（材料加工工程专业论文）高水头电站压力钢管裂纹研究及有限元分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 低合金结构钢1 6 m n r 广泛应用于压力容器行业，其生产工艺已经非常成熟，同时 由于具有优良的焊接性，焊接工艺简单，十分容易得到令人满意的焊接结构。某高水 头水电站使用1 6 m n r 作为工程项目的压力管道材料，但在环焊缝焊接过程中出现大量 裂纹，裂纹长度达4 4 0 m m ，导致无法继续施工。为了保证工程项目的质量，必须查明 裂纹产生的原因，并提出合理的解决方案。 本文通过对该水电站压力钢管环焊缝产生裂纹的3 j f | 管节取样，进行了断口解剖和 微观组织分析，结合对该管节焊接接头与母材力学性能试验和微型剪切试验的研究， 查明了管节产生裂纹和裂纹扩展的原因。由于焊接工艺不当，产生了大量的焊接缺陷 和淬硬组织，母材的冲击韧性偏低，2 0 冲击值仅有1 0 7 1 5 j 。 针对上述问题并结合电站压力钢管已经安装并浇注在山洞岩层内的实际情况，提 出优化焊接工艺参数；返修超标焊接缺陷，如裂纹、咬边、气孔、夹渣等；对各炉号， 各批次钢板制成的压力钢管段抽样进行冲击试验，复验其冲击韧性值。对冲击韧性偏 低，不满足规范要求的“2 0 下1 6 m n r 冲击韧性值不小于3 4 j ”的管段内加套管并填充 环氧砂浆，以降低压力钢管的工作应力水平，从而保证电站的安全运行。利用有限元 分析从理论上证明了加套管的合理性，并对内套管的厚度和环氧砂浆填充厚度进行了 优化选择。 关键词：焊接缺陷；断口分析；力学性能试验；微型剪切试验；有限元计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t l o wa l l o ys t e e l16 m n rw a sw i d e l yu s e di np r e s s u r ev e s s e li n d u s t r y ，i t sp r o d u c t i o n p r o c e s si sw e l le s t a b l i s h e d ，a n db e c a u s eo fe x c e l l e n tw e l d a b i l i t ya n ds i m p l ew e l d i n gp r o c e s s ， i t sw e l d e ds t r u c t u r ei sv e r ye a s ys a t i s f a c t o r y ah i 曲- h e a dh y d r o p o w e rp r o je c t su s e d16 m n r a st h ep r e s s u r ep i p e sm a t e r i a l ，t h ew o r kc a nn o tb ec o n t i n u e db e c a u s eal a r g en u m b e ro f c r a c k si nc i r c u m f e r e n t i a lw e l d h a v eb e e np r o d u c e d ，t h ec r a c kl e n g t hu pt o4 4 0 m m t oe n s u r e t h eq u a l i t yo f t h ep r o j e c t ，w em u s ti d e n t i f yt h ec a u s e so fc r a c k s ，a n dar e a s o n a b l es o l u t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ef r a c t u r ea n dm i c r o s t r u c t u r ec o m b i n e dw i t hs t u d yo nt h e m e c h a n i c a le x a m i n a t i o na n dm i c r o - s h e a rt e s to ft h ew e l d e dj o i n t sa n db a s em e t a li n3 | | c r a c k p i p e ，t h i sp a p e rh a si d e n t i f i e dt h er e a s o n sf o rc r a c kg r o w t ha n dc r a c kp r o p a g a t i o ni n c i r c u m f e r e n t i a lw e l do fp e n s t o c k su s e do nh i g h h e a dp o w e rs t a t i o n al a r g en u m b e ro f w e l d i n gd e f e c t sa n dh a r d e n e dt i s s u eh a v ep r o d u c e db e c a u s ei m p r o p e rw e l d i n gp r o c e s s ，a n d t h eb a s em e t a l si m p a c tt o u g h n e