杭州鍋爐 張方
摘要：本文對(duì)某蒸發(fā)器集箱組件焊接裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，提出了防止裂紋產(chǎn)生的一系列措施。對(duì)提高機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造、安裝的質(zhì)量有一定的參考價(jià)值。
關(guān)鍵詞：鍋爐、焊接、氫致裂紋、預(yù)防措施、金相拋光劑
1 前言
某公司承接了某余熱鍋爐蒸發(fā)器的制造安裝項(xiàng)目，該蒸發(fā)器設(shè)計(jì)用途是用于干熄焦等余熱鍋爐的換熱模塊，設(shè)計(jì)工作壓力P=1.76MPa，工作溫度206℃。蒸發(fā)器成品尺寸約為2900*2300*7300。其中有99支集箱管，2000多支管接頭。集箱管和管接頭的材質(zhì)均為20#，集箱規(guī)格為Φ108*6。由于焊接所涉及的集箱管和管接頭材質(zhì)均為普通低碳鋼，具有優(yōu)良的可焊性，且項(xiàng)目工期緊，因此未作細(xì)致的工藝試驗(yàn)。
焊接方法為手工焊條電弧焊，采用Φ5的國(guó)標(biāo)牌號(hào)E5015的手工焊焊條，焊接層數(shù)為一層。焊接坡口插入式。焊前沒有預(yù)熱，焊后沒有進(jìn)行熱處理。一個(gè)模塊焊接完成后，在表面探傷過程中未發(fā)現(xiàn)裂紋，在壓力Ps=2.20MPa進(jìn)行水壓試驗(yàn)，未發(fā)生滲水。
該模塊在運(yùn)行5周后突然發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，通過停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)兩處泄漏。兩處裂紋在集箱沿焊趾開裂，一處裂紋弦長(zhǎng)55mm，一處裂紋弦長(zhǎng)48mm。由于低碳鋼的此類焊接裂紋極為少見，所以，我公司對(duì)裂紋產(chǎn)生原因非常重視，對(duì)模塊進(jìn)行修補(bǔ)的同時(shí)，選取試樣進(jìn)行事故原因分析。
2 材質(zhì)分析
集箱管材質(zhì)為20#，入廠驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為GB 3087-1999。對(duì)故障集箱管進(jìn)行化學(xué)分析，其化學(xué)組成（wt%）為：C=0.18；Mn=0.44；Si=0.22；P=0.019；S=0.022；Cr=0.11；Cu=0.13；Ni=0.05，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同一爐號(hào)的此類接管進(jìn)行拉伸、彎曲、壓扁試驗(yàn)，其機(jī)械、工藝性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。故障管的金相試驗(yàn)結(jié)果顯示：集箱管組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7~8級(jí)，晶粒細(xì)小，且分布均勻。同時(shí)，低倍檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。所以，裂紋不是由管子質(zhì)量問題引起的。
E5015焊條為低氫鈉型焊條，藥皮主要成分為碳酸鹽礦（如：大理石、菱苦土等）和螢石，還有一定數(shù)量的石英砂或硅鋁酸鹽。E5015焊條藥皮屬于CaO-SiO2-CaF2為主的熔渣系，熔渣堿度較高。藥皮中有強(qiáng)脫氧劑，可以同S、P形成易揮發(fā)物，有利于脫硫、脫磷，降低焊縫中的雜質(zhì)，減少低熔點(diǎn)共晶的產(chǎn)生。E5015焊條焊接工藝性能一般，焊波較粗，熔深中等。主要用于焊接低碳鋼結(jié)構(gòu)。E5015焊條對(duì)氫敏感，施焊時(shí)焊接處要保持清潔，不能有水分、油污和鐵銹。本文對(duì)角焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，其成分符合GB 51117-1995中對(duì)碳鋼焊條的要求。
3 裂紋金相檢查分析
3.1 裂紋宏觀檢查
發(fā)現(xiàn)裂紋的兩集箱管徑均正常，表面無塑性變形痕跡。由于是單道焊，所以，焊肉較厚，最厚處達(dá)8mm。在收弧位置發(fā)現(xiàn)一處弧坑裂紋。在熔合線附近發(fā)現(xiàn)多處咬邊。
