压力容器再热裂纹产生原因及预防措施VIP

一 5 2 一 技术交流 石油 和化工设备 2 0 1 4 年 第1 7 卷 压力容器再热裂纹产生原因及预防措施 尤靖辉 ，陈国浩。 ，钱金康 ( 1 南京三方化工设备监理有 限公司 ，江苏 南京 2 1 0 0 3 6 ) ( 2 张家港化工机械股份有 限公司 ，江苏 张 家港 21 5 6 0 0 ) ( 3 江苏 省特 种设备 安全监督检验研 究院泰州分院 ， 江苏 泰州 2 2 5 3 0 0 ) 摘要文章从影响因素、形成机理和预防再热裂纹措施三方面介绍了对压力容器用低合金钢焊接接头再热裂纹问题的研 究。 关键 词压力客 器；低合金 高强钢；再热烈纹 ；预 防措 施 近 年 来 压 力容 器 中使 用 低 合 金 高 强钢 越来 越 普遍 ，这与 其 高温 高压 工 况有 关 ，主要 是 为 了节 省成本 。但 容器 厂在 制 造过 程 中经 常 发现 焊缝 在热处理后 出现裂纹，特别是2 2 5 C r l Mo ， 1 3 Mo Ni Mo R等 材料 ，这 引起 了制造厂 的特别 关 注 。事实上 ，再热裂纹 是低 合金高强钢焊接性要 解决 的主要 问题之 一，特 别是某些含有较多碳化 物形成元素 ( ll Cr 、Mo 、V)，并可产生沉淀碳 化物的低合金高 强钢和热 强钢 厚板焊缝 中，往往 会 在焊后消除应力热处理过程 中产生再热裂纹 ， 处理这 些缺 陷费工 费时 ，对生产造成很 大影响 。 现就 再热裂 纹的形成机理及制造过程 中的预防进 行简析 。 l 再热 裂纹 的机理 再 热 裂 纹 的形 成 ，是 晶 内 由于 强化 强 度很 大而 晶界强度较 弱，在 焊后热处理时 ，应力松 弛 时的形变集 中加在 了晶界上 ，一旦晶界应变超 出 了晶界的塑性极 限，就会 导致沿晶界开裂产生裂 纹 。 1 1再热裂纹形成的内因 焊 接 时 ，熔 合 线 附近 的 热 影 响 区被 加 热 到 1 3 0 0 左右 ，尤其是厚板 多次被加 热后 ，晶粒粗 大 ，而在冷却 时强碳化物 析出较慢 ，同样在埋 弧 焊时 ，由于线 能量较 大，焊 缝 中间 的晶粒也较粗 大，在随后 的S R处理 ( 5 8 0 6 7 0 )过程中，碳化 物 ( V C， 、Nb C、Mo C等 )在 晶内弥散沉淀 ，从 而强化 了晶内 ( 晶 内热强性好 )使 热处理 时 ， 应力松弛时 的应 变集 中加载在 晶界上 ；晶粒 粗大 使承载应变 的晶界数锐减 ，同样应变单位 晶界应 变量大大增加 ；另外 ，在焊后S R 处理时 ，低熔点 杂质及B、S b 、S n 、As 等微量元素 偏析于晶界 ， 减弱 了晶界 的塑性 ，应变超过 晶界 的塑性极限就 形成 开裂 。 1 2再热 裂纹 形 成 的外 因 再 热裂 纹的形成 ，除 了内因 ，还存在 外因 。 外 因可 从焊 接 残余 应 力和膨 胀 应 力两 部分 来 考 虑。 焊 后消应力热处理时 ，焊接残余应 力通 过松 弛蠕变变形得 以降低 ，当材料 的变形难 以满足这 种变形要求时 ，就会产生裂纹 。在焊接 区，低熔 点化合物 、偏析及粗 晶脆化 区存在 ，由于 晶界强 度 、韧性不足 ，不能抵抗蠕变膨胀变形而产生裂 纹失效。 蠕变变形实际上是一个受热膨胀 的过程 ，在 这个过程 中产 生膨胀 拉应 力，来抵 消一部分焊接 过程 中产生 的压应力 ，当冷却 收缩 时产 生收缩力 来抵消部分焊接过程 中产生 的拉应 力，从而使应 力峰值 降低 。因此 ，在焊接 区内微缺 陷气孔、夹 渣等应力集 中区，当膨胀力与该 区应 力叠加 后产 生高峰值 的拉应力 ，峰值大于材料 的强度值 时， 就打破 了原 以维持不失效 的平衡而产生裂 纹。这 些应 力集 中的区域应力分布状态很复杂 ，受厚度 位置 的不 同而不 同，受周 围是否有接管等拘束 的 不同而不同。比如 ，该种缺陷处于V型坡 口焊接时 的下部 ，这些缺陷受 的是拉应力 ，存在处于上方 作者简介：尤靖辉 ( 1 9 8 4 一)，男，南京工业大学材料学专业毕 业 ，硕士研究生 ，工程师。