球罐焊接的裂纹控制

球罐焊接的裂纹控制前言随着我国石油、化工、轻纺、冶金及城市燃气工业的发展，作为储存容器的球罐得到广泛的应用与发展。储存的介质有液态丙烷、丁烷、LPG、LNG、液氨等。对容器的要求也趋向于大型化高性能化和轻量化。球罐制造的大型化的发展，高强度钢材成为制造球罐的必备材料，这样对可焊性好的高强度钢（厚板）要求更突出，我国目前最常用的球罐制造用钢材为16MnR。由于球罐是在设备制造厂将球皮压制好，运到施工现场进行组对焊接，球罐的焊缝相对较多,焊缝集中,加之制造与现场组对焊接产生的多种应力,致使球罐的焊接裂纹问题在现场组焊中甚为突出,钢板的强度越高厚度越厚焊接的裂纹敏感性越强。下面就16MnR球罐的制作中焊接裂纹控制进行论述：二、球罐用钢材的性能（16MnR）16MnR是我国球罐和压力容器器制造的基本钢材，应用比较成熟，是一种可焊接低合金高强度结构钢材，其化学成妥及力学性能如下：16MnR钢材的化学成分化学成分（质量分数）％CSiMnPS≤0.200.20～0.551.20～1.60≤0.035≤0.03016MnR钢材的力学性能板厚/mmбb/MPaбs/MPaб5/%Akv(横)/J冷弯试验(1800)＞36～60470～600≥305≥21≥31d=3a6MnR钢具有可焊性能好,有良好的机械性能和工艺性能,但由于球罐焊接是一个复杂的过程,它使焊接区域产生了一系列的物理冶金和化学冶金,并在焊接工艺控制和热处理不当时易产生裂纹。三、16MnR钢球罐焊接裂纹产生1、裂纹是指焊接后存在于焊接或热影响区金属中局部裂开的缝隙，它破坏了金属的连续性，大的降低了焊接接头的强度和朔塑性，由于裂纹的两端是一个尖锐的缺口或缝隙，会造成严重的应力集中，稍有外力的作用就可能使用权裂纹两端继续延伸和发展引起球罐发生脆性破坏。根据裂纹产生的部位、方向不同，可分纵向裂纹、横向裂纹、熔合性线裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹和热影响区裂纹。焊接裂纹主要分：热裂纹、冷裂纹、延迟裂纹。2、热裂纹是指在焊接凝固时或温度较高时产生的裂纹，多见于焊缝本身根部及弧坑中，有时也出现在熔合区，沓接热裂纹产生的主要原因是，在焊接凝固过程中，如有液态的低熔点共晶体杂质存在，则会在晶界上聚集而且最后凝固，此时的晶界强度就会很低，在金属冷却收缩而产生焊接应力作用下，就有可能沿日界裂开，形成不规则的热裂纹。3、焊接冷裂纹产生在焊接金属中，也有在热影响区内产生，它是无分叉的纯断裂，是一种晶内型裂纹或晶间型裂纹。焊接冷裂纹是在焊后较低的温度下形成，一般在马氏体开始转变温度以下在-100—1000C的温度范围内形成。产生冷裂纹的主要原因是，焊接中的氢在结晶过程中向热影响区扩散，当这些氢不能逸出时，就聚合在离熔合线不远的热影响区中，如果被焊接材的淬透性较大，焊后冷却下来，在热影响区形成马氏体组织，其性脆而硬，再加上焊缝结构不合理而产生焊接残余应力，而形成冷裂纹，这种裂纹与氢有关，又有延迟开裂的性质。4、裂纹是应力、氢与组织三者的交互作用产生的,焊接冷裂纹的发源部位一般在焊接接头的未混合区域部分熔化区,特别是有咬边未熔合、未焊透等缺陷存在时更易在这些区域产生冷裂纹。四、如何避免或减少内应力源，防止冷裂纹，在16MnR钢球罐的组对与施焊工艺中我们是这样控制的。