鋼制鍋爐壓力容器筒節(jié)縱焊縫端部產(chǎn)生裂紋的原因及其預(yù)防措施

【摘要】在采用埋弧自動(dòng)焊焊接鋼制鍋爐壓力容器筒節(jié)時(shí)，時(shí)常發(fā)現(xiàn)縱焊縫端部產(chǎn)生裂紋。本文通過分析裂紋產(chǎn)生的原因，采取有效預(yù)防措施，消除了裂紋產(chǎn)生。

【關(guān)鍵詞】鋼制鍋爐壓力容器；筒節(jié)縱焊縫端部；裂紋；原因；預(yù)防措施

《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》將涉及生命安全、危險(xiǎn)性較大的鍋爐、壓力容器定義為特種設(shè)備。

特種設(shè)備是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，是與人民群眾生活密切相關(guān)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛應(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民群眾生活的各個(gè)領(lǐng)域。一旦發(fā)生事故，將會(huì)造成嚴(yán)重的人員傷亡及重大財(cái)產(chǎn)損失。

特種設(shè)備關(guān)系到保障人民生命安全，也關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)運(yùn)行安全和社會(huì)穩(wěn)定，是公共安全的重要組成部分。

國家對特種設(shè)備一直實(shí)行許可證管理制度，由質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門對特種設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、改造、維修的資質(zhì)進(jìn)行審批核準(zhǔn)，同時(shí)委托具有相應(yīng)資質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)機(jī)構(gòu)對特種設(shè)備的制造、安裝、改造、維修進(jìn)行監(jiān)督檢驗(yàn)，以有效控制特種設(shè)備產(chǎn)品安全質(zhì)量。

我院是由國家特種設(shè)備安全監(jiān)督管理部門核準(zhǔn)的特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)。

在對鍋爐壓力容器制造廠鍋爐壓力容器產(chǎn)品安全性能監(jiān)督檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用埋弧自動(dòng)焊焊接鋼制鍋爐壓力容器筒節(jié)縱焊縫（A類焊接接頭）時(shí)，焊后經(jīng)肉眼或X射線無損檢測發(fā)現(xiàn)，在筒節(jié)縱焊縫端部（收弧部位）有裂紋產(chǎn)生，尤其是單面焊，在焊縫終端更為多見，其特征為沿著焊縫縱向中心線開裂，嚴(yán)重時(shí)裂紋部位的焊縫縱橫截面會(huì)全部開裂。分析其產(chǎn)生的原因，焊縫終端裂紋是在高溫下由焊接應(yīng)力引起的。在筒節(jié)組裝時(shí)，一般都要在焊道兩端進(jìn)行定位焊。在焊接時(shí)，焊件在電弧熱的作用下，受熱部分膨脹，使得焊件沿縱向在其平面內(nèi)發(fā)生彎曲變形，由于焊件終端定位焊的約束，焊件不能自由變形，此時(shí)定位焊點(diǎn)受到橫向拉力，隨著焊接過程不斷的進(jìn)行，此橫向拉力也逐漸增大。當(dāng)焊接電弧將此定位焊點(diǎn)溶化的瞬間，焊件已無約束，應(yīng)力由此釋放（在焊件平面產(chǎn)生彎曲變形）。正處于半凝固狀態(tài)的焊縫在此力的作用下被拉裂而形成裂紋，并隨著焊接過程的進(jìn)行繼續(xù)延長，至焊縫結(jié)束為止。

端部裂紋還與冶金因素如硫的偏析、尾部熔池形狀以及枝晶的生長方向有關(guān)。硫是焊縫金屬中有害的雜質(zhì)之一，它通常以FeS形式存在于鋼中，與鐵在液態(tài)可以無限互溶，而在固態(tài)其溶解度急劇下降，因此，在溶池結(jié)晶時(shí)它容易發(fā)生偏析，以低熔點(diǎn)共晶Fe+FeS（熔點(diǎn)985℃）或FeS+FeO（940℃）的形式呈片狀或鏈狀分布于晶界。這樣就增加了焊縫金屬產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向，同時(shí)還會(huì)降低沖擊韌性。

