压力容器安全：第4讲 承压设备设计与制造中的安全技术

承压设备设计与制造中的

安全技术

主要内容承压设备的设计安全材料选用与安全结构设计与安全强度设计与安全承压设备的制造安全焊接焊接缺陷1、承压设备设计安全合理选用材料适应介质、压力、温度等操作条件和使用环境；易加工成形，不易产生缺陷。合适的结构形式便于制造；便于无损检测；尽量降低局部附加应力和应力集中强度满足要求

压力容器制造中大多数采用冷加工卷板和焊接，因此容器钢板必须具有良好的加工性和可焊性。不是所有的钢材都可以用制造压力容器的。压力容器用钢板比一般钢板的求严，体现在：对化学成分的控制较严格，抽样检验率较高，力学性能检验增加了冲击性能的要求等。1.1材料选用与安全—压力容器用材料压力容器材料选用的基本要求容器承受压力或其它载荷，容器的材料应具有足够的强度，强度过低势必使容器过厚，而强度过高又将影响材料的其它力学性能。容器制造时采用冷卷及热冲压成型工艺，材料应具有良好的塑性，使冷卷及热冲压时不裂不断。容器须具有良好的韧性，具有足够的安全使用寿命。大部分容器都要焊接，因此材料要有良好的可焊性。1.1材料选用与安全—压力容器用材料化学成分控制严格是容器用钢的主要特点。化学成分的变化对钢材的基本力学性能如强度及塑性，韧性等较大影响，对热处理效果也有较大影响。碳含量偏高使强度增加，但导致可焊性变差，焊接时容易在热影响区出现裂纹。微量元素的含量必须严加控制，否则会加剧回火脆性。硫含量过多会影响断裂韧性，也易出现裂纹。钼能提高钢的高温强度，但含量超过0.005时会影响可焊性。1.1材料选用与安全—压力容器用材料力学性能的要求材料的力学性能主要是指强度、塑性与韧性。这些性能指标常常被误认为是材料的一种属性。实际上，材料的力学性能固然取决于化学成分，还取决于材料热处理后的组织状态，往往有一定的分散性。对于循环载荷情况，通常将材料性能的特定表现称为材料在一定条件下的“机械行为”。1.1材料选用与安全—材料的性能力学性能的要求强度是衡量材料抵抗外载荷能力大小的力学指标。通常用拉伸试样测得抗拉强度和屈服极限，这两个指标可表征材料的强度。也是容器设计计算中用以确定许用应力的主要依据。屈服点与抗拉强度之比称之为屈强比，屈强比可反映材料屈服后强化能力的高低，高强钢的屈强比值较高。1.1材料选用与安全—材料的性能屈服点σs屈服强度σ0.2抗拉强度σb断后伸长率δ5断面收缩率ψ屈强比σs／σb材料的拉伸试验1.1材料选用与安全—材料的性能钢板的冷弯试验塑性指标除δ5之外的另一指标，通常要求冷弯角α=180°时不裂不断。弯心直径d是关键，d=0.5a，a，1.5a，2a等。a为板厚，宽度b=2a1.1材料选用与安全—材料的性能关于韧性的概念韧性是与强度和塑性完全不同但又密切相关的。韧性主要是指材料在塑性变形直至断裂的全过程中吸收能量的能力。因而韧性是材料强度和塑性的综合反映。强度是指材料抵抗变形与断裂的能力，塑性是指至断裂时总的塑性变形程度。其中弹性变形功可忽略。1.1材料选用与安全—材料的性能韧性的指标冲击韧性——Akv、动载、缺口(一般称为冲击吸收功)断裂韧性——KIC、JIC、CTOD韧脆转变温度——FATT无塑性转变温度——NDT均在一定程度上反映了材料对应力集中的敏感性。1.1材料选用与安全—材料的性能强度、塑性、韧性之间的关系强度高的材料，塑性(δ5)及韧性(KIC、JIC)下降。同样强度的材料，纯净度高(杂质少)塑性高，韧性也高。例如16MnR的Akv值，标准要求≥31J(δ5≥21%)。含S、P量很低时可以实际达到140J以上。高强钢的Akv要求值高于低强钢，但并不以为高强钢的韧性好。例如07MnCrMoVR（CF62）的Akv

≥47J，δ5≥17%，而断裂韧性值可以正确反映韧性。钢材的高韧性比高强度更重要，可防止低应力脆断。1.1材料选用与安全—材料的性能冶炼方法合金元素：C、Si、Mn、S、P制造工艺轧制、锻造焊接：C<0.25%，可焊性好腐蚀性全面腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、氢腐蚀温度高温：低碳钢超过400oC不能使用，蠕变