兩處裂紋均為穿透裂紋。通過對(duì)裂紋紋路的宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)一條裂紋起源于集箱外側(cè)緊靠焊趾的熔合線。在集箱外表面的裂紋沿焊趾開裂，長(zhǎng)度為55.2mm，貫穿至集箱內(nèi)側(cè)，內(nèi)側(cè)裂紋長(zhǎng)度為40.5mm長(zhǎng)，內(nèi)側(cè)裂紋一部分延伸至焊縫下的集箱母材，其余與外側(cè)裂紋的擴(kuò)展方向相同。另外一條裂紋在集箱外側(cè)同樣是沿焊趾開裂，裂紋長(zhǎng)度48.4mm，內(nèi)側(cè)裂紋長(zhǎng)度為33.6mm。
3.2 裂紋微觀檢查
本文對(duì)兩處裂紋周邊的母材金相組織進(jìn)行了分析，集箱和接管母材組織均為鐵素體+珠光體，晶粒分布均勻，晶粒度為6~8級(jí)，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)管子母材金相組織的要求。組織中均為發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜和氣孔等缺陷。兩處裂紋均為沿晶啟裂，穿晶擴(kuò)展。斷面較光滑。
在熔合線靠近焊縫一側(cè)，發(fā)現(xiàn)過熱組織魏氏體。魏氏體是由結(jié)晶位向相近的鐵素體片形成的粗大組織單元，嚴(yán)重減低了焊接接頭的韌性。手工焊時(shí)材料在高溫停留時(shí)間短，晶粒長(zhǎng)大并不嚴(yán)重，一般較難形成粗大的魏氏體。但是，如果手工焊焊接電流大，熱輸入量大，就容易形成粗大魏氏體。由圖2可以看出，裂紋周圍的魏氏體組織長(zhǎng)度約為0.5mm，比正常焊條電弧焊產(chǎn)生的0.1~0.3mm魏氏體組織粗大。
圖1 焊縫和熱影響區(qū)組織 圖2 裂紋附近的魏氏體組織
4 結(jié)構(gòu)分析
本文對(duì)蒸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，由于蒸發(fā)器內(nèi)部管接頭材質(zhì)相同均為20#，運(yùn)行時(shí)同一模塊內(nèi)部溫度差異小，各組管接頭受熱后的膨脹量相當(dāng)。所以，模塊內(nèi)部不存在應(yīng)力集中問題。
蒸發(fā)器外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了膨脹吸收問題，且結(jié)構(gòu)相同的模塊已經(jīng)使用了很多年，并未出現(xiàn)因膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題。同時(shí)，車間在對(duì)該模塊進(jìn)行裝配的時(shí)候并不存在強(qiáng)制裝配現(xiàn)象。所以，該蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)應(yīng)力不是造成本次泄漏的原因。
5 裂紋產(chǎn)生機(jī)理及原因
通過分析，本文認(rèn)為這次碳鋼焊接裂紋是焊縫和熔合線內(nèi)溶解的過量氫導(dǎo)致，屬于冷裂紋中的氫致延遲裂紋。
5.1 氫致裂紋產(chǎn)生機(jī)理
焊接過程中液態(tài)金屬所吸收的氫有一部分在熔池凝固過程中逸出，但是由于手工焊熔池凝固速度快，相當(dāng)多的氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中。留在焊縫中的氫大部分以H或H+形式與焊縫金屬形成間隙固溶體。由于氫的原子和離子的半徑都很小，使這部分氫可在焊縫金屬晶格中自由擴(kuò)散，故稱之為擴(kuò)散氫。一部分?jǐn)U散氫聚集到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜物邊緣的空隙中，結(jié)合為氫分子，氫分子半徑較大，不能自由擴(kuò)散，稱為殘余氫。焊后隨著放置時(shí)間延長(zhǎng)，由于一部分?jǐn)U散氫從焊縫表面逸出，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄽?，因此擴(kuò)散氫顯著減少、殘余氫增加，總氫量下降。一般認(rèn)為擴(kuò)散氫含量大，約占80~90%，且是造成各種氫損害、導(dǎo)致延遲裂紋的重要要素。
目前，能比較完整地解釋氫、應(yīng)力交互作用的延遲裂紋理論是三軸應(yīng)力晶格脆化學(xué)說。該學(xué)說認(rèn)為，如果在三個(gè)晶粒相交的空間或裂紋的前端處于三向應(yīng)力狀態(tài)，新的裂紋尖端處就會(huì)聚集較多的氫，超過一定界限之后，發(fā)生晶格脆化，而產(chǎn)生裂紋。隨時(shí)間增長(zhǎng)，此處有重新聚集更多的氫，并使裂紋向前擴(kuò)展，或產(chǎn)生新的裂紋。這種過程交替進(jìn)行，裂紋也就繼續(xù)擴(kuò)展。鋼材含氫量越高，裂紋敏感性越強(qiáng)。
