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低合金鋼特厚板對接焊接接頭裂紋及其預(yù)防措施

文檔作者：李揚帆，鄭磊文檔來源：中國石油蘭州石油化工公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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第44卷第2期
2015年3月
石油化工設(shè)備
PETR()_CHEMICAL EQUIPM ENT
VoI．44 NO．2
Mar．2015
文章編號：1000～7466(2015)02—0073—03
低合金鋼特厚板對接焊接接頭裂紋
及其預(yù)防措施
李揚帆，鄭磊
(中國石油蘭州石油化工公司建設(shè)分公司，甘肅蘭州 730060)
摘要：針對某低合金特厚板壓力容器焊接過程中對接焊接接頭產(chǎn)生裂紋的情況，通過對焊接過程
中產(chǎn)生平行于焊接接頭方向的應(yīng)力引起的層狀撕裂、拘束應(yīng)力和軸向應(yīng)力疊加引起脆性斷裂過程
進(jìn)行分析，提出了特厚板焊縫中的兩個薄弱區(qū)，指出了特厚板壓力容器制造過程中的注意事項。
關(guān)鍵詞：壓力容器；低合金特厚板；焊接裂紋
中圖分類號：TQo5o．41；TG 406 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B doi：10．3969／j．issn．1000—7466．2015．02．016
Analysis and Prevention of Crack Causes of Low Alloy Steel
Butt W elding Characteristics
LI Yang-fan，ZHENG Lei
(The Construction of Lanzhou Petrochemical Branch Company，CNPC，Lanzhou 730060，China)
Abstract：Pressure vessel plate low alloy welding cracks generated in the process through nu—
merous lamellar tearing and binding to add stress analysis process of stress ahd axial stress super一
{
imposition of brittle fracture，thick welds two weak area are proposed，and some matters need to
pay attention are pointed out to the pressure vessel manufacturing process thick plate．
Key words：pressure vessel；special low alloy plate；welding cracks
某循環(huán)壓縮機(jī)分液罐直徑為2 800 mm，高度為
11 519 mm，簡體采用三節(jié)鍛件相焊，材質(zhì)為
Q345R，厚度185 mm。焊接方法為埋弧焊。焊接
過程中兩個筒節(jié)之間的環(huán)向焊縫產(chǎn)生沿趾部下向裂
紋，經(jīng)超聲波衍射時差(TOFD)法探傷后發(fā)現(xiàn)在一
個筒節(jié)和封頭之間的焊縫中存在層狀撕裂 ，由于
兩道環(huán)縫中存在較多的裂紋，造成返修工作量很大，
其中兩個筒節(jié)之間的環(huán)向焊縫整體清除后重新焊接。
為解決這一焊接問題，筆者對該環(huán)向焊接接頭裂紋產(chǎn)
生的原因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。
(GB／T 4842- 2006，Argon[s_，)
[1O]JB／T 4730．5～2O05，承壓設(shè)備無損檢測第5部分：滲
透檢測[S]．
(JB／T 4730．5— 2OO5，Nondestructive Testing of Pres—
sure Equipments Section Part．5：The Liquid Penetrant
Examination rS]．)
[113 JB／T 4730．2～2oo5，承壓設(shè)備無損檢測第2部分：射
線檢測[s]．
(JB／T 4730．2— 2OO5，Nondestructive Testing of Pres～
sure Equipments Section Part．2：The Radiographic
Examination[S]．)
[12]JB／T 4745-2002，鈦制焊接容器[S]．