高温强度、金相组织稳定性低温：碳钢倾向于变脆—低温脆断常温：保证使用寿命、避免脆断

1.1材料选用与安全—材料性能的影响因素碳素钢—S、P杂质少，塑性好，焊接性能优异。20R、Q235等低合金钢—强度高，塑性韧性好，焊接性能优；含有一定量合金元素，耐蚀性能优于碳素钢。16MnR、15CrMoR等高合金钢—在空气、水、酸、碱及其他化学侵蚀性介质中具有高度稳定性。不锈钢、耐热钢等。复合钢板—基层：碳钢或普通低合金钢；复层为不锈钢或钛及钛合金等低温和高温容器用钢低温：设计温度低于-20oC，必须是镇静钢，16MnDR高温：蠕变、松弛蠕变极限：材料在一定温度下，在规定的使用时间内，使试件产生一定量总变形的应力值。反映了材料在高温下工作的变形量持久强度：在给定温度下，使材料经过规定时间发生断裂的应力值。反映了材料在高温下长期工作的抗力。1.1材料选用与安全—材料选用1.2结构设计与安全—结构设计基本原则应力集中或削弱强度结构应相互错开，避免高应力叠加。

如开孔、焊缝等部位结构不连续处应平滑过渡。

如几何形状突变处避免采用刚性过大的焊接结构。

产生大的残余应力，使用中变形收到约束产生附加弯曲应力。受热系统及部件的胀缩应不受限制。

产生热应力。1.3强度设计与安全—应力分类化工容器中的应力进行分类的基本原则是：①应力产生的原因，是外载荷直接产生的还是在变形协调过程中产生的；②应力的分布，是总体范围还是局部范围的，沿壁厚的分布是均匀的还是线性的或非线性的；③对失效的影响，即是否会造成结构过度的变形，及是否导致疲劳、韧性失效。应力分类法将容器中的应力分为三大类：

①一次应力；②二次应力；③峰值应力。确定设备最小壁厚—应力分析容器的应力分类

(一)一次应力P(Primarystress)—最具危险性的应力

一次应力P也称基本应力，是为平衡压力和其他机械载荷所必需的法向应力或剪应力，可由与外载荷的平衡关系求得，由此一次应力必然直接随外载荷的增加而增加。对于理想塑性材料，载荷达到极限状态时即使载荷不再增加，仍会产生不可限制的塑性流动，直至破坏。这就是一次应力的“非自限性”特征。可分为：一次薄膜应力、局部薄膜应力、一次弯曲应力1.3强度设计与安全—应力分类容器的应力分类

(二)二次应力Q(Secondarystress)二次应力Q是指由相邻部件的约束或结构的自身约束所引起的法向应力或切应力，基本特征是具有自限性。筒体与端盖的连接部位存在“相邻部件”的约束，厚壁容器内外壁存在温差时就形成“自身约束”。二次应力不是由外载荷直接产生的，不是为平衡外载荷所必需的，而是在受载时在变形协调中产生的。当约束部位发生局部的屈服和小量的塑性流动使变形得到协调，产生这种应力的原因(变形差)便得到满足与缓和。亦即应力和变形也受到结构自身的抑制而不发展，这就是自限性。1.3强度设计与安全—应力分类容器的应力分类

(三)峰值应力F(Peakstress)峰值应力F是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。峰值应力最主要的特点是高度的局部性，因而不引起任何明显的变形。其有害性仅是可能引起疲劳裂纹或脆性断裂。局部结构不连续是指几何形状或材料在很小区域内的不连续，只在很小范围内引起应力和应变增大，即应力集中，但对结构总体应力分布和变形没有重大影响。结构上的小半径过渡圆角、部分未焊透及咬边、裂纹等缺陷处均有应力集中，均存在附加在一次与二次应力之上的峰值应力。平板开孔为例，均匀拉伸膜应力为，应力集中系数为Kt，则F＝

×(Kt-1)1.3强度设计与安全—应力分类2、承压设备的制造安全筒体卷焊

纵缝、环缝的装配与焊接是影响筒体制造质量的主要环节。封头成形旋压成形—较好的控制尺寸，但无法旋压壁厚尺寸较大的封头。冲压成形—水压机、油压机—壁厚较薄封头的成形质量难于保证。壳体的总装2、承压设备的制造安全—焊接一、焊接过程与焊接接头(1)焊接过程(钢铁材料的熔化焊)加热→熔化→冶金反应→结晶→固态相变→形成接头(2)焊接接头的组成熔合区热影响区热应变脆化区焊缝金属

对接焊接接头角焊焊接接头对接焊接接头(多道焊)1).焊缝金属：由熔池的液态金属凝固而成，由填充金属和部分母材组合而成。熔池高温→低温：结晶(液态凝固)→二次结晶(温度低于相变温度)。特点：存在铸造缺陷