有缺口存在時(shí)，延遲裂紋傾向增大，這一方面是因?yàn)閼?yīng)力集中的作用，另一方面，由于氫的應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散還會(huì)引起擴(kuò)散氫的聚集，開裂部位的氫濃度明顯大于原始?xì)錆舛取?/span>
在焊接過程中，焊縫金屬在高溫時(shí)溶解了大量氫，冷卻時(shí)，由于焊縫含碳量低于母材，故焊縫先于母材發(fā)生相變，此時(shí)焊縫由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，氫的溶解度突然下降。于是溶解于焊縫中的氫迅速向母材熱影響區(qū)內(nèi)尚未發(fā)生相變的奧氏體擴(kuò)散，由于擴(kuò)散速度低，所以只在熔合線附近形成富氫地帶。此區(qū)域在氫和組織應(yīng)力復(fù)合作用下脆化，極易產(chǎn)生裂紋
5.2 裂紋產(chǎn)生原因分析
焊接前，由于焊工的操作不當(dāng)可能導(dǎo)致一些焊縫坡口表面存在水、油污或鐵銹等，導(dǎo)致焊縫及熔合線氫含量過高。由于鋼中氫原子脫溶、聚集結(jié)合成氫分子，產(chǎn)生極大壓力，在運(yùn)行過程中與組織應(yīng)力、工作應(yīng)力的疊加是引發(fā)裂紋的主要原因。
焊縫時(shí)，選取焊接規(guī)范不當(dāng)，熱輸入量過大，使焊縫周圍產(chǎn)生了粗大的魏氏體組織。粗大魏氏體組織的存在大大降低了材料的韌性，是裂紋產(chǎn)生和快速擴(kuò)展的一個(gè)重要條件。
焊接時(shí)為冬季，焊接環(huán)境溫度較低。焊縫冷卻速度快，導(dǎo)致了焊縫內(nèi)部殘余應(yīng)力的集中，在一定程度上增大了裂紋擴(kuò)展的速度。
焊縫與母材沒有打磨，進(jìn)行圓滑過渡，使焊趾附近有明顯的咬邊是促使焊縫快速擴(kuò)展的另一重要條件。在擴(kuò)散氫、缺口效應(yīng)、焊縫殘余應(yīng)力及運(yùn)行中產(chǎn)生的拉伸載荷共同作用下，構(gòu)件的強(qiáng)度快速下降。本文認(rèn)為由于各種不利因素的共同作用，材料甚至可能在屈服點(diǎn)之下發(fā)生斷裂。
6 結(jié)論及預(yù)防措施
由于低碳鋼具有良好的可焊性，很多生產(chǎn)企業(yè)對(duì)低碳鋼的焊接工藝并不重視，這就導(dǎo)致了一些不安全因素的產(chǎn)生。實(shí)踐證明，在焊材存放和使用、焊接規(guī)范執(zhí)行以及焊接操作等方面一旦出現(xiàn)問題，仍很可能誘發(fā)碳鋼焊接裂紋，并最終極大地?fù)p害產(chǎn)品質(zhì)量和公司信譽(yù)。消除安全隱患、獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量的前提是加強(qiáng)焊工的責(zé)任意識(shí)和職業(yè)技能培訓(xùn)。另外，本文還提出一下的幾點(diǎn)措施提高低碳鋼的焊接質(zhì)量，防止裂紋的產(chǎn)生：
1 焊條應(yīng)防潮包裝與存放，在使用前，要保證焊條按規(guī)定溫度和時(shí)間烘干，烘干后放在烘箱或保溫筒中保管，隨用隨取。焊前，焊接坡口認(rèn)真清潔，去除表面的油污和鐵銹等；
2在環(huán)境溫度較低時(shí)，要對(duì)工件采取適當(dāng)?shù)募訜岽胧?/span>
3 選取適當(dāng)?shù)暮附与娏鳎刂茻彷斎耄?quot;
4 焊后，應(yīng)將焊趾處打磨光滑，使之與集箱母材圓滑過渡；
5熔深較大的焊縫抗裂性能較差，施工時(shí)可采用多道焊接，可以緩解裂紋傾向。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對(duì)策[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社
[2] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)（第2版 第2卷）:材料的焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001
[3] 松田福久.熔接冶金學(xué)[M].日刊工業(yè)新聞社，1972
[4] 佐藤邦彥等.焊接接頭的強(qiáng)度與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社
