浅析压力容器及焊接裂纹

1、浅析压力容器的焊接裂纹七冶压力容器厂赵萍摘要：压力容器在施焊过程中经常出现裂纹,特别是中厚制作的压力容器,在低温环境下焊接裂纹发生的频率很高,针对此现象进行分析提出控制措施。关键词：压煮器、冷裂纹、热裂纹、控制措施前言：在现代化工业生产和人们日常生活中，各种压力容器的应用范围极其广泛，因此它的质量控制是压力容器制造企业最为重要的环节，然而在压力容器制造过程中由于种种原因，压力容器在制造过程中会出现许多无法预见的缺陷，这其中以在焊接过程中产生的焊接裂纹，其隐避性和危害性最为严重，我厂是压力容器制造单位具备A1、级压力容器的制造资质，近几年我厂承接了大量的压力容器的制造任务，其中以压煮器的制作最具

2、代表性，该产品是氧化铝生产的核心设备，其工作压力为5.2MPa、温度为265，介质是高浓度的矿浆，是高温高压高腐蚀性压力容器，在总结前几期压煮器的制造过程中，发现在压煮器的焊接过程中，不同焊位的焊缝都相继出现过不同形式的裂纹，通过对裂纹进行分析比较，从中找出裂纹产生的规律进行归纳总结，提出应对措施，为今后类似产品的生产提供参考。一、 原因分析在压煮器的制作中，由于业主和设计单位的不同，加之设备制造成本的考虑，不同的业主分别采用了进口的48CPR和国产的16MnR两种不同的材料，材料的厚度直径相同，厚度为63mm,直径为2800mm，封头厚度为68mm，接管材料为16Mn三级锻件，选用焊材：进口

3、材料焊条为NF510A、焊丝为AS36、焊剂为AS80、国产材料焊条为CHE507R、焊丝为CHW-S3、焊剂为J431。在压力容器的制作中，焊缝产生裂纹一般有两钟形式，既冷裂纹和热裂纹，两种裂纹产生的原因各有不同。、 冷裂纹焊接冷裂纹通常是在近缝区或焊缝上产生的，它与金属相变过程中力学性能急剧变化和复杂的应力状态有关，冷裂纹主要发生在那些易于淬化的金属材料中，特别是在焊接条件下近缝区的加热温度高，使奥氏体组织晶粒显著增大，而晶粒粗大的奥氏体极易淬火，也容易转变为粗大的马氏体组织，使近缝区金属性变坏，使塑性下降性増加产生冷裂纹，另一方面是在焊接时的高温作用下，一些含氢的化合物分辨析出原子状态的

4、氢随着熔池温度的不断下降大量的氢溶于金属中，而氢在金属中的溶解度随着温度的下降而下降，这样近缝区便汇集了大量的氢，此时氢就以气态进入金属的细微孔隙中，使局部金属产生很大的应力，从而形成冷裂纹。根据以上冷裂纹形成的原因，结合施工中的状况进行分析，可以找出产生冷裂纹的原因：（） 由于采用火焰加热且加热点过少，焊前预热温度不均匀温度不够，层间温度没有控制好，使温度下降过快，达不到施焊时对温度的要求。（） 施工环境；由于施工环境的多样化，焊接过程中很难确保对焊缝的有效保护，特别是在冬季施工时，从而导致焊缝冷却速度过快，焊缝即近缝区的金属产生淬硬组织，同时不利于焊缝中的氢逸出，使大量的氢滞留焊缝中，从而

5、产生冷裂纹。（） 焊后消氢措施不利；在施工过程中由于工期设备等因素的影响，焊缝的后热处理只是简单的保温，无法达到消氢的作用。、 热裂纹热裂纹的形成主要是冶金因素和工艺因素造成的。冶金因素主要是硫、磷元素引起的杂质偏析，从而导致热裂纹的出现，但该材料已在多次工程中使用其焊接性能良好，且硫、磷元素复验数据在标准控制范围内，因此可排出材料的因素，主要考虑工艺因素。影响热裂纹的工艺因素主要是熔合比、成形系数、冷却速度和焊缝拘束度。（） 熔合比的影响：熔深较大既熔合比较高时会使焊缝中的化学成份不均匀，导致热裂纹的出现，不过只在中、高碳钢及异种钢焊接时比较明显，因此判断熔合比的影响为次要因素。（） 成形系

