对Q370R球罐焊接冷裂纹的分析及预防.doc

对Q370R球罐焊接裂纹的分析及预防中国化学工程第三建设有限公司鄂钢工程项目经理部 齐 艺摘要：我单位承建的昆钢新区氧、氮气球罐工程共六台，其材质均为Q370R（又称15MnNbR）正火板，该种板是适用于中常温压力容器受压元件的低合金结构钢钢板，专用于制造石油、化工、气体分离、气体贮运的容器或其他类似设备，如各种塔器、换热器、贮罐、罐车等。通过对该材质焊接冷裂纹的产生机理进行分析，提出了该种球罐焊接过程中防止冷裂纹产生的措施，该措施在施工过程中有效的防止了冷裂纹的产生，提高了焊缝射线探伤的合格率，保证了球罐的焊接质量。关键词：Q370R 球罐焊接 冷裂纹 1. 引言 Q370R钢板主要用于制造承压的中低压容器，具有强韧性匹配好、板厚效应低、焊接性能好等优点。但该材质与传统的Q345R相比在焊接过程中有易产生冷裂纹的倾向，因此对该材质球罐在焊接过程中冷裂纹形成机理的分析及如何在施工中采取有效的预防措施是保证球罐焊接质量的关键。2. 工程概况 昆钢新区氧、氮气球罐工程共六台球罐，结构形式均为三带混合式，具体参数如下：序号球罐容积（m3）台数介质设计压力（mPa）壁厚（mm）单台射线片数（张）16502O22.854682024002N22.853670432002N22.85284243. 冷裂纹形成的原因 焊接冷裂纹在焊后较低的温度下形成。一般在马氏体开始转变温度下，由于这种裂纹形成与氢有关，且有延迟开裂的特点，因此又称之为焊接氢致裂纹或延迟裂纹。产生焊接冷裂纹的三个必要条件：（1）氢，氢的主要来源是焊材中的水分和焊接区域中的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等。这些水、铁锈或有机物经焊接电弧的高温热作用分解成氢原子而进入焊接熔池中。在焊接过程中氢除向大气中扩散外，余下的在焊缝中呈过饱和状态，即在焊缝中存在着扩散氢。根据氢脆理论，这种扩散氢将向应变集中区（如微裂纹或缺口尖端附近）扩散，当该区的氢浓度达到某一临界值时，裂纹便继续扩展。（2）应力，依据目前国内及国际的施工水平，在球罐的组装过程中总会存在或多或少的强力组对，所以在组装完成后便存在着内应力，这种应力在焊后整体热处理完成后也不可能完全消除。再加上球罐焊接是一个局部加热过程，在焊接过程中产生应力与应变的循环，因此球罐焊接后必然存在残余应力。（3）组织，焊接热影响区组织中过硬的马氏体含量越多越容易产生冷裂纹。焊缝的表面、断面与根部裂纹率均随着冷却速度增大及马氏体数量增多而增大。4. 焊接冷裂纹的分布状态 冷裂纹在焊接接头中产生与分布的位置大概有四种典型状态：（1）焊道下裂纹：位于距熔合线0.1-0.2mm的近焊缝中，裂纹的走向与熔合线平行，一般不显露在焊缝表面。（2）缺口裂纹：源于应力集中的大缺口部位，主要是焊趾和焊根。（3）横裂纹：该裂纹起源于熔合线而向焊缝及热影响去扩展，其裂纹垂直于焊缝，这类裂纹常在球罐横缝中出现。(4)凝固过渡层裂纹：该类裂纹在焊缝的未熔合区或在凝固过渡层中产生。5. 影响冷裂纹的因素（1） 焊接环境 空气中的湿度对焊缝中扩散氢有很大影响。（2）预热：预热温度越高，焊缝中的氢含量越低，预热也可以使焊缝的冷却速度降低，减少过多马氏体的产生。（3）焊接线能量：焊接线能量过大时，热影响区易产生马氏体组织，产生冷裂纹的倾向增大。（4）焊接材料：焊接材料中氢含量越高或烘烤温度不高都将造成焊缝中氢含量的增高，产生冷裂纹的倾向增大。6. 防止产生冷裂纹的措施（1）尽量减少氢的来源。第一，球罐的焊接选用低氢型焊条，必要时要采用超低氢型的焊条；第二，焊条使用前一定要按产品使用说明进行烘干，并贮存在100150的恒温箱中，在使用时放入保温筒内并随用随取，在保温筒内存放时间不得超过4h，否则要按原烘干温度重新烘干，重复烘干不得超过两次；第三，要彻底去除焊接坡口表面及坡口两侧20mm范围内的油污、水分，、铁锈及其他杂物；第四，不在雨雪天及空气相对湿度大于90%时施焊。（2）选用适当的焊前预热温度和预热范围。适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，减少了焊缝中扩散氢含量，并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度，尽量减少马氏体的含量，减小温差应力。预热温度应通过工艺评定来确定，预热范围一般为坡口两侧三倍球壳板厚度且不小于100mm。当环境温度低时还应增大预热温度和预热范围。对纵缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热。（3）选用适当的后热温度和后热时间。随着焊接层数的增多，焊缝中扩散氢会逐渐积累。因此焊后应立即进行后热，使扩散氢有充分的时间溢出，同时还可以降低焊缝中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。（4）焊接过程中保持适当的层间温度，适当的层间温度也能延缓焊缝的冷却时间，起到一定的去氢和降低残余应力的作用，层间温度不得低于预热温度下限值。（5）采用合适的线能量。若焊接线能量过小，焊缝热影响区容易出现淬硬组织，再加上扩散氢的作用，焊缝容易产生冷裂纹；若线能量过大又会使焊缝热影响区的软化区宽度增加，使焊缝缺口的韧性降低，球罐整体的机械性能下降。（6）防止强力组对。在球罐组对过程中选用合适的工艺和组装机具，尽量避免强力组对。强力组对将使球罐在焊接前就存在强大的附加内应力，这种内应力在焊后也不可能完全消除。（7）减小错边和角变形。在错边和角变形存在的部位，曲率发生了突变，所以焊后将会存在强大的残余内应力。（8）采用合理的焊接顺序。当采用合理的顺序焊接时，整台球罐将同时对称地收缩或膨胀，这样能控制焊接变形，减小焊接残余应力。球罐焊接应遵循先纵缝后环缝，先大坡口后小坡口，先赤道后温带最后极带的原则，而且焊工应对称、均匀施焊。球罐焊缝的打底焊要采用分段退焊法，分段长度为600700mm。（9）避免工艺缺陷的产生。咬边、未焊透、长条状夹渣等工艺缺陷部位是应力集中区，这些部位容易产生冷裂纹。 （10）工卡具、点固焊的焊接工艺与球罐的焊接工艺相同，进行预热、后热避免冷却速度过快，产生冷裂纹倾向增大。 （11）工卡具拆除时应采用碳弧气刨、火焰切割、角磨机打磨。严禁使用大锤敲击。 （12）球罐的返修工艺采用与球罐焊接相同的工艺，焊前预热、焊后后热。 （13）严格执行热处理工艺，严格控制热处理的升温、降温