柱状晶，具有很强的方向性，利于杂质偏析和热裂纹的形成。晶粒粗大，塑性和韧性较母材差焊缝中有夹杂和偏析2).熔合区—焊接接头的薄弱区温度处于固相线与液相线之间，过热组织温度梯度大、狭窄，部分熔化状态(半熔化区)晶粒十分粗大，化学成份与组织性能都有较大的不均匀性。薄弱地带：过热组织、晶粒粗大→塑性和韧性下降。许多情况下是裂纹、局部脆性破坏的发源地。(2)焊接接头的组成3).热影响区：焊缝两侧发生组织性能变化的区域。不同特性的母材在不同焊接热循环作用下，热影响区的组成有很大差别。特别是过热区是整个焊接接头中最薄弱的地带。4).热应变脆化区：塑性和韧性显著下降，另一薄弱地带。低碳钢、低合金高强度钢、低合金低温钢

氮含量较高热应变脆化现象温度200～600℃、250℃最敏感。脆化程度与温度与在该温度下产生的热应变量有关。(2)焊接接头的组成(3)焊接接头的力学性能

二、焊接变形

(1)焊接变形的产生及危害焊接时焊接接头局部区域的加热和冷却很不均匀，导致焊接变形与焊接应力的产生。局部区域内的各部分金属：液态→塑性状态→弹性状态+热源的变化→应力、变形

危害：1).降低装配质量、降低尺寸精度、影响外观质量、造成错边、棱角。2).降低结构的承载能力：应力集中、附加应力3).装配困难、制造成本增加：如需矫形后方可装配。1).纵向/横向收缩变形：平面内尺寸的减小产生原因：冷却收缩.纵向：

平行于焊缝长度方向横向：

垂直与焊缝长度方向

(2)焊接变形的基本类型

2).角变形(局部变形)

焊缝厚度方向上横向收缩量不均匀:焊缝截面形状不对称、施焊层次不合理:

(2)焊接变形的基本类型343).弯曲变形焊缝布置偏离焊件的形心轴，由焊缝纵向和横向变形引起。(2)焊接变形的基本类型4).失稳变形(局部变形):—多见于薄壁构件—波浪变形(2)焊接变形的基本类型1).焊缝位置的影响2).结构刚性的影响刚性大的变形小焊接变形总是沿着刚性约束最小的方向进行3).装配焊接程序的影响.4).焊缝长度和坡口的型式的影响焊缝越长，焊接变形越大坡口内空间越大，变形也越大5).焊接规范和方法的影响6).焊接操作方法的影响7).材料线胀系数的影响(3)影响焊接变形的因素装配焊接程序的影响大多数焊缝在刚性较小的情况下施焊！焊接操作方法的影响(4)控制焊接变形的措施结构设计、工艺改进1).合理的结构设计

a.焊缝数量、长度、尺寸、焊缝金属减少

b.用型钢、冲压件代替拼焊件

c.合理安排焊缝位置。尽量采用对称设计2).必要的工艺措施

a.预留收缩余量

b.反变形法.

c.选择合理的焊接方法和规范d.刚性固定法：外加约束

硬刚性约束法、软刚性约束法、半硬刚性约束法(5)矫正焊接残余变形的方法

矫正:产生新的变形(方向残余变形)→抵消已有焊接变形两类方法：机械矫正、火焰加热矫正.适用条件:依钢种定

1).机械矫正—较短尺寸处塑性伸长(延展)

机械矫正机械矫正

2).火焰加热矫正—较长尺寸处局部塑性压缩

影响矫直效果的因素:火焰加热的位置和火焰热量

火焰加热与机械力共同作用下矫正

三、焊接残余应力产生原因：加热和冷却不均匀+不能自由冷却(有约束)(1)、焊接应力的种类

1).按应力形成的原因分类:

a.热应力b.拘束应力c.组织应力d.氢致集中应力.2).按应力和焊缝位置关系分类板形焊件:a.纵向应力b.横向应力c.厚度方向应力.圆形构件:a.径向应力b.切向应力c.轴向应力.(2)焊接残余应力的危害1).降低结构的承载能力工作应力+残余应力→强度和稳定性降低、疲劳强度降低2).影响焊件加工精度和尺寸稳定性残余应力+时间→释放(时效)→变形3).产生裂纹、加速蠕变和应力腐蚀开裂应力(包括焊接残余拉应力)+腐蚀介质→应力腐蚀开裂残余拉应力+焊接缺陷→形成裂纹→扩展残余拉应力+高温→蠕变加速4).增加制造成本消除焊接残余应力费时、费力、费物(3)焊接残余应力的分布厚壁(δ≥20mm)焊接构件：三向应力薄壁(δ<20mm)：忽略厚度方向的应力→二向应力纵向—平行(沿着)焊缝方向横向—垂直焊缝方向1).分布特点焊后有收缩趋势部位—拉应力.阻止焊后收缩部位—压应力.局部分布—焊缝两侧200～300mm很快衰减

焊缝布置、施焊顺序、各焊缝之间干涉→影响残余应力.