s si st o ol o w ，w h i c hi t si m p a c tv a l u ei so n l y10 7 15 ja t 2 0 i nr e s p o n s et ot h e s ei s s u e sa n dc o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o nt h a tt h ep r e s s u r e p i p eh a sb e e ni n s t a l l e da n dc a s t e di nr o c k so fc a v e ，t h ep a p e rh a sp r o p o s e do p t i m i z i n g w e l d i n gp a r a m e t e r s ；r e p a i r i n ge x c e s s i v ew e l d i n gd e f e c t s ，s u c ha sc r a c k s ，u n d e r c u t ，p o r e s ， s l a g se r e ；r e t e s t i n gt h ei m p a c tt o u g h n e s sv a l u e so fs a m p l ew h i c hh a sr e m o v e df r o mp r e s s u r e p i p em a d eo fe a c hh e a tn u m b e ra n de a c hb a t c ho fs t e e lp l a t e t or e d u c et h es t r e s sl e v e lo f w o r kp r e s s u r ep i p es o a st oe n s u r et h es a f e t yo fp o w e rs t a t i o no p e r a t i o n ，t h el o wi m p a c t t o u g h n e s so fp i p ew h i c hd o e sn o tm e e tt h er e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t so f 16 m n r si m p a c t t o u g h n e s si sn o tl e s st h a n3 4 ja t2 04 c s h o u l da d d e dw i t h i nt h ec a s i n ga n df i l l e de p o x y m o r t a rb e t w e e ni n s i d ea n do u t s i d ep i p e i nt h e o r e t i c a l l y ，t h ep a p e rh a sp r o v e dt h a ti n c r e a s i n g t h ec a s i n gi sr e a s o n a b l e ，a n do p t i m i z e dt h et h i c k n e s so ft h ec a s i n ga n df i l l e dw i t he p o x y m o r t a rt h i c k n e s sb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s k e yw o r d s ：w e l d i n gd e f e c t s ；f r a c t u r ea n a l y s i s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；m i c r o s h e a rt e s t ； f i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 i i ! j i i 曼曼曼量曼鼍曼曼曼曼皇璺皇曼曼量曼曼曼曼量! 曼曼曼曼曼量皇 1 1 工程项目背景 第1 章绪论 我国由于水利资源发达，国家正在大力开发水电以满足人民日益增长的电力需求。 水电站压力管道是一种典型的压力容器，而在压力管道的生产和安装过程中，焊接时 必不可少的一个环节。如何保证焊接质量，对确保整个工程项目的质量起着关键性的 作用。因为对于水电站压力管道而言，如果焊接接头存在问题很可能导致整个管道的 脆性断裂，不仅造成巨大的资源浪费，还可能出现大量人员伤亡，导致严重的工程安 全事故。1 9 4 4 年1 0 月2 0 日，美国俄亥俄州煤气公司储存天然气的圆柱形储气罐爆炸， 死伤1 2 8 人，损失6 8 0 多万美元；位于西伯利亚南部的俄罗斯最大的水电站萨扬舒申 斯可( s a y a n o s h u s h e n s k a y a ) 水电站的第三和第四引水管爆裂，导致轮机舱被淹，造 成至少7 人死亡、1 1 人受伤，这是一起典型的水电站管道断裂引发的工程安全事故。 时至今日，还有很多国家陆续发生过多次压力容器和压力管道的断裂事故。 本文是以研究某高水头水电站压力管道出现焊接缺陷为项目背景来展开的。该水 电站的设计水头为1 2 1 0 米，属亚洲第一，世界第二高水头电站。