性變壞，使塑性下降性増加產(chǎn)生冷裂紋，另一方面是在焊接時(shí)的高溫作用下，一些含氫的化合物分辨析出原子狀態(tài)的

4、氫隨著熔池溫度的不斷下降大量的氫溶于金屬中，而氫在金屬中的溶解度隨著溫度的下降而下降，這樣近縫區(qū)便匯集了大量的氫，此時(shí)氫就以氣態(tài)進(jìn)入金屬的細(xì)微孔隙中，使局部金屬產(chǎn)生很大的應(yīng)力，從而形成冷裂紋。根據(jù)以上冷裂紋形成的原因，結(jié)合施工中的狀況進(jìn)行分析，可以找出產(chǎn)生冷裂紋的原因：（） 由于采用火焰加熱且加熱點(diǎn)過少，焊前預(yù)熱溫度不均勻溫度不夠，層間溫度沒有控制好，使溫度下降過快，達(dá)不到施焊時(shí)對溫度的要求。（） 施工環(huán)境；由于施工環(huán)境的多樣化，焊接過程中很難確保對焊縫的有效保護(hù)，特別是在冬季施工時(shí)，從而導(dǎo)致焊縫冷卻速度過快，焊縫即近縫區(qū)的金屬產(chǎn)生淬硬組織，同時(shí)不利于焊縫中的氫逸出，使大量的氫滯留焊縫中，從而

5、產(chǎn)生冷裂紋。（） 焊后消氫措施不利；在施工過程中由于工期設(shè)備等因素的影響，焊縫的后熱處理只是簡單的保溫，無法達(dá)到消氫的作用。、 熱裂紋熱裂紋的形成主要是冶金因素和工藝因素造成的。冶金因素主要是硫、磷元素引起的雜質(zhì)偏析，從而導(dǎo)致熱裂紋的出現(xiàn)，但該材料已在多次工程中使用其焊接性能良好，且硫、磷元素復(fù)驗(yàn)數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)控制范圍內(nèi)，因此可排出材料的因素，主要考慮工藝因素。影響熱裂紋的工藝因素主要是熔合比、成形系數(shù)、冷卻速度和焊縫拘束度。（） 熔合比的影響：熔深較大既熔合比較高時(shí)會使焊縫中的化學(xué)成份不均勻，導(dǎo)致熱裂紋的出現(xiàn)，不過只在中、高碳鋼及異種鋼焊接時(shí)比較明顯，因此判斷熔合比的影響為次要因素。（） 成形系

6、數(shù)的影響：成形系數(shù)是指焊縫寬度與焊縫實(shí)際厚度的正值，即=B/H，其主要影響到焊縫枝晶的成長方向及其匯合面的偏析情況。當(dāng)值較低（<1時(shí)）焊縫有較大的熱裂紋傾向，當(dāng)值接進(jìn)于7時(shí)熱裂紋傾向小。 成形系數(shù)與焊接參數(shù)有關(guān)： 平焊位時(shí)，成形系數(shù)隨電流增大而減小，隨電壓增大而增大； 焊接速度増大，導(dǎo)致線能量減小時(shí)，焊縫截面減小，成形系數(shù)也隨之減小。 當(dāng)線能量或焊接電流一定時(shí)，增大焊接速度會增大焊縫熱裂傾向反之則能改善抗列性能。（） 冷卻速度的影響冷卻速度增大會導(dǎo)致變形速度增大，從而導(dǎo)致熱裂紋。在低溫環(huán)境下，這是熱裂紋出現(xiàn)的主要因素。（） 焊縫拘束度的影響：在封頭與筒體、封頭與接管及筒體與接管的焊縫，是