522).纵向残余应力σx

焊缝处σx→σs(拉应力)

3).横向残余应力σyσy=σy'+σy"

σy'—焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起

σy“—焊缝及其附近塑性变形区的横向收缩不同时引起

(5)减小焊接残余应力的措施

优化结构设计、调整焊接工艺1).设计措施核心:正确布置焊缝—避免应力叠加,降低应力峰值.

a.尽量减少焊缝的数量、截面尺寸、长度

b.避免焊缝过分集中、避免交叉、保证焊缝间的距离c.焊缝避开应力集中区d.采用刚性较小的接头形式2).工艺措施a.合理的焊接顺序和方向.基本原则:减小焊接时结构刚性—减小拘束度先短后长、先中央后两端、先焊大收缩量焊缝、先对接焊后角焊、先焊工作应力大的焊缝、交叉焊缝焊接顺序

b.缩小焊接区与结构整体之间的温差：整体预热、小线能量

c.锤击焊缝d.减小氢含量及消氢处理焊条：选碱性低氢型焊条和碱性焊剂—烘干后用焊接时：环境温度、坡口表面.焊后:消氢处理

e.局部加热造成反变形(6)消除焊接残余应力的方法1).必须消除焊接残余应力的场合考虑因素:构件用途、尺寸(特别是厚度)、材料、工作条件等.

a.厚度超过一定限度的压力容器与受压元件.

GB150-98《钢制压力容器》规定碳素钢厚度大于32mm、16MnR厚度大于30mm、15MnVR厚度大于28mm应做焊后热处理，其他低合金钢任意厚度均需进行焊后热处理.b.有应力腐蚀危险的结构c.盛装毒性为极度危害或高度危害介质的容器d.有发生脆断危险的厚截面复杂结构.

e.不消除残余应力难以保证加工精度的结构

2).焊后消除残余应力的方法

热处理法、加载法

a.焊后热处理目的：消除焊接残余应力、防止产生裂纹改善焊接接头的性能、提高塑性、降低硬度.原理：利用高温时材料屈服强度下降和蠕变现象，使焊接残余应力松弛.方法：整体法、局部法.

b.加载法

原理：力→焊接接头拉伸→残余应力区塑性伸长→松弛残余应力.

方法：机械拉伸法、温差拉伸法、振动法

71机械拉伸法：σmax≤σs

四、焊接结构的缺陷分析1.焊接缺陷的分类(1)一般分类

a.按缺陷位置分:内部缺陷、外部缺陷

b.按缺陷形状分:二元（平面）缺陷、三元（体积型）缺陷

c.按缺陷特征分:裂纹、夹渣、气孔、未焊透、未熔合、咬边等

d.按缺陷部位分:表面缺陷、埋藏缺陷、贯穿缺陷732.外部缺陷（1）形状缺陷—外观质量粗糙危害：应力集中、降低疲劳承载能力、影响美观(2)尺寸缺陷

焊缝几何尺寸不符标准危害：

尺寸过小—承载面减小

尺寸过大—削弱疲劳强度2.外部缺陷75（3）咬边—焊趾的母材部位产生凹陷或沟槽危害：减少母材的承载面、产生应力集中要求：咬边深度不大于0.5mm2.外部缺陷（4）弧坑—焊道末端形成低洼部分危害：弧坑处往往有气孔、夹渣、裂纹等缺陷允许深度：0.5mm2.外部缺陷（5）烧穿—穿孔

熔化金属从焊缝背面流出2.外部缺陷（6）焊瘤—熔化金属流淌到焊缝以外未熔化的母材上

所形成的金属堆积危害:

a.焊瘤下面往往伴随着未熔合、未焊透等缺陷

b.形状突变—应力集中

c.管内焊瘤影响介质的流通截面2.外部缺陷3.内部缺陷(1)气孔—溶解型气孔、反应型气孔位置:内部气孔、外部气孔分布:疏散气孔、密集气孔、连续气孔危害:密集气孔不允许存在，疏散气孔危害小产生原因：焊接电弧保护不好；焊条(剂)受潮，气体保护介质不纯；坡口清理不干净，有油、绣等杂质存在(2)夹杂—氧化物、硫化物、氮化物—焊接冶金反应产生危害:易引发裂纹,造成应力集中3.内部缺陷81(3)未焊透—接头根部未完全熔透而留下空隙的现象危害:减小有效承载面积,产生应力集中,易引发裂纹—评定时当作裂纹处理允许:未焊透允许存在,但其尺寸(长、深)均有严格限制3.内部缺陷(4)未熔合部位:焊道与母材间,焊道与焊道间危害:类似于裂纹—当作裂纹处理3.内部缺陷(5)