在安装施焊时，在斜井 段压力钢管的环焊缝及其周围附近母材出现了裂纹。经超声波检验发现，其中2 斜井 段某管节环焊缝出现长2 1 0 m m ，深度达2 0 m m 的非贯穿性裂纹，在3 撑斜井段某管节环 焊缝出现长4 4 0 m m ，深度达3 0 m m 的贯穿性裂纹，如图1 1 所示。裂纹扩展途径焊接 接头和母材。为了保证工程质量，确保电站安全生产，在对裂纹返修处理之前，必须 查明裂纹产生的原因，为裂纹管节的返修和处理提供科学的依据。 1 2 压力管道断裂的国内外研究现状 1 6 m n r 压力钢管焊接时出现裂纹的原因【z 4 ，5 】有很多，总的来说可以归纳为两大方 面：1 6 m n r 钢板的材料本身质量不合格，没有达到标准要求的相关性能指标；焊接过 程中，焊接材料选择不当，焊接工艺不合适或者焊工没有按照规范施焊。国内外对于 c m n 系列钢板焊接出现裂纹的问题都做了很多相关研究。 国内专家李大东在对攀枝花水电站1 6 m n 钢管断裂原因分析中指出【6 】，在材料质量 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 保证的前提下，钢板在焊接t 8 5 时间较短时，在3 0 0 左右存在脆化现象，且在此温度 区间的冲击韧性将降低到1 6 m n 钢规定大于等于2 7 j 的技术条件之下，钢板焊接的管道 在水电站运行条件下容易开裂。电弧坑在轧制缺陷处引起微裂纹及矫圆应力，实际焊 接时的工艺与原制定的工艺制度存在偏差，都是引发脆性断裂的原因。 图1 13 艨斗井段管节环焊缝裂纹 国外专家k n o t t 和d l o l s o n 等人详细研究了c m n 钢焊缝的断裂行为，得出结 论：焊缝中解理断裂通常起裂于氧化物夹杂，尤其是那些分布于粗晶铁素体上的夹杂 物 7 8 】。这些夹杂物的尺寸分布对断裂韧性有十分明显的影响。 1 3 课题研究的内容和意义 1 6 m n r 是一种在压力容器、石油储罐和油气管道等领域均有广泛应用的低合金结 构钢。它是热轧、正火钢的典型代表，对于合格的1 6 m n r 板材其焊接性能优良，焊接 接头的质量是容易保证的。该电站压力钢管出现大量的裂纹，对于高水头电站是非常 危险的，因为水电站的水头越高相应的对于压力管道产致压力管道脆断。它直接危及 电站及周边地区人民生命和财产的安全。由于1 6 m n r 的焊接工艺研究已经十分成熟 2 , 3 , 9 1 ，所以实际工程项目中出现该类问题的情况较少，相应的处理手段较少。本文研究 的1 6 m n r 钢管在焊接时产生大量裂纹的原因，并针对项目本身提出了合理的解决措施。 不仅解决了实际问题具有重大的工程意义，同时大大减少了由于工期延误等等一系列 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 问题带来的人力、物力、财力损失，有较大的社会效益和经济效益。 裂纹的产生是焊接工艺存在问题，还是板材本身的质量问题，这关系到工程的安 全问题。如果是焊接工艺的问题，那么只需做裂纹返修，并在返修过程中严格按照制 定的焊接工艺施焊，问题即可解决，但也有可能是1 6 m n r 板材不合格。为此，本文做 了以下一些方面的工作： ( 1 ) 根据相关标准和实际情况，针对典型的3 f i 斜井段环焊缝裂纹管节采用气割的 方式取断口和微观组织分析、力学性能试验试样坯料，并送予加工厂精加工，对断口 和微观组织分析试板表面与断面打磨、去油、去污，并用硝酸酒精对断面进行腐蚀， 找出了可能导致裂纹产生的补焊区域； ( 2 ) 人为撕开裂纹断口，观察其宏观形貌与典型断口形貌进行比较，判断断口类 型为脆性断裂，并根据人字纹走向【1 0 1 寻找到了裂纹源位于焊接热影响区熔合线附近的 一处明显咬边缺陷根部，将整块试板分为起裂区、裂纹扩展区和止裂区三个区域； ( 3 ) 在找到裂纹源的前提下，对裂纹源切片观察裂纹从咬边根部起裂，途径整个 焊接热影响区向母材方向扩展至钢板的另一面。通过金相组织的观察，并结合维氏硬 度试验发现咬边附近出现了明显的淬硬组织，最终确定裂纹的性质； ( 4 ) 化验母材的化学成分，验证其是否达标； ( 5 ) 分别进行了母材和焊缝的力学性能试验( 拉伸、弯曲、冲击) ，对试验结果 分析研究并结合裂纹源金相观察到的组织，找到了裂纹产生的综合原因； ( 6 ) 对裂纹管节的环焊缝接头进行了微型剪切试验，从直观上对裂纹原因分析结 果做了进一步证明； ( 7 ) 针对分析出的裂纹产生并失稳扩展的原因，结合现场提供的施焊工艺提出了 相关解决方案和措施。考虑到现场部分管节已经埋管而且如果更换管节的话需要大量 的工时，这样不仅无法完成工期同时浪费大量的人力、物力和财力等生的水压力越大， 钢管本身存在缺陷如果没有得到适当的处理，很可能使得裂纹扩展最终导等一系列要 求，提出了在问题管节中再加入内管中间填充环氧砂浆的解决方案； ( 8 ) 利用a n s y s1 0 0 构造模型进行有限元分析，对加入内套管解决方案做合理性 分析，同时对内套管壁厚和环氧砂浆填充厚度两个结构参数做出了优化选择，可以在 保证安全的前提下能最大体现经济价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章焊接裂纹 传统的强度理论认为材料是完整的均匀连续体，但是构件材料的内部不可避免的 存在各种缺陷。尤其是焊接构件，由于焊接本身的特性决定了焊接结构中必然存在如 夹渣、错边或角变形、未焊透或未熔合、裂纹等缺陷。