蒸汽流量孔板焊縫開裂原因分析及對(duì)策

李建奎

（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305）

蒸汽流量孔板焊縫開裂原因分析及對(duì)策

李建奎

（唐山三友氯堿有限責(zé)任公司，河北 唐山 063305）

本文從焊接材料、焊接工藝等方面分析了蒸汽流量孔板焊縫開裂的主要原因，以及異種鋼焊接的防裂紋措施。

舍夫勒組織圖；異種鋼焊接；脆性斷裂；馬氏體

我公司蒸汽主管在系統(tǒng)大修時(shí)新增了一個(gè)DN600的蒸汽流量孔板，工作介質(zhì)為過熱蒸汽，壓力為0.5MPa，溫度為180℃，流量孔板與管道采用焊接方式聯(lián)結(jié)，使用4天后在環(huán)形焊縫中間產(chǎn)生了400mm長(zhǎng)的縱向裂縫，通過舍夫勒組織圖對(duì)焊縫金屬進(jìn)行分析，確定焊縫的組織狀態(tài)，查找焊縫開裂原因。

1 流量孔板的焊接及開裂形式

蒸汽主管上DN600的蒸汽流量孔板，流量孔板與管道焊縫接頭圖如圖1所示。

圖1 流量孔板示意圖

流量孔板環(huán)形焊縫的焊接是屬于異種鋼的焊接，本次焊接采用手工電弧焊，第一層用A312焊條，第二層至蓋面用J422焊條，焊縫熔合比示意圖如圖2所示。

WI.第一層焊縫、填充金屬所占比例（%）W2.第二層焊縫、填充金屬所占比例（%）B1、B2、B3.焊縫中、母材所占百分比（%）圖2 母材熔合比

根據(jù)流量孔板環(huán)形焊縫開裂的時(shí)間、部位、外觀特征等可確定其屬于脆性斷裂。脆性斷裂是一種低應(yīng)力破壞現(xiàn)象，脆斷時(shí)應(yīng)力一般不高于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)力，而且斷裂前沒有或只有少量的塑性變形，裂紋可瞬時(shí)擴(kuò)展至整體，突然性比較強(qiáng)，潛在危害大。焊縫金屬韌性不足是造成脆性斷裂的一個(gè)重要原因，焊縫金屬的韌性決定于其組織狀態(tài)。本文重點(diǎn)分析化學(xué)成分對(duì)焊縫金屬韌性的影響。

2 第一層焊縫金屬的化學(xué)成分及組織狀態(tài)分析

由圖1和圖2可知，環(huán)形焊縫金屬是由短節(jié)（Q235-A）、孔板（1Cr18Ni9Ti）兩種不同類型的母材以及填充金屬W1、 W2融合而成。第一層焊縫金屬是由Q235-A，1Cr18Ni9Ti，以及填充金屬W1組成。Q235-A不含合金元素，對(duì)焊縫金屬中的合金具有稀釋作用，使焊縫中的強(qiáng)奧氏體化學(xué)元素Ni含量減少，如果焊條選用不當(dāng)，工藝不合理，焊縫中將出現(xiàn)一定量的馬氏體組織，避免焊縫金屬中出現(xiàn)馬氏體組織，是制定焊接工藝的首要原則。根據(jù)焊條熔敷金屬和母材金屬的化學(xué)成分及熔合比，可以計(jì)算出焊縫金屬的當(dāng)量成分，并可利用舍夫勒組織圖來確定其組織狀態(tài)（如圖3）。

A.奧氏體 B.馬氏體 F.鐵素體Cr當(dāng)量=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb Ni當(dāng)量=Ni+30C+0.5Mn圖3

表1

表2

2.1 選用A102焊條焊縫金屬的組織狀態(tài)

