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    蒸汽流量表孔板焊縫開裂原因分析及對策

    蒸汽流量表孔板焊縫開裂原因分析及對策

    產品說明:摘要: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。

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    • 產品說明

    摘要: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。
      我公司蒸汽主管在系統大修時新增了一個 DN600 的蒸汽流量孔板,工作介質為過熱蒸汽,壓力為 0.5MPa,溫度為 180℃,流量孔板與管道采用焊接方式聯結,使用 4 天后在環形焊縫中間產生了 400mm 長的縱向裂縫,通過舍夫勒組織圖對焊縫金屬進行分析,確定焊縫的組織狀態,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。

     

      流量孔板環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,地衣層用 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. 地衣層焊縫、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
    WI. 地衣層焊縫、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
     
      根據流量孔板環形焊縫開裂的時間、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力破壞現象,脆斷時應力一般不高于結構的設計應力,而且斷裂前沒有或只有少量的塑性變形,裂紋可瞬時擴展至整體,突然性比較強,潛在危害大。焊縫金屬韌性不足是造成脆性斷裂的一個重要原因,焊縫金屬的韌性決定于其組織狀態。本文重點分析化學成分對焊縫金屬韌性的影響。
     
    2、地衣層焊縫金屬的化學成分及組織狀態分析:
       由圖 1 和圖 2 可知,環形焊縫金屬是由短節(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。地衣層焊縫金屬是由 Q235-A,1Cr18Ni9Ti,以及填充金屬 W1 組成。Q235-A 不含合金元素,對焊縫金屬中的合金具有稀釋作用,使焊縫中的強奧氏體化學元素 Ni 含量減少,如果焊條選用不當,工藝不合理,焊縫中將出現一定量的馬氏體組織,避免焊縫金屬中出現馬氏體組織,是制定焊接工藝的首要原則。根據焊條熔敷金屬和母材金屬的化學成分及熔合比,可以計算出焊縫金屬的當量成分,并可利用舍夫勒組織圖來確定其組織狀態(如圖 3)。

    表1                                
                                   
    母材         化學成分 /%       鉻當量 /%   鎳當量 /%   圖上位置
      M n     S i   C r   N i          
                                 
    1Cr18Ni9 0.07   1.36     0.66   17.8 8.65 18.79 11.42   a
                                     
    Q235-A 0.18   0.44     0.35   - - - 5.60.532   b
                                     
    表2                                
                                 
    焊條牌號         化學成分 /%       鉻當量 /%   鎳當量 /%   圖上位置
        M n S i   C r N i   M o          
                                 
    A102 0.07   1.22 0.46   19.2 8.5   - 19.89   11.15   d
    A312 0.12   1.5 0.9   23.5 13.0   2.5 26.85   17.35   e
    J422 0.07   0.40 0.20   -   -   - 0.30   2.3   -
    2.1、選用 A102 焊條焊縫金屬的組織狀態:
       Q235-A,1Cr18Ni9Ti 鉻、鎳當量值見表 1。
       各焊條金屬的當量成分見表 2。
       如果兩種母材熔化量相同,此時的稀釋率既 為 50%, 熔 合 后 的 金 屬 當 量 成 分 為:Cr 當量 =0.5X0.53+0.5X18.79=9.66(%);Ni 當 量=0.5X5.62+0.5X11.42=8.52(%);相當于舍夫勒組織圖中 C 點成分金屬,其組織為馬氏體。當采用 A102 焊條焊接時,焊縫金屬是由 C 點當量成分的金屬與 A102 焊條熔敷金屬熔合而成。當母材熔合比為 40% 時,焊縫金屬當量成分為:Cr 當量 =15.8 (%);Ni 當量 =10.1(%),相當于圖 3 中 f 點成分金屬,其組織為奧氏體 + 馬氏體。通過分析表明采用 A102 焊條焊接時焊縫中將不可避免地產生脆硬的馬氏體。馬氏體含量可高達 50% 左右,焊縫金屬韌性將嚴重下降。
     
    2.2、選用 A312 焊條時焊縫金屬的組織狀態:
       A312 焊條金屬的當量成分為圖 3 中的 e 點,其組織為奧氏體 +7 ~ 8% 的鐵素體,此時的焊縫由 C 點金屬與 A312 焊條金屬熔合而成。當熔合比為 40% 時,Cr 當量 =19.97(%),Ni 當量 =13.82(%),相當于圖 3 中 i 點成分金屬,其組織為奧氏體。當熔合比為 30% 時,Cr 當量 =21.7(%);Ni 當量=14.7(%),相當于圖 3 中 h 點成分金屬,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,在進行流量孔板環形焊縫焊接時,打底焊縫應選用 A312 焊條,且熔合比在 30% 時可保證焊縫具有良好的韌性及抗裂性能。

    A. 奧氏體 B. 馬氏體 F. 鐵素體
     
    Cr 當量 =Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb
     
    Ni 當量 =Ni+30C+0.5Mn
     
    圖 3

    3、 第二層焊縫的化學成分及組織狀態分析:
    3.1、 選用 J422 焊條時焊縫組織狀態:
      第二層焊縫由 Q235—A,J422 焊條以及圖 3 中 h 點金屬所組成。當熔合比在 30% ~ 40% 時, Cr當量 =4.64(%);Ni 當量 =6.01(%),相當于圖中k 點成分的金屬。由圖中可以看出,此時焊縫組織為脆硬的馬氏體組織,其韌性嚴重下降,在使用過程中極易引起焊縫產生脆性斷裂。
    3.2、選用 A312 焊條時焊縫組織狀態:
      第二層焊縫由 Q235—A,A312 焊條以及圖 3中h 點金屬所組成。當熔合比在 40% 時,Cr 當量=20.56(%),Ni 當量 =14.47(%),相當于圖中 g 點成分的金屬。其組織為奧氏體,不利于提高焊縫金屬的抗裂性能。當熔合比在 30% 時, Cr 當量=22.1(%);Ni 當量 =15.19(%),相當于圖中M 點成分的金屬,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、分析結論與改進效果:
      通過分析,流量孔板環形焊縫裂紋的原因主要是第二層至蓋面焊條選擇不當,簡單的認為地衣層 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。后來流量孔板修復焊接時,我們調整了焊條型號,全部采用 A312 焊條焊接,一次焊接成型,使用效果良好。實踐證明,異種鋼 Q235-A 和 1Cr18Ni9Ti 的焊接必須采用 A312 焊條焊接才能獲得優良的抗裂性能。以后在焊接實踐中,針對異種鋼的焊接,制定焊接工藝和選擇焊條時一定要做好組織分析。

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