而前面介绍的大量的灾难性事 故，正是由于裂纹类缺陷在一定外部条件下迅速扩展而造成的。英国原子能局和中国 相关组织曾经对压力容器事故破坏原因做过调查【l l 】，调查结果如表2 1 和表2 2 所示。 表2 1 英国调查事故原因分类 从上面调查表中的数据可以看出，绝大部分压力容器断裂事故都是因为裂纹的存 在所致。因此，对于焊接过程中产生的裂纹类缺陷的研究具有非常重大的工程意义。 焊接裂纹种类【1 2 1 大致分为焊接热裂纹、焊接冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和应力腐蚀 开裂。在工程项目当中大部分为焊接热裂纹和焊接冷裂纹，有必要对其产生原因和防 止措施作必要的了解。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 1 焊接热裂纹 焊接过程中在高温阶段( 多在固相线附近) 产生的开裂现象，称为焊接热裂纹。 只有掌握焊接热裂纹的特征和产生原因，才能通过相关的影响因素制定有效的防止措 施。 2 1 1 焊接热裂纹的条件与特征 由焊接热裂纹的定义可知，它具有高温沿晶断裂的性质。根据金属断裂理论可知， 发生高温沿晶断裂的条件，是在高温阶段晶间延性或塑性变形能力6 m i n 小于当时金属 的应变量，即 锄砌 焊接热裂纹通常出现在焊缝，也可能出现在近缝区，包括多层焊道间的热影响区。 凝固裂纹特别容易出现在弧坑之中，特称为“弧坑裂纹”【1 3 1 。 宏观可见的焊接热裂纹，其裂口都有较明显的氧化色彩，这可直接证明热裂纹是 高温形成的，也可作为初步判断裂纹性质是否属于热裂纹的一个标志。实践表明，外 观上没有发现裂纹时，不能肯定内部不存在微观裂纹。当热裂纹产生在近缝区时，表 现形式一般都是微裂纹，在外观上常常很难发现，需用超声波等手段进行检测。 2 1 2 低合金结构钢焊接接头中热裂纹的基本形式 在低合金结构钢焊接接头中的热裂纹基本上有三种形式：结晶裂纹、液化裂纹和 多边化裂纹田】。 1 结晶裂纹 结晶裂纹又称凝固裂纹，是指在固相线附近，液相和固相并存的温度区间，由于 晶间偏析形成低熔共晶薄膜，在拉伸应力的共同作用下，沿一次结晶晶界形成的裂纹。 它们多半分布于偏析情况严重的焊缝中心或柱状晶和树枝晶之间。这种裂纹经常出现 于含杂质( 硫、磷等) 较多的c m n 和c m n s i 系低合金结构钢焊缝中。 2 液化裂纹 液化裂纹是指在母材近缝区或多层焊的层间部位因受热作用，导致液化的被焊金 属在晶界上形成较多的低熔共晶，在拉应力作用下产生的焊接裂纹。这种裂纹起源于 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 紧靠熔合线的母材过热区，并沿粗大奥氏体晶界扩展，有时可能与焊缝柱状晶边界连 通而形成结晶裂纹【5 7 1 。它们多半产生于含偏析元素( 硫、磷、碳等) 较多的低合金钢 高热输入焊接接头中。 3 、多边化裂纹 多边化裂纹是指焊接时在金属中由大量的晶格缺陷( 位错和空位) 形成的多边化 晶界上，在微小的拉伸应力下沿该晶界产生的一种热裂纹。由于在高温时多边化晶界 的组织性能很差，导致其塑性很低而造成的，故又称高温低塑性裂纹。这种裂纹多发 生在纯金属或单相奥氏体焊缝中，个别情况下也出现在热影响区中，有时也产生于纯 净度较低，二次品界物理不均一性严重的低合金结构钢焊接接头中【s 7 1 。 2 1 3 影响结构钢热裂纹的因素 影响热裂纹的因素可概括为两大点，一是冶金因素，二是工艺因素。结构钢焊接 时主要是凝固裂纹问题，常沿枝晶会合面发生，也发生于枝晶的晶间。主要影响因素 就是杂质偏析，最常见的杂质是硫、磷。控制工艺因素的目的在于减少有害杂质偏析 及降低应变增长率。 。 1 冶金因素 ( 1 ) 硫和磷的作用硫、磷几乎在各类钢中都会增高结晶裂纹的倾向，即使是微 量存在，也会使结晶区间大为增加【1 4 】。硫和磷在钢的焊接过程中可能会形成如f e s 、 f e p 等多种低熔共晶，而且使结晶过程中极易形成液态薄膜，因而显著增大热裂纹倾向。 硫和磷非常容易导致钢中的偏析现象的出现。硫与磷在晶轴与晶间的分布系数硒 ( 溶质在固相晶轴中的质量分数与溶质在晶间液相中的质量分数的比值) 很小。1 k o 称为偏析系数，以k 表示，粕越小，偏析系数k 越大，越容易导致偏析。几种常见 元素的分布系数如表2 3 所示，表中刮l 表示初生万铁素体与液相界面，? l 表示初生 奥氏体与液相界面。由表中可以看出，硫和磷的分布系数非常小，最容易导致偏析的 发生，对各种裂纹都十分敏感。钢材用于焊接结构时，硫磷的含量必须严格控制。 ( 2 ) 碳钢是典型的铁碳合金，碳对钢中裂纹的形成也会产生重要影响，还有可 能加剧其他元素的有害作用。因为由铁一碳合金相图【5 8 1 可知碳含量的增加，会促使初 生相由占向) ，转变，从表2 3 中可以看出，硫磷在7 相中的偏析系数比在6 相中要大的 多。国际上通常采用碳当量来评价钢材裂纹敏感性和焊接性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 表2 - 3 钢中元素的分布系数k o t l 3 】 钢组成( 质量分数，) 溶质 cs i m n c rn im ops 刮lo 1 70 6 20 7 4o 8 9 0 7 6o 7 30 1 4o 1 0 ( o 0 5 ) k o r l 0 3 40 5 60 7 80 8 70 9 0o 5 70 0 8 0 0 2 ( 3 ) 其他合金元素低合金结构钢中还含有其他一些合金元素，如锰、硅、钛、 锆和稀土、镍等等，它们对于热裂纹同样有着不同的影响。 