(JB／T 4745- 2002，Titanium we1ded Vessels[-S]．)
[13]NB／T 47014～2O1l，承壓設(shè)備焊接工藝評定Is]．
(NB／T 470l4— 2O11，W elding Procedure Qualification
for Pressure Equipment[S]．)
[14] GB／T 6611—20O8，鈦及鈦合金術(shù)語和金相圖譜[s]．
(GB／T 66 1 1— 2OO8。Terminology and Metallographs
for Titanium and Titanium AlloysES~．)
(杜編)
收稿日期：2014—1卜13
作者簡介：李揚帆(1984一)，男，青海西寧人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)從事壓力容器設(shè)備質(zhì)量檢驗工作。
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石油化工設(shè)備 20l5年第44卷
1 原因分析 然后向熱影響區(qū)延伸，最后再回歸到近縫區(qū)(圖2)。
低合金鋼焊接過程中產(chǎn)生的裂紋多數(shù)為冷裂
紋。一般情況下，在較高溫度下或先前產(chǎn)生的裂紋，
由于應(yīng)力集中，在一定條件作用下都會成為形成裂
紋的根源，裂紋產(chǎn)生的方向與位置及其機(jī)理和原因
各不相同，因此，只有對裂紋進(jìn)行完整全面的分析后
才能定性。
1．1 應(yīng)力引起的層狀撕裂
對于環(huán)向焊縫而言，起裂點通常位于焊趾根部、
近縫區(qū)邊緣，軋制夾層也能成為起裂源。起裂后，在
溫差應(yīng)力、周向交變應(yīng)力以及拘束角彎矩的聯(lián)合作
用下，裂紋會向熱影響區(qū)和母材擴(kuò)展，軋制厚板中會
形成帶條狀組織，晶粒沿軋制方向被拉長，夾雜物會
沿軋制方向形成帶狀分布，這些帶狀分布組織的存
在，會引起板材的各向異性。由于存在各向異性，隨
著板厚增加，焊接接頭中橫向、縱向韌性下降速度較
慢，而平行于焊接接頭方向的韌性和塑性下降速度
很快，發(fā)生脆斷的概率增加[2]。
在厚板焊接過程中存在較大的剛性約束條件，
所以焊縫收縮過程中會在板厚方向形成很大的拉應(yīng)
力和應(yīng)變，使帶狀分布區(qū)域變成一個薄弱區(qū)。當(dāng)焊
接產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用于這些薄弱區(qū)域時，夾雜物和
基體金屬分離形成裂紋，在應(yīng)力的持續(xù)作用 ，裂紋
尖端會沿著夾雜物所在的平面繼續(xù)擴(kuò)展，形成裂紋
平臺。平臺變長，開裂加大，裂紋尖端處會形成方向
相反的切應(yīng)力集中。這樣相鄰的兩個平臺會產(chǎn)生剪
切力，造成剪切斷裂，形成使平臺間相連的階梯狀斷
裂，相連區(qū)域構(gòu)成了層狀撕裂特有的階梯狀結(jié)構(gòu)(圖
1)。雖然引起層狀撕裂的原因比較復(fù)雜，但主要原
因是夾雜區(qū)域鋼材各向異性增加所致I3j。從微觀結(jié)
構(gòu)來看，鋼材中磷、硫等元素存在嚴(yán)重偏析。有實驗
表明，平行于焊接接頭方向斷面收縮率下降主要是
由于鋼材中硫化物、磷化物和其他氧化物含量增加
所致。
圖1 層狀撕裂示圖
1．2 脆性斷裂
脆性斷裂裂紋一般起于熱影響區(qū)和焊縫根部連
接處，在應(yīng)力作用下會沿著近縫區(qū)向焊縫頂部擴(kuò)展，
圖2 近縫區(qū)斷裂不圖
在較大剛性構(gòu)件中，通常其塑性流動補(bǔ)償能力
下降，在受力均勻條件下，脆斷往往在材料局部屈服
之前發(fā)生。對于本例，設(shè)備筒體較厚，剛性較大，內(nèi)
拘束應(yīng)力相應(yīng)增加，材料內(nèi)應(yīng)力分布情況復(fù)雜，故應(yīng)
選用彈一塑性力學(xué)模型進(jìn)行分析。拘束應(yīng)力 按
1992年天津大學(xué)平板剛性拘束裂紋試驗(PRRc)中
所得出拘束度與拘束應(yīng)力 關(guān)系的經(jīng)驗公式(彈～
塑性范圍)計算 ]：
1 ， 、
一再麗1 ( 。3-10警)R
其中 R—Eh／l
式中，E為材料彈性模量，N／m ； 。為應(yīng)力應(yīng)變系
數(shù)，N／m； 為材料彈性極限，MPa；h為焊縫厚度，
Z為焊縫長度，ITlm；R為拘束度，N／ram rad。
將本例數(shù)據(jù)代入上式計算可得本設(shè)備中拘束應(yīng)
力峰值為159．3 MPa。
在設(shè)備服役期，存在軸向應(yīng)力 ：=pD／(48)(P
為設(shè)計壓力，MPa；D 為簡體直徑， 為簡體厚度，