Q235-A，1Cr18Ni9Ti鉻、鎳當(dāng)量值見表1。各焊條金屬的當(dāng)量成分見表2。

如果兩種母材熔化量相同，此時(shí)的稀釋率既為50%，熔合后的金屬當(dāng)量成分為：Cr當(dāng)量=0.5X0.53+0.5X18.79=9.66（%）；Ni當(dāng)量=0.5X5.62+0.5X11.42=8.52（%）；相當(dāng)于舍夫勒組織圖中C點(diǎn)成分金屬，其組織為馬氏體。當(dāng)采用A102焊條焊接時(shí)，焊縫金屬是由C點(diǎn)當(dāng)量成分的金屬與A102焊條熔敷金屬熔合而成。當(dāng)母材熔合比為40%時(shí)，焊縫金屬當(dāng)量成分為：Cr當(dāng)量=15.8（%）；Ni當(dāng)量=10.1（%），相當(dāng)于圖3中f點(diǎn)成分金屬，其組織為奧氏體+馬氏體。通過分析表明采用A102焊條焊接時(shí)焊縫中將不可避免地產(chǎn)生脆硬的馬氏體。馬氏體含量可高達(dá)50%左右，焊縫金屬韌性將嚴(yán)重下降。

2.2 選用A312焊條時(shí)焊縫金屬的組織狀態(tài)

A312焊條金屬的當(dāng)量成分為圖3中的e點(diǎn)，其組織為奧氏體+7～8%的鐵素體，此時(shí)的焊縫由C點(diǎn)金屬與A312焊條金屬熔合而成。當(dāng)熔合比為40%時(shí)，Cr當(dāng)量=19.97（%），Ni當(dāng)量=13.82（%），相當(dāng)于圖3中i點(diǎn)成分金屬，其組織為奧氏體。當(dāng)熔合比為30%時(shí)，Cr當(dāng)量=21.7（%）；Ni當(dāng)量=14.7（%），相當(dāng)于圖3中h點(diǎn)成分金屬，其組織為奧氏體+2～3%的鐵素體，具有較高的抗裂性能。如上分析可知，在進(jìn)行流量孔板環(huán)形焊縫焊接時(shí)，打底焊縫應(yīng)選用A312焊條，且熔合比在30%時(shí)可保證焊縫具有良好的韌性及抗裂性能。

3 第二層焊縫的化學(xué)成分及組織狀態(tài)分析

3.1 選用J422焊條時(shí)焊縫組織狀態(tài)

第二層焊縫由Q235—A，J422焊條以及圖3中h點(diǎn)金屬所組成。當(dāng)熔合比在30%～40%時(shí)， Cr當(dāng)量=4.64（%）；Ni當(dāng)量=6.01（%），相當(dāng)于圖中k點(diǎn)成分的金屬。由圖中可以看出，此時(shí)焊縫組織為脆硬的馬氏體組織，其韌性嚴(yán)重下降，在使用過程中極易引起焊縫產(chǎn)生脆性斷裂。

3.2 選用A312焊條時(shí)焊縫組織狀態(tài)

第二層焊縫由Q235—A，A312焊條以及圖3中h點(diǎn)金屬所組成。當(dāng)熔合比在40%時(shí)，Cr當(dāng)量=20.56（%），Ni當(dāng)量=14.47（%），相當(dāng)于圖中g(shù)點(diǎn)成分的金屬。其組織為奧氏體，不利于提高焊縫金屬的抗裂性能。當(dāng)熔合比在30%時(shí)， Cr當(dāng)量=22.1（%）；Ni當(dāng)量=15.19（%），相當(dāng)于圖中M點(diǎn)成分的金屬，其組織為奧氏體+2～3%的鐵素體，金屬的塑性、韌性良好，具有良好的抗裂性能。

4 分析結(jié)論與改進(jìn)效果

通過分析，流量孔板環(huán)形焊縫裂紋的原因主要是第二層至蓋面焊條選擇不當(dāng)，簡(jiǎn)單的認(rèn)為第一層A312焊條，已保證了孔板與管道的焊接性能，第二層至蓋面焊接的是Q235—A管道，采用J422焊條以降低焊接成本和提高焊接速度。后來流量孔板修復(fù)焊接時(shí)，我們調(diào)整了焊條型號(hào)，全部采用A312焊條焊接，一次焊接成型，使用效果良好。實(shí)踐證明，異種鋼Q235-A和1Cr18Ni9Ti的焊接必須采用A312焊條焊接才能獲得優(yōu)良的抗裂性能。以后在焊接實(shí)踐中，針對(duì)異種鋼的焊接，制定焊接工藝和選擇焊條時(shí)一定要做好組織分析。

[1]田錫唐主編.焊接結(jié)構(gòu)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1989,47～49 .

[2]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)(第二卷)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001,807.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)(第一卷)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001,225 .

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