锰具有脱硫的作用，它能置换出f e s 中的f e 形成m n s ，同时也能将硫化物的分布 形态改善，使得f e s 液态薄膜改变为球状分布，提高了焊缝的抗裂性能。 硅是形成j 相的元素之一，根据元素的分布系数比较可得，硅有利于降低热裂纹 的产生机率。但是硅含量超过0 4 时，生成的硅酸盐( 颗粒细小不易浮出熔池) 容易 形成夹杂缺陷，增加裂纹的倾向。 钛、锆和镧、铈等稀土元素能形成高熔点的硫化物，对消除结晶型热裂纹具有良 好的作用 1 4 , 3 0 】。 镍在低合金结构钢中和f e 元素一样，容易和硫生成类似于f e s 的低熔共晶n i 3 s 2 ( 熔点为6 4 5 ) ，会增加钢的热裂倾向。 2 工艺因素 ( 1 ) 熔合比的影响 在焊缝金属中，局部熔化的母材所占比例为熔合比。在焊接时，母材中存在的有 害杂质可能转移到焊缝中去，尤其是对于中碳钢、高碳钢以及异种金属焊接，必须尽 量减小熔合比。因为减少熔合比，可以减小焊缝区域的化学成分不均匀化程度，从而 减小裂纹倾向。 ( 2 ) 成形系数的影响 焊接热裂纹是在熔池凝固过程中发生的，影响熔池凝固的焊接参数与接头形式同 样影响焊接热裂纹的倾向大小。焊缝宽度与焊缝实际厚度的比值称为成形系数伊。妒值 太小时，根据熔池结晶的一般规律【1 4 1 最后凝固的枝晶将会合于杂质偏析最严重的位雹 ( 大致在焊缝中心位置) ，极易产生热裂纹。可以通过调节焊接电弧电压、焊接电流和 焊接速度等焊接参数来得到合适的成形系数，控制热裂纹的产生。 ( 3 ) 冷却速度的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 焊接时，冷却速度过快会导致变形速度太快增加s ，增加接头的热裂纹倾向。 ( 4 ) 拘束度的影响 拘束度反映的是结构的拉应力状态【3 2 1 ，热裂纹产生的一个重要条件就是拉应力的 存在。通过采取合理布置焊缝位置、采用恰当的焊接顺序等措施以降低接头的拘束度 【3 9 】，可以有效地减小应变s 及其增长速度，达到防止热裂的效果。 2 1 4 热裂纹的防止措施 通过影响热裂纹的因素，不难得出防止热裂纹同样从控制冶金成分和调整焊接工 艺两方面着手。 1 冶金因素方面 ( 1 ) 严格控制有害杂质硫、磷以及碳等的含量，减少所能形成的低熔共晶，降低 偏析倾向，从而有效减少热裂纹的敏感性。焊缝中这些有害杂质主要来源于焊接材料 和母材，必须按照相关标准要求严格控制它们的含量。对于一些重要的焊接构件，焊 接时应该采用碱性焊条或焊剂有效控制有害杂质，达到防止热裂或降低其倾向的效果。 ( 2 ) 通过向焊缝中添加能够细化晶粒的合金元素如m o 、v 、t i 、n b 和稀土等等， 不仅能改善焊缝凝固结晶还能降低低熔共晶的含量提高焊缝的抗裂能力。 2 调整工艺 尽管冶金因素在防止热裂纹时起着至关重要的作用，但是当焊接工艺参数或者规 范不恰当时，同样会导致热裂纹的产生。 ( 1 ) 限制过热。通过采用较小的焊接电流和焊接速度，并降低焊接线能量可有效 限制熔池过热从而防止热裂。 ( 2 ) 控制成形系数。适当增加焊接电弧电压，减小焊接电流，可得到较大的成形 系数，可减小焊接热裂纹倾向。 ( 3 ) 减少熔合比。降低焊接电流以减小母材的熔化量，防止母材中的有害杂质过 渡到焊缝中去。 ( 4 ) 降低拘束度，减小应变量和应变增长率，也可有效防止热裂。 ( 5 ) 设计恰当的接头形式，安排合理的焊接次序。焊接接头的形式，直接影响到 接头的受力状态、熔池结晶条件和温度场的分布等等，因此不同的接头形式热裂纹的 倾向也不一样。在安排焊接次序时，尽量使大多数焊缝能在较小的刚度条件下焊接， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 使焊缝受力较小。 2 2 焊接冷裂纹 冷裂纹的概念是相对于热裂纹而言的，一般指在室温附近出现的裂纹。 2 2 1 焊接冷裂纹的形成条件和一般特征 焊接冷裂纹【1 5 】的产生，同热裂纹一样，也是由于接头局部位置的延性o m i n 不能够 承受所发生的应变。不同点在于，冷裂纹的致脆原因淬硬组织和氢脆，都是在室温附 近起作用的。 冷裂纹容易发生在如中碳钢、高碳钢和低、中合金高强钢等具有一定淬硬倾向的 钢种的焊接结构中。通常位于焊接热影响区，但对于超高强钢等有时也会在焊缝位置 出现冷裂纹。低碳钢通常焊接时不易发生冷裂。高强钢的焊接冷裂纹一般在焊接冷却 过程中，在马氏体转变温度或者更低的温度下逐渐发生的，也有的可能具有一定的延 迟性( 几小时或者几天甚至更长) 【1 4 1 。 冷裂纹的起源多数发生在具有缺口效应的热影响区或者有严重氢聚集现象的地带 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 。冷裂纹的宏观断口，是典型的具有发亮的金属光泽的脆性断裂断口，断口处 裂纹呈人字纹形态发展 1 3 ，3 8 1 。因为冷裂纹既可以是穿晶断裂也可以是沿晶断裂，其微 观断口通常是沿晶和穿晶共存。 2 2 2 冷裂纹的分类 根据冷裂纹冷裂时期裂纹出现的时间不同，将冷裂纹大致分为两大类：开裂有潜 伏期的氢致裂纹和开裂无潜伏期的淬硬裂纹与低延裂纹。 