2000m3，LPG球罐技术参数（共6台）球直径材质板厚介质设计温度设计压力净重球皮块数焊缝长度15.7m16MnR48mmLPG-190—500C1.77MPa320T36块387.78m1、球罐的现场组对球罐的组装好坏将直接球罐的焊接质量，首先应严禁强制组对，强制组对将产生应力造成焊缝的裂纹。减少角变形，控制组对时球壳板的错边量，严格掌握对口的间隙，这些都是控制焊接后出现应力的措施，组对时严格按GB50094—98《球形储罐施工及验收规范》执行，允许偏差符合下列要求：项目错边量组对间隙对口错边量允许偏差b≤3mm2±2mmE≤7mm球壳板到货后,组织有关人员对每一块球壳板进行检查,球壳板曲率、几何尺寸、板的翘曲度、坡口角度必须符合要求。按组装图进行编号，安装时按编号进行。保证了组对质量。2、球罐的焊接材料氢是产生焊接裂纹的重要因素，氢的来源主要是焊接材料及焊接材料的水分，焊接区域的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等，这些水或有机物经电弧的高温热作用分解成氢原子进入熔池中，在焊接过和中氢除了向大气中扩散外，在焊缝中呈过饱和状态，即在焊缝中有扩散氢。因此球罐焊接的焊条必须采用低氢型焊条，按要求要进行扩散氢的检测，焊条采用同一生产厂家的。焊条型号允许扩散氢含量（ml/100g）实测扩散氢含量（ml/100g）￠4mm，E5015≤8≤4.2焊条的烘干是保证焊缝质量的重要措施之一,焊条烘干的好坏将直接影响焊缝金属扩散氢的含量,按GB50094—98《球形储罐施工及验收规范》要求焊条烘干温度应在3500—4000C，烘干温度缓慢升高，烘1小时后放入1000—1500C的恒温箱内保存，随用随取，焊工领用焊条时办理领用手续，每次领用的焊条必须放入保温桶内，每次领用量不超过4小时的焊接量，当天没用完的焊条必须单独存放，可再次烘干使用，但不得超过二次。焊条的烘干发放由专人负责。3、球罐组焊前的预热及焊后热由于焊接是局部加热的过程，在焊接过程中产生应力与应力循环，因此在焊后产生的残余应力，这种应力便产主冷裂纹的条件。球罐在组焊前对焊接部位的预热和焊接后对焊缝的加热及保持焊接过程式中层间的温度，是消除焊接应力降低冷却速度解决焊缝扩散氢的聚集，避免产生焊接裂纹。球罐组对好后，各部位的间隙等检查合格后，可进行球罐的施焊，施焊前应对所施焊的焊缝进行预热。对于球罐的焊缝，预热温度不能太高也不能太低，预热温度太高加上焊接线能量较大，会使焊缝的韧性降低，并使焊接条件恶化，相反如果预热温度太低，在焊接线能量偏小时，可能导致焊缝金属及热影响区冷却速度太快，容易产生裂纹。球罐焊缝的预热温度与钢材的材质、厚度、焊接材料、焊接条件、气候条件和焊接结构有关。根据GB50094—98《球形储罐施工及验收规范》要求，本球罐焊缝预热温度控制在1250—1750C，采用火焰加热法进行预热，预热时控制温度均匀，预热在所施焊的焊缝背面，预热宽度为焊缝中心线两侧100mm范围。由于本球罐当时的焊接时间为11月下旬,环境温度比较低,因此我们预热的温度控制要求的上线为1700C左右,使用测温仪进行温度的测量,当温度达到要求时,开始施焊。在焊接过程中,有专人进行监控施焊时的层间温度,严格控制在1300—1650C之间。球罐每条焊缝焊接完成（每个班结束前）应对所施焊的焊缝进行加热称后热。后热也是为了防止冷裂纹的产生，解决的是焊后扩散氢的聚集。