7、應(yīng)力高度集中的位置，且裝配間隙如不均勻，焊縫凝固時(shí)晶粒發(fā)生的應(yīng)變量大于焊縫晶間塑性變形能力，從而導(dǎo)致熱裂紋的出現(xiàn)。概括地講：在高拘束度下，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)仍采用原來的焊接工藝參數(shù)，這樣的參數(shù)在常溫條件下是滿足工藝要求的，當(dāng)溫度降的很低時(shí)（0附近），其線能量就過大、熔池溫度過高、焊接速度過快、冷卻速度加快，焊縫收縮變形加快，從而促使熱裂紋的產(chǎn)生。二、 控制措施 根據(jù)上述分析結(jié)果，壓煮器焊接裂紋的產(chǎn)生與設(shè)計(jì)和施焊工藝及施焊環(huán)境有著密切關(guān)連，因此控制焊接裂紋的產(chǎn)生，首先在設(shè)計(jì)和工藝制定時(shí)，就要從設(shè)備的選材及焊材料等方面進(jìn)行控制，制定合理的組裝和焊接參數(shù)及焊接順序，確保焊前預(yù)熱、焊后后熱等措施的執(zhí)行，

8、改善焊接溫度環(huán)境，控制焊接質(zhì)量。 1、工藝控制措施（1）控制裝配間隙提高裝配質(zhì)量，避免強(qiáng)制成形，使應(yīng)力均勻分布，避免應(yīng)力集中。（2）嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)熱工藝要求，預(yù)熱溫度大于等于150，盡量采用電加熱板進(jìn)行預(yù)熱，使加熱溫度更均勻。（3）適當(dāng)降低焊接電流控制焊接速度，降低線能量輸入，以提高焊縫的抗裂性，減少熱裂紋的出現(xiàn)。（4）焊后采取保溫緩冷措施，控制溫度在250-350，保持2-3小時(shí)，以達(dá)到消氫的目的。2、改善局部環(huán)境的溫度（1）筒體直、環(huán)縫的焊接：筒體直縫與環(huán)縫的焊接，都是采用埋弧自動焊進(jìn)行焊接的，因?yàn)橹笨p的應(yīng)力較易釋放，焊接過程中嚴(yán)格執(zhí)行工藝制度，其產(chǎn)生裂紋的機(jī)率較小。環(huán)縫焊接時(shí)由于筒體直徑大、

9、周長較長，焊接過程中溫度下降快，層間溫度不易控制，加之環(huán)境溫度及焊縫受力狀況的影響，容易產(chǎn)生裂紋，因此在環(huán)縫的焊接過程中采用電加熱的形式對焊縫進(jìn)行預(yù)熱，并在焊接過程中把加熱板置于焊縫下面（如圖1所示），以保證施焊時(shí)的層間溫度，焊接完成后對其進(jìn)行后熱處理，達(dá)到消氫目的控制裂紋的產(chǎn)生。（2）封頭與接管的焊接：根據(jù)封頭與接管的焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)看，其焊接應(yīng)力很難得到釋放，加之封頭在開孔時(shí)反復(fù)受熱，產(chǎn)生了大量的應(yīng)力且斷面不平整，與接管拼焊時(shí)拘束度較大，極易產(chǎn)生裂紋。因此在組裝接管時(shí)應(yīng)先將斷面打磨平整，嚴(yán)格控制開孔尺寸，使焊縫間隙小且均勻，減小拘束應(yīng)力，保證焊前預(yù)熱溫度，并在焊接外口時(shí)，在封頭內(nèi)部放置兩塊電加熱板（如圖2所示），以控制層間溫度。圖 2 在內(nèi)口焊接時(shí)，將封頭翻面，置于環(huán)形筒罩內(nèi)（如圖3所示），利用里面的加熱板控制焊接的溫度。在焊接完成后及時(shí)進(jìn)行兩小時(shí)的后熱，并用保溫棉對焊縫覆蓋保溫緩冷，以達(dá)到后熱消氫的作用。圖 3（） 筒體與接管的焊接 由于筒體與接管焊接時(shí)，壓煮器已組裝成整體，體積較大位置特殊（如圖4所示），溫