1 开裂有潜伏期这类裂纹通常焊后不立即出现，而是经过一段时间( 几小时或几 天甚至更长) 之后才能发现。具有延迟开裂的性质，存在潜伏期、缓慢扩展期和突然 断裂三个阶段，通常是由于氢脆作用导致的，因此可称为氢致裂纹【2 0 】。 2 开裂无潜伏期这类裂纹不具有延迟开裂的特性，经常出现在淬硬倾向大的钢种 焊接时。它主要与淬硬组织有关，又称为淬硬裂纹；在焊接铸铁或硬质合金等脆性材 料时，很容易出现无潜伏期的冷裂纹，这主要是由于材料本身塑韧性不够，又称为低 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 延裂纹【1 3 1 。 2 2 3 影响焊接冷裂纹的因素 根据国内外诸多专家研究结合理论实践表明，影响高强钢焊接时产生冷裂纹主要 有三大因素 2 0 m 2 2 1 ，即反映钢材淬硬倾向的化学成分、反映钢材氢脆程度的焊接接头含 氢量及其分布，以及反映拘束拉应力状态的拘束度。这三大因素之间共同作用影响焊 接接头冷裂纹倾向。 1 钢种的淬硬倾向 焊接时，钢材的淬硬倾向越大，越容易产生冷裂纹。钢材的化学成分、板厚、焊 接工艺参数和焊接过程中的冷却条件都能影响到钢材的淬硬倾向。淬硬倾向主要通过 脆硬的马氏体和形成的晶格缺陷，影响钢材的冷裂纹倾向。 ( 1 ) 淬硬组织马氏体马氏体是碳在仅铁中的过饱和固溶体，由于其晶格中具有 很大的畸变，导致马氏体组织处于硬而脆的状态【5 8 1 。焊接相当于一个重新炼钢的过程， 严重的过热加上快速冷却导致粗大的奥氏体转变为粗大的马氏体。根据金属强度裂纹 可知【2 3 2 4 1 ，马氏体是一种脆硬组织，容易发生断裂，它的存在将增加焊接接头的冷裂纹 倾向。 研究表明口5 1 ，不同的组织对裂纹的敏感性不同，大致按下列顺序而依次增大： 铁素体或珠光体下贝氏体低碳马氏体上贝氏体粒状贝氏体 岛状马氏体奥氏体组元高碳孪晶马氏体。 ( 2 ) 淬硬会导致更多的晶格缺陷形成金属在热力不平衡的条件下会形成大量的 如空位和位错等晶格缺陷 2 6 】。用透射电镜观察，条状马氏体内部的亚结构位错密度为 0 3 0 9 x 1 0 1 2 c i i l 2 【2 7 】。研究表明，随着焊接热影响区的热应变量增加，位错密度也随之 增加，对于h t 8 0 钢，每1 的应变量位错密度增加5 x 1 0 9 c m 2 1 2 s 】。 钢材的淬硬会导致更多的位错和空位，而这些晶格缺陷当在应力和热力不平衡下 聚集，当浓度达到一定地步时就会形成裂纹源。 2 氢的影响 钢中氢的含量分为两大部分，一是可运动的扩散氢量，一是不可运动的残余氢量。 一般情况下，残余氢含量很少，并且在3 0 0 c 以下的焊接区扩散氢变化时，残余氢含量 基本不变【2 9 】。因此，认为只有扩散氢对钢的冷裂的产生起决定性作用。焊接高强钢冷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 却至马氏体转变温度以下时，氢会在某些部分如淬硬组织附近、出现应力集中的缺口 位置等出现聚集造成氢脆导致冷裂纹的产生。 试验研究表明，高强钢焊接接头的含氢量越高，则裂纹的敏感性越大，当局部地 区的含氢量达到某个临界值时，便开始出现裂纹 3 0 3 1 】。 3 拘束度的影响 拘束度是一种表示接头刚度的量【3 2 1 ，通常所说的拘束度指的是拉伸拘束度，它反 映结构的拘束拉应力状态。焊接结构的拉伸应力是产生裂纹的必要条件，当实际结构 的拘束度大于不产生裂纹的临界拘束度时，才会产生裂纹。 4 其他因素的影响 除了以上三大主要因素以外，焊接施工中的焊接工艺，如焊接材料、预热、焊接 的线能量、后热，和焊接顺序等对冷裂纹的产生也有不同程度的影响。 ( 1 ) 焊接线能量不同的钢种应该选用各自合适的最佳线能量。线能量过大会导 致焊接热影响区组织粗大，降低抗裂性；线能量过小，冷却速度过快会增加热影响区 的淬硬，且扩散氢不易逸出焊缝，增加冷裂倾向。 ( 2 ) 预热和后热合理的选择预热温度对焊接结构进行焊前预热，能有效的防止 冷裂纹 3 3 , 3 4 】。紧急后热处理能够使扩散氢充分逸出，还能降低焊接残余应力，改善组织 形态，降低冷裂倾向【5 9 】。 ( 3 ) 多层焊多层焊的后一道焊缝对前一道焊缝有后热处理的作用，而前一道焊 缝对后一道焊缝又有预热处理的作用，两者都能有效防止冷裂纹的产生。 2 2 4 防止冷裂纹的措施 同防止热裂纹的方式一样，根据冷裂纹的影响因素，防止冷裂纹的主要途径也分 为冶金和工艺两大方面。控制好冶金方面的因素，辅助以适当的焊接工艺，能很好的 控制焊接时冷裂纹的产生。 1 冶金方面焊接接头由焊接材料熔化形成的熔敷金属和部分熔化的母材两大部 分组成。冶金方面主要也是通过母材和焊接材料两个方面来防止冷裂纹。 在母材方面，主要是提高钢材的冶炼水平。一方面通过采用低碳中添加多种合金 元素的强化方式，使钢材在满足足够强度的同时具有很好的韧性；另一方面利用精炼 手段严格控制硫、磷、氧等有害杂质的含量。在焊接时，应注意对母材表面的除锈、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 去油污工作，减少氢的来源。 