在多层焊接中，随着焊接层数的增加扩散氢也会逐渐积累，如果焊缝焊接后温度急速下降冷却到1000C以下，氢就不能很快从较厚的焊缝中扩散出来。在冷却的过程中，氢在应力下集聚，再在淬硬组织的产生，，会导致冷裂纹。因此我们在每条焊缝焊后趁焊缝温度未降下来时就立即给所施焊的焊缝进行加热，使扩散氢有充分的时间逸出，起到消氢作用，同时还可以降低焊接结构的残余应力，减小焊接金属的硬度值。根据GB50094—98《球形储罐施工及验收规范》要求，本球罐焊缝后热温度控制在2000—2500C，后热时间为0.5—1小时，采用火焰加热法进行后热。后热的加热范围是本次所施焊的焊接范围，加热宽度为焊缝中心线两侧100mm范围，控制温度均匀，后热在所施焊的焊缝背面，用测温仪在所施焊面进行温度的测量。4、球罐的焊接1）焊接线能量的控控制球罐焊接线能量的选择是作试验的基础上再经工艺评定进行实际验证，对于焊接线能量即不能太大也不能太小，只能在一定的范围内进行调整。焊接线能量的测定公式：60IUE=VE焊接线能量（J/cm）I焊接电流（A）U电弧电压（v）V焊接速度（cm/min）焊接线能量过大,将使焊缝金属和热影响区的晶粒变粗,韧性和强度都要下降,如果焊接线能量太小,冷却速度又快,就会产生冷裂纹,因此焊接线能量是球罐焊接的一个重要控制指标。在球罐的焊接过程中，由焊接技术人员对焊接线能量进行控制，控制所焊焊缝的焊接电流及焊接速度，并做出记录。球罐焊接工艺参数：焊接位置立焊横焊仰焊平焊焊条直径￠4mm￠4mm￠4mm￠4mm焊条牌号E5015E5015E5015E5015焊接电流（A）160—180160—180160—180160—180焊接电压(v)24—2624—2624—2624—26焊接速度(mm/min)54—7496—11658—7858—78线能量(KJ/cm)37.9—5224.2—29.236—48.436—48.4预热温度0C125—175125—175125—175125—175后热温度0C200—250200—250200—250200—250根据工艺参数,在现场实际操作的过程中,由于电焊机所放的位置离所焊接的球罐位置比较远,焊把线相对较长,考虑焊接电流的衰减,对于立焊和平焊的焊接电流增大10—20A，但焊接速度不变。焊接球罐环焊缝时，焊接电流不能太大，控制在160—170A，并控制焊接速度保证在要求的范围内，保证的焊接的线能量，避免产生焊接咬边的现象。球罐焊接程序：先焊接纵向焊缝，后焊接环向焊缝，先焊接赤道带，后焊接极带，先焊接外焊缝（大坡口面），后焊接里面焊缝（小坡口面）．对纵、环焊缝的焊接要求焊工均匀分布，并向同一方向进行施焊，施焊过程中，焊工必须严格遵守焊接工艺。本球罐的焊接用１0名焊工同时进行。保持每个焊工有相同的电流、电压、焊接速度。焊接时必须在坡口内引弧，严禁在坡口外引弧或擦伤球壳板表面，防止造成淬硬的弧坑和弧坑裂纹，并且在施焊中每层焊肉的进取度应控制在4—4.5mm范围，球壳板的焊接第一层焊道要采用分段后退法焊接。每条焊缝单侧必须一次连续焊完。焊缝丁字交叉部位，先将纵缝焊到环缝坡口内，在横焊前将环缝坡口内的焊肉打磨干净方可焊接。焊接时对环境的要求：雨天、雾天和相对湿度大于90%以上时，应停止焊接，当风速大于8m/s时，停止焊接。