在南京三方化工设备监理有限公司从事 设备监理工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 1 期 尤靖辉等 压力容器再热裂纹产生原因及预防措施 一 5 3一 时 ，受 的是压应 力。这也是很多再热裂纹多存在 焊接 区的根部 的原因。介 于复合堆焊过渡层 ， 由 于是异种钢 的焊接 ，组织成分复杂 ，又处于拉应 力的区域，故产生再热裂纹的倾向是很大的。 2 预防再热裂纹的措施 预防再热裂纹 的措 施可从 以下几方 面着 手解 决 。 2 1选择抗再热裂纹的材料 这 一条业 主在设计时有一 定的选择权 。大部 分制造厂生产性质属 于来料加 工 ，没有这方面 的 选择权 ，因此 只能在辅助材料 采购 、主要是焊接 材料方面进行重点考虑 。 ( 1 ) 原材料采购 在原材料采购上，钢 中的C r 、Mo 、V、Nb 、 T i 、B等强碳化 物形成 元素对 再热裂纹 的形成有 很大影 响，需严 格控制 。还要控制可形成硫磷共 晶物 的S 、P 含 量。在采购焊接材 料时有 同样 的要 求 。这是控制再 热裂纹产生 内因的较为有效 的措 施 之一 。 ( 2 ) 选择焊材 应 选择热裂纹敏感性低 的焊接材料 ( 严格控 制S 、P、V、Nb 等 元素含量 )，焊缝金属 强度应 取 下 限 。 2 2制定科学合理 的焊接规范 ( 1 ) 尽 可能降低焊接线 能量 ，控制预热层 间温 度 。这两者决定 了焊缝金属 的冷 却条件 ，对焊缝 区显微组织具有很大影 响，通 常，采用小线能量 多道多层并适 当提高焊缝 区的冷 却速度 ，对 改善 显微 组织 ，提高冲击韧性 ，防止 热裂 纹产 生是有 利 的。但 过低的层 间温度 ，将不利 于氢 的逸 出， 存 在产生冷裂纹的风险 ，因此控 制冷却速度 ，获 取细 化的晶粒应着重考虑从控制 线能量的大小上 着手 。 ( 2 ) 采取适 当的预热措施 采取适 当的预热措施 ，可 以软化淬硬层 的硬 度 ，提高韧性，提高抗裂性 。 2 3控制焊接过程减少微小缺陷量 要认真执行 焊接规范 ，减少微 小缺 陷，减 少 融敷金属量 ，采用 窄间隙焊 ，是控制再热裂纹的 有 效措施 。这些微小缺 陷及不超标 的缺陷，是其 应 力集 中点 ，在热处理释放应力过 程 中，会 由于 应 力叠加的原因 ，造成再热裂纹 。控制这些缺陷 是十分必要的。 2 4控制焊接残余应力 焊 接 残余 应 力 在 热处 理 蠕变 膨 胀 力 的作 用 下，特别是在应力叠加为拉应 力的情况下 ，焊缝 中的应力集 中点 ，碳化物产生 的沉 淀 硬化区后晶 界的薄弱环节 ，抵抗不 了应变 而造 成开裂 。因此 在 热处理前 ，采取减小残余应 力的手 段也能减少 再热裂纹的产生 。可采用 ：半道 中间热处理及高 频超 声波冲击法 。这两种手段都 能有 效减小焊接 残余应力 。 2 5焊后热处理 在焊后热处理过 程 中，控制升温及 降温的速 度 ，让工件缓慢均匀地进行膨胀 、收缩 ，可减少 再热裂纹的产生 。 若焊缝金 属化学成分合理 ，焊接 规程参数合 理 ，严格控制焊接过程 ，控 制焊接残 余应力 的措 施得力 ，焊后热处理进行得规 范合 理，就能得到 一 个性能优异的焊缝 。 3结论 由于再热裂纹不在焊接 过程 中产生 ，而是在 热 处理或运 行中产生的 ，因此再热裂纹 具有一 定 的隐蔽性 ，出现事故具有不可预见性 ，造成 的损 失会更大 。因此 必须在 压力容器 的设计 、制造 、 检验等各环节 预先考虑 防止再热裂纹产生 的技术 措 施 。 参考文献 1 郑成资 ，胡 具瞻 ，吴瑞祥 编译 中 日焊接 技术交流 资料 M 北京：中国石油化工总公司供应制造公司，1 9 8 7 ，1 0 3 1 0 8 2 刘廷贵主编 锅炉压力容器压力管道焊工考证基础知识 M E 京：中国计量出版社 ，2 0 0 2 3 】 王志文 化工容器设计 M E 京 ：化学工业 出版社 ，1 9 9 8 4 1 G B1 5 0 1 - 1 5 O 4 2 0 1 1 ，压力容器 S 5 王珏 珠光体耐热钢焊接再热裂纹的防治 J 石油工程建 设，1 9 9 9 ，( 6 ) ：l 1 1 4 6 栗卓新 ，