在焊接材料方面，防止冷裂纹主要采用以下手段：选用低氢、高强高韧性的焊接 材料进行焊接；由于c 0 2 气体保护焊具有一定的氧化性，能将扩散氢转化为h 2 0 或o h ， 所以也能得到抗裂性较好的焊缝；焊接前，对焊接材料( 焊剂、焊条等) 应按标准要 求仔细烘干，同时注意控制环境的湿度，降低焊接时氢的来源也能有效降低冷裂倾向； 通过焊条、焊丝或者焊剂向焊缝中过渡一些提高焊缝韧性的微量元素，如钼、钒、钛、 铌、稀土等，增加焊缝的塑韧性储备，也可减小整个焊接接头的冷裂纹倾向。 2 焊接工艺方面控制好冶金方面的因素后，能有效的减小焊接接头的冷裂纹倾 向，但是如果焊接过程中采用不恰当的焊接工艺，同样会导致冷裂纹的产生。选择合 理的焊接线能量，能使焊缝中的扩散氢充分逸出，同时可防止淬硬组织的生成；制定 正确的焊接施工顺序，力求减小结构的刚度和拘束度，避免形成各种缺口，防止氢在 此位置聚集；控制合适的预热温度或紧急后热处理，不仅能减少淬硬组织的产生，还 能起到细化组织的作用；焊后热处理，改善焊接接头的残余应力分布；合理地选择焊 缝的匹配方式和焊缝的分布位置，改善接头的应力分布状态。以上工艺方面的措施， 通过减少淬硬组织的产生、降低扩散氢的含量和降低接头的拘束应力，是防止冷裂纹 的有效途径。 2 3 焊接裂纹分析判断的手段 由于焊接裂纹对焊接结构的危害性十分严重，正确判断裂纹的性质对裂纹产生原 因及其防止非常关键。根据裂纹的本身特征，通过一些分析手段，可以对裂纹性质作 出判断。常见的分析手段分为宏观分析、微观分析和断口分析。 2 3 1 宏观分析与判断 采用常规的检测手段，根据母材材质和焊接材料的化学成分、焊接工艺参数和焊 接结构的实际运行情况，分析裂纹性质称为宏观分析。由于该方法的简单方便和可操 作性强，所以在工程上应用最多。 在介绍焊接热裂纹和冷裂纹时，冶金因素是重要影响因素之一。决定钢材和焊接 材料冶金条件的关键是其化学成分。因此，分析钢材和焊接材料的化学成分，可大致 判断出裂纹倾向及其种类。但此种方法对于裂纹的判断只是粗略估计，需与其它检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 u l1 方法结合进一步分析研究。 在钢材与焊接材料的冶金因素满足要求时，焊接工艺不恰当同样会导致裂纹的出 现。根据现场施焊时，通过比较焊接工艺试验制定的焊接工艺规程与实际的执行情况， 可以作为判断裂纹性质的重要依据。据统计，1 9 7 8 - 1 9 8 2 年间我国的各类球罐的失效 事故，几乎有5 0 是由于施工质量存在问题造成的【3 5 】。 在焊接结构的生产过程中并未出现裂纹，但由于工作环境恶劣和运行过程中操作 管理不当，也会导致出现裂纹，分析裂纹原因和判断裂纹性质同样需要考虑这些因素。 例如，压力容器处于超标含量的腐蚀性介质当中运行，很容易造成严重的应力腐蚀开 裂。 2 3 2 微观分析及判断 宏观分析无法判断出裂纹的准确信息，需要进一步采取微观分析手段深入研究。 常见的微观分析方法有光学显微镜、电子显微镜、电子探针、扫描电镜、x 射线晶体 衍射等等。而在当前应用得最广泛的就是光学显微镜下的显微组织观察，结合硬度、 夹杂分布等试验基本上就可以准确判断出裂纹的性质。 对于低碳钢、强度级别较低的低合金结构钢等，焊接结构上的裂纹出现在焊缝， 在光学显微镜下观察裂纹扩展属于沿晶断裂，且断口具有氧化彩色，则可以判断该裂 纹是热裂纹。 对于低合金高强钢、中高碳钢等，在焊接结构的热影响区出现裂纹，观察裂纹附 近金相发现淬硬组织，裂纹扩展既有穿晶也有沿晶断裂，基本可以判断该裂纹属于冷 裂纹。 再热裂纹主要是沿过热粗晶的边界发生和扩展，当金相组织观察到此种裂纹走向 和组织时，很容易得出结论。 2 3 3 断口分析及判断 在分析研究裂纹的性质时，有时仅仅靠宏观和微观分析还不够，于是在工程实际 中引进了新的测试方法扫描电镜和透射电镜通过观察裂纹断口特征确定裂纹的性 质。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 广_ 等轴韧窝 广韧窝断裂十剪切韧窝( 长形) 厂韧性断裂一：篓凳署喜张聊 l 滑移断裂十波形滑移 ：罴黧 厂穿晶断裂( 晶内) 一厂韧窝断黏l 解理舌状 r - 胎眭断裂1广河流花样( 山谷状) 断裂腻一 黼q 撕黼二次裂纹 l 疲劳断裂疲劳纹( 平行条纹) 厂塑性断裂显微空穴聚集成韧窝状的晶间断裂 l 沿晶断裂( 晶内) + 脆性断裂一平坦型、冰糖状晶间断口 l 疲劳断裂疲劳花纹( 颗粒状) 断1 3 图2 1 断裂形式及断口特征p 6 37 3 8 】 常见断裂形式及其断i e i 特征如图2 1 所示，不管是焊接热裂纹、冷裂纹还是热裂 纹，其断i c i 基本都出现于表中所描述的断裂形式。结合不i q 裂纹的断裂特点和断口的 形貌特征可以很方便的判断出裂纹的性质。 综上所述，宏观分析、微观分析和断口分析三大方面能独立分析研究裂纹的性质， 但更多的是相互之间综合在一起以更加准确的对裂纹的性质，产生的原因作出最准确 的判断。随着科学社会技术的发展，将来会有更加先进、有效，精度更高的分析手段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 一l , i 一i i i 一mm 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼舅舅曼曼曼量曼曼寰曼曼曼 第3 章1 6 m 哝压力钢管环焊缝裂纹源的分析研究 对于分析研究裂纹产生原因，首先必须找出裂纹源的位置，然后通过断口分析判 断出裂纹的类型，最后结合现场的焊接条件和工艺等因素找出产生裂纹的关键因素。 