过热—组织结构缺损—过热组织、晶粒粗大危害:显著降低焊接接头的塑性和韧性措施:通过正火处理细化晶粒,改善接头性能(6)过烧—晶粒粗大、且晶间氧化危害:比过热危害程度更大,且无法通过热处理改善接头性能(7)裂纹—不允许存在分类:热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂3.内部缺陷4.裂纹(1).热裂纹—结晶裂纹、多边化裂纹、液化裂纹

接头冷却过程中温度处于固相线附近的高温区产生的裂纹，热裂纹主要发生在晶界，并在裂纹面上有氧化彩色，最常见的热裂纹沿焊缝中心的长度方向开裂，即纵向裂纹。4.裂纹特征产生部位：多数沿焊缝中心纵向开裂含杂质较多的碳钢、低合金钢、单相奥氏体钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝产生机理低熔点共晶形成液态薄膜：先结晶的纯，后结晶含杂质多，并富集在晶界拉伸应力影响因素冶金因素：晶粒越粗大，柱状晶方向越明显，倾向越大。化学成分的影响：C、S、P的影响最大，

其次是Cu、Ni、Si、Cr等。力学因素焊缝承受的拉伸应力在某一温度超过金属的晶间强度(1).热裂纹—结晶裂纹(1).热裂纹—结晶裂纹防止措施冶金因素：控制焊缝中C、S、P等有害杂质的含量

低碳钢和低合金钢的焊丝含碳量≤0.12%

焊接高合金钢时要求更高，甚至要求采用超低碳焊丝改善焊缝凝固结晶、细化晶粒加入Mo、V、Ti、Nb、Zr、稀土等细化晶粒元素焊接奥氏体不锈钢时，希望得到γ＋δ双相焊缝组织工艺因素—改善焊接时的应力状态焊接工艺及工艺参数适当增加焊接线能量和提高预热温度，可减小焊缝金属的应变率接头型式表面堆焊和熔深较浅的对接焊缝抗开裂性较高。熔深较大的对接和各种角接抗裂性较差。焊接次序

4.裂纹—冷裂纹(2)延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹特征产生时间：在焊接后较低的温度下产生的，有时在焊后立即出现，也有时要经过一段时间才出现，具有延迟特征。裂纹显微及断口形貌：沿晶和穿晶的混合形态；准解理、沿晶和少量韧窝产生钢种：高、中碳钢，低、中合金高强钢的焊接热影响区，某些超高强钢，钛及钛合金等的焊缝金属。产生部位：延迟裂纹主要发生在焊趾、焊接热影响区和焊缝根部。14MnMoVN钢根部冷裂纹4.裂纹—冷裂纹产生机理钢种的淬硬倾向取决于化学成分、板厚、焊接工艺和冷却条件等。钢种的淬硬倾向越大，越易产生裂纹硬脆、粗大的马氏体组织；热力不平衡的快冷条件下形成大量的晶格缺陷－空位和位错，发展为裂纹源焊接热影响区的最高硬度Hmax通常可作为识别淬硬程度的标志氢的作用熔合区形成富氢带：溶解度和扩散速度的博弈氢向微观缺陷的前沿(三向应力区)聚集氢在不同钢中的扩散速度有所不同钢种扩散系数

/cm2·s钢种扩散系数

/cm2·s低碳钢9×10-730CrMnSiA(中碳调质钢)3.2×10-7HT60、HT80(低合金高强钢)5×10-718-8不锈钢2.1×10-124.裂纹—冷裂纹产生机理焊接接头的应力状态热应力、金属相变产生的组织应力、结构自身约束条件造成的应力拘束应力越大，发生冷裂纹的倾向就越大。影响因素焊接线能量—最佳线能量太大，晶粒粗大太小，冷度速度快，淬硬，不利于氢的逸出预热--合理的选择预热温度预热可以减缓工件焊后的冷却速度，并有利于氢的扩散逸出，是防止淬硬和冷裂的重要措施。焊后后热焊后进行紧急后热，可使扩散氢充分逸出，在一定程度上有降低残余应力的作用，也可适当改善组织，降低淬硬性。多层焊对前层有消氢和改善热影响区组织的作用尽可能严格控制层间预热温度或后热温度(2).

