封頭裂紋的原因探究

謝 婧

陜西化建設(shè)備制造公司 陜西楊凌 712100

2014 年7月28日接到延安石化廠投訴：2013年1月份設(shè)備制造廠制作的三大升級改造項目中的1.0Mpa蒸汽分水器，規(guī)格：Φ700×12×900，材質(zhì)：Q245R，在運行半年后下封頭處發(fā)生泄漏，且漏點較多，建議更換封頭。 該設(shè)備拉回后對切割下來的封頭進行了PT檢測檢測， 發(fā)現(xiàn)該封頭過渡區(qū)有很多縱向穿透性裂紋，如圖1所示。 更換的封頭與筒體焊接完畢后，超聲波檢測發(fā)現(xiàn)焊縫熱影響區(qū)（靠近筒體側(cè)） 有一條裂紋， 深度7～8mm,從里向外延伸，長度約為圓周的1/3左右。

圖1 原封頭的裂紋（紅色的條紋）

1 原因分析

1.1 筒體側(cè)熔合線處的裂紋

有問題的封頭用氣割的方式從原焊縫中心切除， 筒體邊沿還保留部分焊肉，該部位重復(fù)受熱，過燒，晶粒粗大，導(dǎo)致此處變脆發(fā)生裂紋。

原封頭與殼體組對時可能存在強行組裝，應(yīng)力較為集中。

1.2 原封頭出現(xiàn)的裂紋

裂紋出現(xiàn)的位置在封頭過渡段，也是焊接后的熱影響區(qū)，且為徑向裂紋，排除了焊接過程產(chǎn)生的可能性，所以對有裂紋的封頭取樣，進行力學(xué)性能、化學(xué)成分、硬度檢測以及金相分析，結(jié)果如表1所示。

同時對新購買的封頭及原設(shè)備的上封頭也做了硬度檢測， 新 購 封 頭HB ：149、180、156、157、160，原設(shè)備的上封頭HB：164、168、174、173、170。

以上檢測數(shù)據(jù)顯示， 該封頭采用的材料符合GB713中Q245R的要求。

圖2 焊后筒體側(cè)裂紋

1.3 金相分析

在封頭裂紋處及未發(fā)現(xiàn)裂紋處各取試樣一件， 拋磨后在金相顯微鏡下放大200倍和500倍進行觀察， 金相組織均顯示為珠光體+鐵素體，未發(fā)現(xiàn)其他脆性較高的組織。

1.4 分析結(jié)果

綜合上述檢測結(jié)果出現(xiàn)裂紋的原因為：

（1） 原封頭采用冷沖壓成型，成型過程中有冷作硬化現(xiàn)象，有殘余應(yīng)力存在，從對方提供的消應(yīng)力報告及曲線圖上顯示，與該設(shè)備的封頭同爐熱處理的有20多件，由于熱處理時擺放的位置、 距加熱口距離等原因， 有可能個別封頭熱處理時受熱不均勻、局部溫度未達(dá)到消應(yīng)力所需的溫度，內(nèi)應(yīng)力未消除。 該設(shè)備的兩個封頭采用的材料是同一個批號、 壓制工藝以及熱處理工藝都相同， 使用一段時間后上封頭未出現(xiàn)裂紋， 下封頭出現(xiàn)裂紋，充分說明熱處理時同爐熱處理的封頭數(shù)量過多、擺放位置不合理導(dǎo)致個別封頭殘余應(yīng)力沒有消除， 使用過程中由于振動等原因?qū)е铝鸭y出現(xiàn)。 重新購買的封頭經(jīng)退火處理后， 硬度檢測HB：110、137、130、127，這個數(shù)據(jù)明顯低于上邊未做退火處理的封頭檢測數(shù)據(jù)，這點也證明了原封頭存在殘余應(yīng)力。

表1 封頭取樣分析結(jié)果

圖3 金相分析照片

（2） 該封頭在加工過程中鋼板邊緣出現(xiàn)加工硬化現(xiàn)象。 由于被沖壓的各部分變形程度不同，加工硬化的效果也不一樣，各個部位硬度不一樣。 金屬材料在再結(jié)晶溫度以下塑性變形時強度和硬度升高，而塑性和韌性降低的現(xiàn)象。 產(chǎn)生的原因是，金屬在塑性變形時，晶粒發(fā)生滑移，出現(xiàn)位錯的纏結(jié)，使晶粒拉長、破碎和纖維化，金屬內(nèi)部產(chǎn)生了殘余應(yīng)力等。

2 吸取的教訓(xùn)

按照GB25198-2010《 壓力容器封頭》規(guī)定：對于整板及先拼后成型的鋼制球形封頭、橢圓封頭、蝶形封頭、平底封頭封頭在冷成型后要進行熱處理，是很有必要的，有些封頭廠以及我們的技術(shù)人員對標(biāo)準(zhǔn)學(xué)習(xí)欠缺， 不清楚冷成型的封頭要求做熱處理， 封頭廠不做消應(yīng)力處理直接出廠， 檢驗員驗收時只對其外觀、幾何尺寸進行檢驗，核查資料文件齊全，并未到現(xiàn)場查驗實物是否做過消應(yīng)力處理，為生產(chǎn)埋下了隱患，建議壓力容器制造廠采購封頭時在協(xié)議中注明成型方式以及具體要求， 避免類似事件再發(fā)生。

1 GB25198-2010《 壓力容器封頭》

2 GB150-2011《 壓力容器》

3 《 金屬材料學(xué)》