据现场观察结合超声探伤报告指出，环焊缝裂纹一端处在管节纵焊缝处，另一端 位于环焊缝和纵焊缝的交叉处。由焊接结构的相关知识我们知道，焊缝与焊缝交叉处 的焊接残余应力较高，加之该压力钢管的管壁较厚，此位置通常处于三向拉应力状态 【3 9 】。另外焊接采用的多层多道焊，加上环焊缝与纵焊缝的焊接热影响区的重叠使交叉 处附近材料的力学性能下降，特别是材料的塑性和韧性体现更加明显。因此，初步分 析判断裂纹源很可能出现在该处附近，并将裂纹试板大概分为起裂区域、裂纹扩展区 和止裂区域。为此，将断口和微观分析试样分别从起裂区( a 区) ，母材区( b 区) 和 止裂区( c 区) 取出如图3 一l 所示。 ，瞠健悼o f 由 f 乎l x | 犬 j 学性能试样 断口和微观组织分析试样 a 区b 区 c 区 ：( ( (二( ( ( ：( (r ( ( ( ( 1( 。： 厂 |裂纹 可夕 环缝 y g g s s 冲击试样 g 纵缝 g u 母材力学 图3 1 取样示意图 性能试样 3 1 压力钢管环焊缝裂纹的现场取样位置 由于在现场出现了大量的裂纹管节，为了便于研究，我们在3 捍斜井段取了最典型 的一块钢板来进行分析研究。根据相关资料表吲4 5 柏1 ，我们分析研究一种焊接缺陷， 需要对问题钢板的母材和焊缝进行一系列的分析试验，通常采用的分析手段有：力学 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 性能试验、硬度试验、断口分析、微观组织分析、成分分析等等。为对母材和环焊缝 进行断口分析，微观组织分析和力学性能评定，从现场已安装的出现长4 4 0 m m ，深度 达3 0 m m 的贯穿性裂纹的厚度为3 6 r n m 钢管( 1 6 m n r ) 上取出长约1 2 0 0 m m ，宽约8 0 0 m m 的瓦片试板。在此试板上分别取出冲击、拉伸、冷弯、硬度、断口分析以及微观组织 分析试样，取样位置如图3 1 所示。 沿裂纹扩展路径对试板表面打磨发现，裂纹不仅存在于环焊缝的热影响区，且扩 展至母材，为此，对焊接接头取性能试样的同时，对处于裂纹附近的母材也进行了取 样。该水电站压力钢管采用1 6 m n r 钢板，经冷卷焊接而成。斜井段钢管安装环缝采用 加衬板单面焊方法，选用大西洋牌( c h e 5 0 1 5 ) 电焊条作为焊接材料。 3 2 裂纹断口分析 3 2 1 断口金相学的由来与任务 金属断口分析是一门研究金属断裂表面的科学【l0 1 。由于断裂的瞬时性，导致我们 很难通过试验的方式来直接获得断裂过程的相关信息，但是断裂最终形成的断口仍然 会留下一些反映断裂的痕迹。就如同侦探通过现场的取证和遗留的线索找出结论一样， 我们可以采取同样的方式靠断口留下的相关信息找出断裂的原因。从中世纪开始到现 在，人们已经学会运用肉眼、放大镜、光学显微镜、电子显微镜等一系列手段来观察 研究断口，寻求金属断裂的原因和断裂机理。 断口金相学的任务大致分为两大点【l o 】： ( 1 ) 找出断裂源，并确定断裂的类型，为最终寻找断裂破坏的原因提供科学的依 据。 ( 2 ) 研究金属材料断裂的微观过程机制的重要手段。 3 2 2 断口金相学在焊接中的应用 随着社会经济的发展，焊接结构在人们的日常生活和工业生产中应用得越来越广 泛，焊接的桥梁、汽车、压力容器、高速列车甚至是火箭等等都用到了焊接结构，而 相应的安全事故也屡有发生。例如，二战期间，美国大量自由轮焊缝处发生断裂沉没 事故，国内外在近几年报道了多起压力容器爆炸事故等，最后寻找原因，往往都是焊 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 接接头及其附近存在咬边、裂纹等缺陷，在外部应力加上焊接残余应力的作用下导致 的结构断裂。无论是分析事故原因还是试验研究裂纹源，断口分析都是必不可少的手 段。 3 2 3 断口的宏观分析 首先对所取出的长约1 2 0 0 r a m ，宽约8 0 0 r a m 的瓦片试板其进行打磨除锈，在打磨 过程发现，位于预判的起裂区域( a 区) 的管壁有明显的补焊现象。用硝酸酒精腐蚀 打磨区域，可以明显观察到补焊的区域，如图3 2 所示。经过分析研究结合现场施工 人员证明，原钢板表面存在有表面凹坑缺陷，曾对其进行过焊补处理。根据相关研究 图3 - 2 补焊区域示意图 表明【4 2 】，钢板在轧制过程中，由于轧辊的表面存在硬质的异物掉落到钢板表面或者轧 辊本身表面不平都可能导致凹坑，而钢板在冷卷成钢管时，由于上述原因也会在内壁 出现凹坑缺陷。 从环焊缝与纵焊缝交叉处沿着环焊缝方向打磨，发现在靠近交叉处附近( 水流上 游方向) 的环焊缝熔合线旁边有一处明显的咬边缺陷，缺陷尺寸深4 m m ，长l o m m ， 如图3 3 所示。由于咬边缺陷所造成的严重局部应力集中现象，往往是形成裂纹源的 原因之一，因此，对此处附近进行切片和断口解剖。观察宏观断口发现：断口上出现 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 明显的“人字纹”并以咬边处为中心向环缝的两个方向扩展，如图3 - 4 所示。结合沿着裂 纹表面打磨痕迹发现，裂纹一个方向是经环缝热影响区向母材内( b 区) 扩展，后又 回到环焊缝( c 区) 并止住。另一个方向沿环焊缝热影响区扩展并止于纵缝附近。 图3 3