冷裂纹防止措施冶金方面冶炼技术上提高钢材的品质。低碳多种微量合金元素强化选用优质的低氢焊接材料和低氢的焊接方法，如CO2气体保护焊严格控制氢的来源。烘干焊条，除油、绣等工艺方面预热温度的选择后热温度的选择根据钢种碳当量、扩散氢含量、结构的拘束度计算。

习题何为承压设备？何为压力容器？列举几种压力容器的分类方法。从安全管理的角度，压力容器如何分类？对于分类的影响因素有哪些？压力容器选材时，应考虑材料的哪些性能？耐压试验的目的？什么时候进行耐压试验？耐压试验有哪几种类型？如何选取耐压试验的压力？耐压试验的合格标准如何？压力容器的年度检查包括哪些内容？检查重点是什么？压力容器的全面检验包括哪些内容？影响压力容器安全状况的因素有哪些？论述安全状况等级的评定原则？简要论述压力容器的安全设计包括哪些方面？在进行压力管道检验时，应重点关注管道的哪些部位？焊接裂纹有哪几种类型？举2种裂纹类型说明其特征及形成机理谢谢大家！案例1-液化石油气球罐焊接裂纹分析1.失效概况：

本案例的焊接结构为存放液化石油气的球形容器，直径为17.5m，壁厚为35mm。设计压力0.15MPa，水压试验在1.5倍于设计压力下进行。采用537ClassI型结构钢，正火态，其名义化学成分和力学性能分别列于表2B-1、表2B-2。容器采用手工电弧焊，双V型坡口。

该容器在服役5年后，在常规检查中发现在球壳对接主焊缝存在埋藏裂纹，修复后在补焊部位又重新出现裂纹，本案例主要分析该裂纹的属性和成因。2.失效分析

2.1无损探伤采用超声波方法进行无损探伤，裂纹的分布如图所示。从图中可以看出，裂纹长度在25～100mm之间，所有的裂纹均出现在焊缝区域，且靠近焊缝边缘，距离焊缝边界小于10mm的范围内。右图为焊缝横截面简图，图中给出了裂纹的位置及截面不同厚度位置焊缝的宽度，在整个厚度方向上，焊接热影响区（HAZ）的宽度均为2.5mm左右。基于超声检测得到的大部分裂纹的实际位置亦示于图中，从图中可以看出，大部分的裂纹均位于距离内表面大约15～20mm深处，且多位于HAZ或靠近HAZ的母材位置，即使完全位于焊缝区域的裂纹也集中在靠近焊缝和HAZ的边界区域。2.2组织分析

图2B-3给出了母材、HAZ及焊缝区域的组织。图2B-3(a)母材的组织为典型的铁素体/珠光体组织，垂直于焊缝方向有明显的珠光体条带组织，铁素体晶粒的直径在10～12μm之间。图2B-3(b)中HAZ（靠近母材侧）的组织为等轴铁素体/珠光体组织。HAZ（靠近焊缝侧）即图2B-3(c)处还存在一些板条状马氏体组织。图2B-3(d)、(e)焊缝组织为多边形铁素体，珠光体，细小针状铁素体组织，基体上分布着碳化物。2.3硬度测试图2B-4为母材、HAZ及焊缝区域的维氏硬度分布。各部位的平均硬度列于表2B-3，从表中可以看出，HAZ的硬度明显大于母材和焊缝。2.4.力学性能测试拉伸性能测试：

拉伸性能测试结果列于表2B-4，表中数据均为平均值。焊接接头试样的断裂位置均发生在母材，说明焊缝的强度较高。

冲击韧度测试：采用夏比V型缺口试样。分别进行了母材、焊缝和HAZ三个部位室温下的冲击韧度测试。测试结果为：母材190J，焊缝148J，HAZ118J。2.5裂纹轨迹线的显微组织分析

图2B-5为裂纹(该裂纹完全位于HAZ)轨迹线上的显微组织。图2B-5(a)为裂纹在HAZ的铁素体细晶粒区扩展，为穿晶裂纹。图2B-5(c)~(e)中可以明显的看出二次裂纹，还存在一些沿晶裂纹。结论：

1.本案例中，裂纹均位于HAZ，具有穿晶和沿晶混合特征；HAZ的硬度高、延性和韧度低；且HAZ具有高的裂纹指数0.425和高的碳当量0.51，可以判定裂纹的性质为冷裂纹。