6、数的影响：成形系数是指焊缝宽度与焊缝实际厚度的正值，即=B/H，其主要影响到焊缝枝晶的成长方向及其汇合面的偏析情况。当值较低（<1时）焊缝有较大的热裂纹倾向，当值接进于7时热裂纹倾向小。 成形系数与焊接参数有关： 平焊位时，成形系数随电流增大而减小，随电压增大而增大； 焊接速度増大，导致线能量减小时，焊缝截面减小，成形系数也随之减小。 当线能量或焊接电流一定时，增大焊接速度会增大焊缝热裂倾向反之则能改善抗列性能。（） 冷却速度的影响冷却速度增大会导致变形速度增大，从而导致热裂纹。在低温环境下，这是热裂纹出现的主要因素。（） 焊缝拘束度的影响：在封头与筒体、封头与接管及筒体与接管的焊缝，是

7、应力高度集中的位置，且装配间隙如不均匀，焊缝凝固时晶粒发生的应变量大于焊缝晶间塑性变形能力，从而导致热裂纹的出现。概括地讲：在高拘束度下，当环境温度降低时仍采用原来的焊接工艺参数，这样的参数在常温条件下是满足工艺要求的，当温度降的很低时（0附近），其线能量就过大、熔池温度过高、焊接速度过快、冷却速度加快，焊缝收缩变形加快，从而促使热裂纹的产生。二、 控制措施 根据上述分析结果，压煮器焊接裂纹的产生与设计和施焊工艺及施焊环境有着密切关连，因此控制焊接裂纹的产生，首先在设计和工艺制定时，就要从设备的选材及焊材料等方面进行控制，制定合理的组装和焊接参数及焊接顺序，确保焊前预热、焊后后热等措施的执行，

8、改善焊接温度环境，控制焊接质量。 1、工艺控制措施（1）控制装配间隙提高装配质量，避免强制成形，使应力均匀分布，避免应力集中。（2）严格执行预热工艺要求，预热温度大于等于150，尽量采用电加热板进行预热，使加热温度更均匀。（3）适当降低焊接电流控制焊接速度，降低线能量输入，以提高焊缝的抗裂性，减少热裂纹的出现。（4）焊后采取保温缓冷措施，控制温度在250-350，保持2-3小时，以达到消氢的目的。2、改善局部环境的温度（1）筒体直、环缝的焊接：筒体直缝与环缝的焊接，都是采用埋弧自动焊进行焊接的，因为直缝的应力较易释放，焊接过程中严格执行工艺制度，其产生裂纹的机率较小。环缝焊接时由于筒体直径大、

9、周长较长，焊接过程中温度下降快，层间温度不易控制，加之环境温度及焊缝受力状况的影响，容易产生裂纹，因此在环缝的焊接过程中采用电加热的形式对焊缝进行预热，并在焊接过程中把加热板置于焊缝下面（如图1所示），以保证施焊时的层间温度，焊接完成后对其进行后热处理，达到消氢目的控制裂纹的产生。（2）封头与接管的焊接：根据封头与接管的焊缝结构特点看，其焊接应力很难得到释放，加之封头在开孔时反复受热，产生了大量的应力且断面不平整，与接管拼焊时拘束度较大，极易产生裂纹。因此在组装接管时应先将断面打磨平整，严格控制开孔尺寸，使焊缝间隙小且均匀，减小拘束应力，保证焊前预热温度，并在焊接外口时，在封头内部放置两块电加热板（如图2所示），以控制层间温度。图 2 在内口焊接时，将封头翻面，置于环形筒罩内（如图3所示），利用里面的加热板控制焊接的温度。在焊接完成后及时进行两小时的后热，并用保温棉对焊缝覆盖保温缓冷，以达到后热消氢的作用。图 3（） 筒体与接管的焊接 由于筒体与接管焊接时，压煮器已组装成整体，体积较大位置特殊（如图4所示），温