熔池形狀不穩(wěn)定也會(huì)造成焊縫在端部產(chǎn)生裂紋。焊接過程中，焊接接頭在焊后焊渣剛剛翹起時(shí)，焊渣還正在發(fā)紅的時(shí)候就去除藥皮焊渣，致使在焊縫的一次結(jié)晶過程時(shí)溫度下降的較快，加快了低熔共晶物的形成，形成了偏析，而產(chǎn)生焊接裂紋。

其次，端部裂紋還與筒節(jié)焊后冷加工有關(guān)，有些鍋爐壓力容器制造廠在去除筒節(jié)兩端引弧板和引出板時(shí)，采用錘擊法。錘擊去除引弧板和引出板會(huì)使筒節(jié)端部焊縫的橫截面形成形狀不規(guī)則的夾角和缺口。筒節(jié)經(jīng)過輥床找圓加工，在外力作用下，就很容易在夾角和缺口處撕裂，形成端部裂紋。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)表明，克服和預(yù)防鋼制鍋爐壓力容器筒節(jié)端部裂紋，可采取如下預(yù)防措施：

1、應(yīng)盡量減少焊縫中的含硫量。一般在低碳鋼焊縫中，控制含硫量小于0.035%；合金鋼焊縫則應(yīng)小于0.025%；

減少焊縫含硫量的措施有一下幾點(diǎn)：

（1）限制焊接中的含硫量 焊縫金屬中的硫主要來源于三個(gè)方面：一是母材，其中的硫幾乎可以全部過渡到焊縫中去，但母材中的含硫量比較少：二是焊絲，約有70～80%的硫可以過渡到焊縫中去：三是焊劑，約有50%的硫可以過渡到焊縫中。可見，嚴(yán)格控制焊接原材料的含硫量是限制焊縫含硫量的關(guān)鍵措施。

（2）用冶金方法脫硫 為了減少焊縫金屬中的含硫量，如同脫氧一樣，可以選擇對硫的親和力比鐵大的元素進(jìn)行脫硫。

在焊接化學(xué)冶金中常用的脫硫劑是錳，其脫硫反應(yīng)為：

（FeS）+（Mn）=（MnS）+（Fe）

反應(yīng)的產(chǎn)物MnS進(jìn)入熔渣。在焊接化學(xué)冶金中還常常采用堿性金屬氧化物，如MnO、CaO等進(jìn)行脫硫，其反應(yīng)如下：

（FeS）+（MnO）=MnS+（FeO）

（FeS）+（CaO）=（CaS）+（FeO）

生成的CaS類似于MnS，不溶于金屬而進(jìn)入熔渣中?？梢娫黾釉蠱nO和CaO的含量，有利于脫硫。

2、將筒節(jié)焊道端部定位焊位置前移，減小定位焊長度，并采用特殊的開槽引出板。開槽引出板和筒節(jié)的連接方法如圖所示。這種引出（弧）板對焊件的彎曲變形產(chǎn)生彈性約束，從而防止了裂紋產(chǎn)生；

開槽引出（?。┌迮c筒節(jié)的連接方法

3、在去除引弧板和引出板時(shí)，嚴(yán)禁使用錘擊，應(yīng)采用氣割或其它機(jī)械方法去除；

4、筒節(jié)在冷加工找圓時(shí)，嚴(yán)禁利用大錘直接敲擊焊縫端部和強(qiáng)力組裝；

5、根據(jù)熔焊原理，在埋弧焊焊接時(shí)控制熔池的形狀、減少凹度等工藝措施；

6、為減緩焊縫冷卻速度，在焊縫成型期間，焊后不要立刻清理焊渣，要等到焊縫冷卻至室溫后再清除，以利于焊縫的正常成型；

7、在焊縫成型期間，不要轉(zhuǎn)動(dòng)鍋爐壓力容器筒節(jié)，以免由于外力而使焊縫拉裂和撕裂；

8、增加時(shí)效處理和焊后消應(yīng)力熱處理也可以防止焊接接頭出現(xiàn)裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。

參考文獻(xiàn)

[1]張文鉞主編.天津大學(xué).《金屬熔焊原理及工藝》

[2]姜煥中主編.上海交通大學(xué).《焊接方法及設(shè)備》