ram)。帶人數(shù)據(jù)計算可得 一70．4 MPa。
O'z與 疊加形成一對交變拉伸應(yīng)力。按上述
計算得到的本例 、 值，取極限情況，令 — +
，計算得設(shè)備應(yīng)力峰值 可達(dá)229．7 MPa。這一
數(shù)值略高于材料設(shè)計溫度下的屈服極限。這一應(yīng)力
是小量塑性形變可補(bǔ)償應(yīng)力，屬二次應(yīng)力的范疇。
考慮設(shè)備運行中反復(fù)加載到這一數(shù)值的概率很小
(溫度升高可以使 下降)，而脆性斷裂或裂紋延展
所需的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的彈性極限，因此， 引起
的實際破壞形式應(yīng)該是脆性斷裂或裂紋延展而不是
疲勞斷裂。
厚板埋弧焊焊接過程中熱輸入量較大，近縫部
位中會衍生出較復(fù)雜的金相組織，主要包括淬硬馬
氏體、粗晶組織和魏氏體，形成焊縫中另一個薄弱
區(qū)。在拘束應(yīng)力和軸向應(yīng)力的聯(lián)合作用下，該區(qū)域
發(fā)生脆斷和裂紋延展的概率增加。
綜上所述，拘束應(yīng)力與軸向應(yīng)力疊加是發(fā)生裂
紋延展乃至脆斷的主要成因。
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第2期 李揚帆，等：低合金鋼特厚板對接焊接接頭裂紋及其預(yù)防措施
2 控制措施
2．1 原材料質(zhì)量控制
鋼板質(zhì)量不僅是防止層狀撕裂、脆斷，也是保證
設(shè)備制造質(zhì)量的關(guān)鍵。在特厚板設(shè)備的制造過程
中，要嚴(yán)格控制板材純凈度，盡量使用硫、磷和雜質(zhì)
含量較低的純凈鋼或抗層狀撕裂能力(平行于焊縫
界面)性能較好鋼材。
2．2 焊接過程控制
采用埋弧焊時，特厚板焊接坡口應(yīng)盡量選擇帶
鈍邊小角度大U型坡口，鈍邊尺寸盡量長并采用各
處圓滑過渡。這樣有利于各項應(yīng)力均勻分布，避免
應(yīng)力集中，減小焊縫結(jié)構(gòu)拘束度。
應(yīng)采用合理的預(yù)熱和后熱規(guī)范，以有利于焊縫
金屬中擴(kuò)散氫逸出，避免氫致裂紋，減少焊縫及熱影
響區(qū)淬硬程度，提高抗裂性。還可以降低焊接結(jié)構(gòu)
拘束度，降低裂紋發(fā)生率 ]。
采用適中的焊接電壓、焊接電流及其它合適
的焊接工藝規(guī)范，利用多層多道焊，保持焊接過程
中的中等熱輸入量，控制焊接線能量(線能量與拘
束應(yīng)力值成正比)，合理安排每道焊接厚度、焊接
方向、焊道內(nèi)層次間布局，焊道盡量窄且不宜過
厚，焊劑覆蓋厚度應(yīng)保持在30～40 mm 為宜。除
必須保證焊腳符合規(guī)定外，還須保證焊縫邊緣飽
滿中間稍凹，根焊縫起弧電壓盡量低。焊接過程
中應(yīng)及時清理焊劑中的夾雜物、焊渣顆粒及其它
雜物，避免對焊縫質(zhì)量產(chǎn)生影響。
外力敲擊可以降低拘束內(nèi)應(yīng)力峰值，要求焊
接人員每焊完一道必須用風(fēng)鏟錘擊焊道?6]。
3 焊縫返修及效果
在本例設(shè)備兩個筒節(jié)之間環(huán)向焊接接頭整體返
修過程中，焊接坡口采用大鈍邊單U形坡口(圖3)，
焊材牌號為H08MnHIC，焊材規(guī)格為 4．0 mm，
焊接電流5O0～600 A，焊接電壓28～36 V，焊接速
度40~50 cm／min，設(shè)計焊道146個。
圖3 環(huán)焊縫返修單邊u型坡口示圖
采用火焰噴射加熱法對焊接區(qū)域預(yù)熱，預(yù)熱溫
度1OO～15O℃ ，按規(guī)范焊縫每側(cè)加熱范圍應(yīng)大于3
倍板材厚度，實際加熱取焊縫兩側(cè)各600 mm，預(yù)熱
后進(jìn)行多點測溫，以保證加熱均勻性?？刂坪附訉?
間溫度1O0～150 oC，焊后消氫溫度300~350℃ ，時
間2～3 hE 。
通過嚴(yán)格控制焊接過程，對本例中兩個筒節(jié)問
環(huán)焊縫施焊，之后未發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題。目前該設(shè)備現(xiàn)
已經(jīng)投用2 a，運行情況良好。
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(NB／T 47O15～ 2O11， Specification for W elding of
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(杜編)

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