五、球罐焊接后的整体热处理球罐焊接完成后，经探伤检查合格后，进行球罐的整体热处理，消除焊接的残余应力，提高焊缝的塑性，降低热影响区的硬度，改善蠕变性能,释放焊接接头中的氢,提高焊缝搞应力腐蚀能力。1)、焊后热处理消除残余应力是借用热态蠕变变形消除应力的方法，一方面随着加热温度的升高，在一定温度范围内金属材料的屈服强度和纵弹隆模量将会大幅度降低，从而使材料在该温度下发生塑性变形滑移所需要的临界应力减少，因此材料不能支持该温度下的屈服强度时，材料就会产生塑性变形，这一塑性变形使残余应力降低到所在温度的屈服强度水平。另一方面金属材料在加热到高温并有应力存在时，会发生连续而缓慢的变形即蠕动，蠕变过程将起到应力松弛，只要在一定的温度上，即使应力远低于钢在该温度下的弹性极限，随时间的延长也会产生缓慢的应力松弛，由于金属在高温下的蠕变特性，通过流变产生塑性变形，从而达到消除残余应力的目的，随着加热温度的提高和保温时间的延长，金属蠕变变形量的增加，残余应力将随之消除。2)、焊后热处理是降低热影响区的硬度，在焊接过程中热影响区内靠近熔合线部位受热温度达10000C以上，由于很高的热量引起晶粒明显粗化，焊后可能部分或全部产生硬化组织，一般热影响区硬度高于母材，而塑性则较差，由于多道焊接热影响区经多次受热组织也较复杂，它包括了粗晶区、细晶区、回火组织，还有应变时效组织。焊后热处理可使硬化组织回火，使非平衡组织变为平衡组织，使组织稳定并软化，使塑性恢复到安全水平，焊后热处理温度越高，热影响区的软化效果越好，但温度太高会降低强度，因此热处理温度和保温时间应控制在一定的范围。3）、焊后热处理是进一步释放焊接接头中的氢，防止氢裂纹，球罐焊接完及时进行热处理,相当对焊缝进行一次脱氢处理,焊接过程式中液态金属吸收了大量的氢,虽经焊后保温数小时,但却后还有部分氢不能完全逸出,大部分以原子状态与焊缝金属形成间隙固熔体(扩散氢),一部分原子聚集到金属缺陷处形成氢分子,由于固熔于金属中的氢引起金属脆化在加上接头区的组织粗化,淬硬倾向及残余应力和氢的共同作用引起氢脆及冷裂纹。焊后热处理使钢组织为铁素体加珠光体状态，更有利于氢的逸出。4）、焊后热处理提高焊接搞应力腐蚀的能力，焊接构件发生应力腐蚀破坏的原因是拉应力和腐蚀介质的共同存在，而引起腐蚀裂纹的发生，特别是液化气中含有H2S等腐蚀介质与应力一起将产生腐蚀裂纹，因此经过焊后整体热处理，彻底消除残余应力，是防止应力腐蚀的有效措施。5）、16MnR钢球罐焊后整体热处理的方法球罐的焊后整体热处理是把球罐本体作为炉膛，外部包保温棉保温，进行加热。加热办法有：a高速燃油喷嘴内部燃烧法，b燃油低速平焰烧嘴内部燃烧法，c电加热器加热法。在这里我们采用的是高速燃油内部燃烧法。焊后热处理温度的确定加热温度是焊后热处理最主要的工艺参数，根据GB50094—98《球形储罐施工及验收规范》要求，对于16MnR钢的热处理温度要求为6250±250C。焊后热处理保温时间的确定焊后热处理时达到规定的加热温度后需要一定的保温时间，以使应力松弛过程得以充分进行，以达到较好的消除应力和改善接头性能的效果，根据GB50094—98《球形储罐施工及验收规范》要求，热处理最少恒温时间按最厚板对接焊缝厚度每25mm保持1小时，本球罐板厚为48mm，加焊缝余高10mm，保温时间要大于2小时。加热速度的确定根据GB50094—98《球形储罐施工及验收规范》要求，焊后热处理在3000C以下时不控制升温速成度,300