2.采取控制焊接参数，减少焊缝中氢的含量，进行预热和焊后消氢处理，可以避免延迟开裂。补焊时必须严格执行各项工艺措施，并最终做消除残余应力处理。今后设计制造时更应选择低碳低合金钢等措施即可避免裂纹的产生。4.裂纹—再热裂纹(3)消除应力处理裂纹、再热裂纹特征产生部位：焊接热影响区的粗晶部位并呈晶间开裂。沿粗晶晶界扩展，遇细晶停止。断口形貌：沿晶断口存在应力集中存在敏感温度区：奥氏体不锈钢和一些高温合金约为700～900℃沉淀强化的低合金钢约在500～700℃。产生钢种：含有一定沉淀强化元素的金属材料具有敏感性4.裂纹—再热裂纹产生机理焊后再热处理时，残余应力发生松弛，粗晶区应力集中部位的晶界滑动变形量超过了该部位的塑性变形能力，从而产生再热裂纹。晶界杂质析集弱化理论钢中P、S、Sb、Sn、As等元素，在500～600℃再热处理过程中向晶界析集，大大降低了晶界的塑性变形能力。与钢的回火脆化机理相似。晶内二次强化理论含有沉淀强化元素的钢种，Cr、Mo、V、Ti、Nb等元素的碳化物、氮化物以及镍基合金中的沉淀相，在一次焊接热作用下因受热而固溶(高于1100℃)，在焊后冷却时不能充分析出，而在二次加热再热处理过程中，由晶内析出这些碳、氮化物及沉淀相，从而晶内强化。蠕变开裂理论再热过程中，应力松弛，蠕变现象，蠕变断裂理论4.裂纹—再热裂纹影响因素及防治措施冶金因素Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素，增加钢的再热裂纹敏感性ΔG=[Cr]+3.3[Mo]+8.1[V]-2当ΔG＞0时，再热裂纹敏感ΔG'=[Cr]+3.3[Mo]+8.1[V]+10[C]-2当ΔG'≥2时，再热裂纹很敏感，ΔG'<1.5时则不敏感。PSR＝[Cr]+[Cu]+2[Mo]+5[Ti]+7[Nb]+10[V]-2％

当PSR≤0时，再热裂纹不敏感。晶粒度越大，越易产生再热裂纹焊接工艺因素焊接方法、预热及后热的影响选用低匹配的焊接材料降低残余应力，避免应力集中案例2-锅炉筒体焊缝中裂纹的失效分析1.失效概况

一发电厂的锅炉筒体由中间7段圆柱筒节和上、下圆盖组成，中间7段圆柱筒节均由3块钢板焊接而成，所有的轴向焊缝均采用双V坡口，相邻两个筒节的轴向焊缝环向错开，避免形成连续的焊缝。上圆盖由两个环组成，分别由4块和6块钢板焊接而成，下圆盖由6块板焊接而成。锅炉壁为低合金钢板，材质为BW87A，其名义化学成分列于表2C-1，热处理状态为正火加回火。

该锅炉已在375℃下平稳运行188000h。于常规检查时，磁粉探伤发现锅炉，在6B、7B焊缝(焊缝6B是指第6筒节连接A、C两块钢板的轴向焊缝)的外表面、6/7筒节之间环焊缝靠近筒节7侧的熔合线存在裂纹。随后的超声波探伤结果表明在25mm深处存在4m长的层下裂纹。1.失效概况2.失效分析思路裂纹形成原因的分析分两个阶段进行：阶段1，现场分析和有限的取样分析，初步分析焊缝和裂纹部位的显微组织情况。阶段2，切取大量的试样分析，集中进行裂纹形成的各种原因分析：(1).从发生裂纹和未发生裂纹的钢板分别挖取半球形试样进行裂纹敏感性分析。(2).从所有的焊接接头裂纹处切取船形试样，进行裂纹启裂和扩展机制的研究。3.失效分析方法 (1).试样切取方法

从指定位置切取半球形和船形试样。半球形试样的直径为25mm，最大深度为4mm。船形试样的切取要考虑包含焊缝和相应裂纹的特征尺寸，其深度最大可达25mm，平行于焊缝轴向切取。 (2).实验手段 现场采用复膜金相分析显微组织，采用便携式硬度检测仪测定显微硬度；

俄歇电子能谱(AES)方法分析晶界的化学成分，电子显微探针(EPMA)分析原始材料的化学成分； 从母材和焊缝金属中切取直径为3mm的薄片，进行透射电镜(TEM)分析；扫描电镜(SEM)进行断口分析；采用金相显微镜测量氧化层的厚度。实验结果分析4.1显微组织分析锅炉的所有组成6、7两筒节6块钢板的复膜金相组织均为铁素体基体上分布着回火贝氏体(40%体积比)，晶粒尺寸30μm，如图2C-2所示。该组织为这种成分钢板(开裂与不开裂)经正火＋回火处理后的典型组织。

复膜金相结果表明，裂纹位于热影响区的粗晶区或者靠近熔合线的焊缝部位，为沿晶裂纹。裂纹尖端扩展路径均为沿晶，且和晶界空洞有关（空洞在HAZ粗晶区更为明显）。当裂纹位于焊缝时，微裂纹和空洞均在靠近HAZ处出现。裂纹由间断的晶界空洞连接而成，类似蠕变机制。但是，锅炉在≤400℃条件下服役，不可能发生蠕变，初步判断有可能为在焊后热处理过程中引发的消除应力裂纹(SRC)。从6/7筒节间环焊缝两侧的熔合线处切取150mm长，最大深度为13mm的船形试样。6/7筒节间环焊缝6侧的裂纹如图2C-3所示，裂纹均在靠近熔合线的HAZ粗晶区。处于HAZ的裂纹明显具有沿晶特征，且裂纹仅在粗晶区出现，如图2C-4所示。4.2化学成分

