加釩鋼容器下過(guò)渡段與裙座筒體焊接裂紋分析

劉杰，廖桂新

（德陽(yáng)市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，四川 德陽(yáng) 618000）

目前，大型加氫反應(yīng)器選用的主體材料一般為2.25Cr1Mo-0.25V，此種材料相比以前的Cr-Mo鋼焊接性較差，但具有優(yōu)良的耐熱性、高溫抗腐蝕性能以及力學(xué)性能。所以，隨著加氫反應(yīng)器使用材料的發(fā)展進(jìn)步，制造過(guò)程中對(duì)焊接工序提出了更高的要求。在某臺(tái)容器產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，該焊縫焊接完后產(chǎn)生了很多裂紋，嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)工序的推進(jìn)。

1 大型鍛焊壓力容器概況

主體材料為2.25Cr1Mo-0.25V大型加氫反應(yīng)器中，殼體部分（包括上封頭+上過(guò)渡段+筒體+下過(guò)渡段+下封頭）均為鍛件，與之相焊的裙座筒體（Ⅱ）為同材質(zhì)的鋼板卷制而成。該產(chǎn)品殼體外徑φ4449mm，最小壁厚δ=217mm，容器總重580t?，F(xiàn)殼體部分已經(jīng)裝焊完成，之后組焊裙座筒體（Ⅱ）與下過(guò)渡段，其外徑與殼體相同，用同材質(zhì)66mm厚的鋼板卷制而成，如下圖1。

圖1 某臺(tái)加氫反應(yīng)器裝焊過(guò)程簡(jiǎn)圖

裙座筒體（Ⅱ）卷制完成后縱縫先進(jìn)行點(diǎn)焊固定，然后，通過(guò)工裝吊耳與殼體下過(guò)渡段組裝。下過(guò)渡段坡口有一圈寬24mm的直邊（厚度4mm），裙座筒體（Ⅱ）裝配時(shí)將其卡緊。裝配后，采用焊條電弧焊進(jìn)行點(diǎn)焊固定，這樣裙座筒體（Ⅱ）與下過(guò)渡段之間就形成“V”形坡口，之后采用埋弧焊進(jìn)行焊接。焊接完成后，將直邊氣刨去除，打磨平滑，最后再焊接裙座筒體（Ⅱ）上的縱縫。

2 裂紋的形貌、位置分析

在某臺(tái)容器的實(shí)際生產(chǎn)中，該環(huán)焊縫按工藝進(jìn)行消氫后，出現(xiàn)很多裂紋，且肉眼可見(jiàn)，垂直于焊縫方向，為橫向裂紋，長(zhǎng)度約80mm，共8處，無(wú)規(guī)則地分布在環(huán)焊縫圓周上，貫穿于整個(gè)焊縫寬度。在清除裂紋的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)裂紋延伸到焊縫根部。如下圖2、圖3所示（圖3是圖2中裂紋局部放大圖）。

圖2 產(chǎn)生裂紋的焊縫

3 裂紋產(chǎn)生原因分析

3.1 母材的特殊性

此前，該廠生產(chǎn)的容器產(chǎn)品母材大多數(shù)為16MnR或2.25Cr1Mo。前者材料焊接性非常好，焊接工藝參數(shù)范圍大，且一般不會(huì)產(chǎn)生裂紋；后者材料焊接性也較好，焊接過(guò)程中注意預(yù)熱溫度、焊接層間溫度以及焊后熱處理等，產(chǎn)生裂紋傾向也不大。

圖3 焊縫裂紋

現(xiàn)在該廠生產(chǎn)的加氫容器母材一般都為2.25Cr1Mo-0.25V，相比上述2.25Cr1Mo材料，加入了金屬元素”V”。在增加了母材耐熱性和高溫抗腐蝕性的同時(shí)，使材料本身的焊接性變差，即焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋（特別是熱裂紋、冷裂紋及再熱裂紋）傾向大大增加，如果焊前裝配不當(dāng)或焊接過(guò)程中溫度控制不好都會(huì)引發(fā)裂紋的出現(xiàn)。