EPMA分析结果表明，母材和焊缝的化学成分均符合标准规定。4.3硬度6/7筒节间环焊缝的硬度在226-241HV之间。筒节7侧HAZ粗晶区和细晶区的硬度分别为300HV和270HV，其值明显大于筒节6侧HAZ粗晶区的最大值(243HV)，为进一步的确定两者间的差异，对6、7筒节所有的轴向和环向焊缝均进行了硬度测量。轴向焊缝HAZ硬度在159-308HV之间，环焊缝HAZ硬度在207-286HV之间，同一焊缝两侧的HAZ确实存在明显的差异。焊缝的硬度在236-250HV之间。总体来说，HAZ硬度较高。4.4氧化层厚度对于大多数的连续裂纹，从外表面沿深度方向氧化层的厚度一致，说明裂纹暴露在氧化环境中的时间一致，筒节6侧氧化层的厚度为35-40μm，筒节7侧氧化层的厚度为25-30μm。 根据氧化层的厚度计算公式(空气中氧化)：

t＝x2/P 式中，t为暴露时间，x为氧化层厚度，P为常数。计算得到，在服役的初始阶段，375℃下可以形成11.8μm厚的氧化层。根据计算结果可以认为，氧化层的暴露时间与锅炉的服役时间一致，即裂纹在锅炉服役前已经形成。两侧氧化层厚度的差异可能是由于两块钢板化学成分的微小差异或其它原因造成的。4.5 断口

通过扫描电镜观察断口，裂纹均为沿晶扩展，其余细节均被表面氧化物遮盖。含有裂尖的断口在HAZ粗晶区晶界上存在空洞，如图2C-5所示。4.6半球形试样—阶段2

TEM分析结果提供了更多细节，其中板材(母材)组织为等轴铁素体和回火贝氏体。除M3C型碳化物外，还存在板条状MC型碳化物，如图所示，能谱显微分析结果表明，含有V和Mo，重量比为1:1。

采用AES方法测量发生脆断的钢板和HAZ试样沿晶断裂区域的成分组成。图2C-6(c)、(d)分别为断面的二次电子图像和相应的P分布图。HAZ，P的含量在0.15-0.25之间，杂质元素聚集在铁素体晶粒边界，促进蠕变空洞的形成。4.7 船形试样—阶段2 对每个船形试样横截面中心位置做金相检查。结果表明，几乎所有裂纹均在靠近熔合线的HAZ，仅有少量裂纹位于焊缝区域。尽管很难确定主裂纹的路径，细小裂纹和二次裂纹均具有明显的沿晶特征，且存在晶界空洞。随着深度的增加，裂纹逐渐变细且不连续，最终止于HAZ细晶区。5.分析讨论

从前面的裂纹显微组织分析和断口分析可以看出，锅炉环焊缝中的裂纹均首先发生在HAZ的粗晶区，而后在深度方向产生断续的沿晶裂纹，晶界存在直径小于2μm的空洞，这些均为SRC的特征。焊接残余应力释放引起的晶界滑移，导致裂纹的产生。 SRC的敏感性受应力、材料微观组织和热处理三个因素的共同影响，下面对上述因素逐一进行分析。5.1热处理 在工厂进行消除应力热处理的温度为600-650℃，现场的焊缝在600℃下进行热处理，两种情况下均出现裂纹。对于低合金铁素体钢，在绝对熔点的一半温度即630℃条件下，蠕变延性较低。5.2微观组织

（1）低合金铁素体钢对于SRC的敏感系数可以通过如下的经验公式计算：S*=Cr+3.3Mo+8.1V-2 （2）对于氢致裂纹的敏感性，可以采用碳当量Ce进行评价：Ce=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15 该公式为国际焊接学会推荐的碳当量计算公式，主要适用于中等强度的非调质低合金钢。 （3）通过计算可知，发生裂纹钢板的氢致裂纹和再热裂纹敏感性并不比其余板高。5.3应力

焊接接头区域存在两种应力：一种在焊接过程中产生。另一种在焊后热处理局部加热过程中产生(图2C-7)。两种应力的合力在外表面下几个毫米处达到最大的拉应力值，该部位也是裂纹最易于发生的部位。在高应力、高塑性应变速率和温度较高的条件下，当达到临界应力，空洞将在晶界第二相粒子处成核。对于SRC不敏感的铁素体钢焊缝，蠕变变形过程产生的应变积累通过晶粒间的晶界滑移、