3.2 焊接工藝參數(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，原工藝對(duì)下過(guò)渡段與裙座焊縫采用的焊接工藝如下表1所示。該焊接規(guī)范與之前做的焊接工藝評(píng)定中參數(shù)并無(wú)區(qū)別，由此可見(jiàn)，采用的焊接工藝參數(shù)是符合要求的，關(guān)鍵是該焊縫在焊接過(guò)程中工藝執(zhí)行情況是否嚴(yán)格。

表1 下過(guò)渡段與裙座焊縫的焊接工藝參數(shù)

（1）焊接材料選用。在焊接過(guò)程中，使用的焊材為德國(guó)進(jìn)口的蒂森埋弧焊絲和配對(duì)的焊劑，焊材入庫(kù)的復(fù)驗(yàn)結(jié)果均符合相應(yīng)技術(shù)條件。但是，在焊接的過(guò)程中，焊縫成型不是很美觀，焊道脫渣也較困難，尤其是焊道兩邊的熔合線部位，容易造成夾渣的焊接缺陷，為下道焊縫熔合埋下病根，引起裂紋的產(chǎn)生。（2）焊接過(guò)程中溫度控制。工藝要求采用天然氣加熱的方式進(jìn)行焊前預(yù)熱和保證焊接層間溫度。按照以前操作人員的加熱方法，使用約為筒體1/6的圓弧形加熱工裝，在底部中心圓周上進(jìn)行加熱，在焊接過(guò)程中，筒體在慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，加熱工裝不能覆蓋全部焊縫，會(huì)影響焊縫在圓周方向受熱均勻性。

3.3 多種內(nèi)應(yīng)力的影響

焊縫的焊接過(guò)程中，存在著拘束應(yīng)力、熱應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力，這些都是影響焊縫的重要因素。（1）受拘束力。下過(guò)渡段為鍛件，所有尺寸都是通過(guò)立車機(jī)械加工符圖，而裙座是由采購(gòu)的同材質(zhì)鋼板下料，在三輥卷板機(jī)上卷制成型，坡口也是在鋼板下料時(shí)數(shù)控氣割而成。鋼板成型時(shí)，必然會(huì)存在一定的橢圓度，在與下過(guò)渡段裝配后，裙座筒體（Ⅱ）限制了焊接過(guò)程中下過(guò)渡段的自由收縮，受拘束度較大。在裙座筒體與下過(guò)渡段裝配完后，在焊縫背面采用焊條點(diǎn)焊固定，之后直接進(jìn)行埋弧自動(dòng)焊接。下過(guò)渡段直邊厚度只有4mm，在進(jìn)行埋弧自動(dòng)打底焊接時(shí)，由于結(jié)構(gòu)限制及焊接應(yīng)力的存在，第一層打底焊后很容易產(chǎn)生微裂紋，且焊接操作者無(wú)法看見(jiàn)。（2）熱應(yīng)力。該焊縫是相同厚度的鍛件和鋼板相連接，材質(zhì)相近，雖然下過(guò)渡段鍛件壁厚存在一定長(zhǎng)度的過(guò)渡區(qū)，但是，焊接受熱時(shí)，熱膨脹速度仍有一定差異。另外，雖然鋼的牌號(hào)都一樣，但鍛件的化學(xué)成分和各種物理性能與采購(gòu)的鋼板也存在較大區(qū)別，所以，使得下過(guò)渡段與裙座筒體的線膨脹系數(shù)存在差異。熱膨脹的不同會(huì)引起更大的熱應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述分析，加釩鋼壓力容器在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程中，下過(guò)渡段與裙座焊縫的裂紋主要是由于焊前裝配（點(diǎn)焊固定）、焊接材料以及焊接過(guò)程中溫度的控制造成焊縫缺陷所致。在后續(xù)產(chǎn)品的制造中，我們主要做了以下改進(jìn)。

（1）根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況，使用更好的焊材，使焊縫成型優(yōu)良，容易脫渣。

（2）采用圖8中改進(jìn)后的裝焊方式，小焊條多道多層焊打底，打底焊過(guò)程中，不允許焊條做橫向擺動(dòng)，盡可能采用小電流焊接，之后將焊縫打磨圓滑。

（3）在加熱時(shí)，盡量使整條圓周焊縫受熱均勻。

經(jīng)過(guò)以上措施的實(shí)施，后續(xù)過(guò)渡段與裙座筒體的焊縫未出現(xiàn)過(guò)裂紋，大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。