工业设备球形罐体环形焊缝裂纹分析及防止措施.doc

工业设备球形罐体环形焊缝裂纹分析及防止措旋
【摘要】 本文对焊接裂纹，尤其是设备安装过程中，球形罐体的环形焊接裂纹的产生作了详细的研究，并提出了防止方法。
【关键词】球形罐体焊接裂纹
一、球罐环焊缝裂存在的形式
球罐环焊缝裂纹大多存在焊缝金属中及近缝区，大多数是以微观裂纹的形式，存在于焊缝及近缝区的内部，有时，宏观也可以看到。实践表明，存在宏观裂纹必有微观裂纹，裂纹具有尖锐端头，且开口位移长．是阔比率极高的断裂型非连续性裂纹。裂纹是一个复杂的问题，即使形态相同，产生的机理往往不尽相同，若按环焊缝裂纹产生机理来说。主要是热裂纹和冷裂纹。
二、环焊缝中热裂纹产生的原因分析
热裂纹是在焊接过程中．合金元素的成分偏析或低溶共晶体化合物的存在所产生。裂纹的断口表面有氧化色，无光泽，这可作为判断是否在高温下形成热裂纹的依据。
1．焊缝金属成分的影响
钢材中存在的C、S、D 形成低溶共晶体化合物， 易产生结晶偏析，不均匀分布在焊缝中，在焊缝金属结晶过程中往往集中到焊缝的中心和最后凝固部位．形成液相薄膜残留下来，在焊接收缩应力作用下，液相薄膜被拉开，随之产生裂纹。
2．工艺因素的影响
(1)装配间隙
由于球罐的组装方法选择的不同．造成球罐环焊缝的对接间隙大小不均匀．在焊接过程中．环焊缝坡口上侧的温度高于下侧．减少焊缝中心的吸热作用，延迟熔池中心部位焊缝金属的凝固。装配时．因卡具部位的附加拘束应力．焊缝会在最薄和最热的断面处产生应力集中。结晶时．从焊根间隙某处开裂，沿着焊缝的表面逐渐向内部扩展。
(2)焊缝形状系数的影响
球罐环焊缝对接采用X形不对称坡口．大坡口在外侧．小坡口在内侧，先焊大坡口后，在小坡口上清根着色、焊接。由于清根打磨制备的焊道从断面形状看，形成窄而深的指状焊道，底面圆滑角小。施焊过程中．影响焊缝形状系数，增大焊缝深度与宽度比，使柱状晶成长方向转向内侧，焊缝中心线成分偏析，而且在同一部位更集中地发生收缩变形，故热必导致液化裂纹。
(3)焊接速度的影响
在焊接线能量一定的情况下．提高焊接速度对裂纹产生的可能
性增大。因为焊接速度加大后，熔池长度增大，焊缝宽度减少．因而．
焊缝深度与宽度比加大，焊缝形状系数变化，增大裂纹产生的可能。
(4)焊接顺序及操作的影响
球罐环焊缝施焊顺序很重要．通常采用数名焊工以平衡对称追尾顺序来进行多层多道焊，若没有采取均匀分布对称施焊．或焊工之间速不均匀，无法分散应力，增大裂纹倾向。另外，由于操作不当，如焊工没有按实际要求进行多层多道焊， 而人为将焊道分割成几段，在不移动焊工操作位置的情况下，同一部位进行多层多道焊。相邻区段的层间接头重叠，加之熔合不足，造成多层多道焊接头汇集在某一部位，形成多接头部位。这一部位往往集中较大的应力，在弧坑未填满，过分熔透一侧坡口，加大诱发热裂纹的产生。
(5)装配卡具的影响
施工中使用装配卡具和点同焊等刚性拘束来完成球罐环缝的组装，在焊接开始后，当点固焊遇热变形而发生突然失效(一旦断开)，反而助长裂纹产生。
三、环焊缝中冷裂纹产生的原因分析
冷裂纹是焊后冷却到马氏体转变点Ms附近200～300℃ 以下的温度区间发生的，冷裂纹的产生有时间性，可能在焊后立即产生．也可能经过几小时、几天、甚至更长时间的潜伏后才产生，故又称延迟裂纹。
1．焊缝金属合氢量的影响
焊缝母材中原有的氢和焊接时焊缝金属吸附外界的氢是产生焊
接冷裂纹的主要因素，与坡口表面及附近锈蚀、油污、水分、重皮，焊接材料的类型及其干燥条件，焊接环境等有极大关系．焊接工艺对
焊缝含氢量也有影响。
2． 线能量的影响
线能量决定了焊缝和热影响区的冷却速度，也决定了这些区域
的淬硬组织，氢的扩散速度以及焊缝中焊接应力的水平。最终影响
到焊缝的冷裂倾向。线能量越大．冷却时间就越长．有利于氢的逸
出，这就降低了冷裂的倾向。但是线能量的增大．只能控制在一定范
围内进行，因为还需要考虑到焊缝成形、烧穿和应力等方面。线能量
太大时，在热影响区附近可能产生过热组织，使晶粒粗大，反而增加
了热影响区裂纹产生的倾向。
3．预热温度的影响
焊前预热是防止低合金钢球罐焊接裂纹的最有效措施之一。预
热的目的是减慢焊缝的冷却速度．改变热影响区组织，消除或减少
焊缝中扩散氢的含量降低焊缝与母材的温度梯度，从而减轻拘束
应力。但是，在实际生产中，预热温度不均匀，不能连续完成环缝焊
接，重新焊时，不能采取良好的措施，造成层间温度低于预热温度．
会产生淬硬组织．增大冷裂倾向。
4．后热的影响
对于厚截面较大的球罐环焊缝，焊接结束后，需考虑后热，若没
有采取后热措施，或采取后热的温度不足，后热的保温不良，会在多
层多道焊缝中产生横向裂纹。
5．焊接顺序的影响
理想的焊接顺序是使前层焊道彼此重叠． 次层焊道的热循环基
本上能覆盖前层焊道的过热区。分层焊时，如果不严格控制层问温
度或后热的配合，由于氢的逐层积累和根部焊缝的应力应变集中．
则延迟裂纹的倾向反而会增大。
6、焊接就力的影响
环焊缝中主要存在三种应力．即温度分布不均匀造成的热应力．
相变时的相变应力和刚性拘束应力。此外，焊缝上的咬边，未焊透等
缺陷形成了应力集中，这些应力叠加在焊缝中的薄弱部位．达到一
定值时导致裂纹产生。
球罐环焊缝冷裂纹的产生．归纳起来．主要是氢、淬硬组织和应
力的相互促进、相互影响，在一定条件下．三者中任何一种都可能成
为形成冷裂纹的主要因素。
四、防止球罐环焊缝裂纹的措施
(1)设计合理的坡口形式，适当规定焊缝的装配间隙．减少组装
时拘束应力。
(2)制定合理的焊接顺序，控制好环焊缝的形状系数。
(3)严格按焊接工艺和控制焊接线能量。
(4)严格作好预热、后热、层间温度和焊条干燥等工作。
(5)尽量使用低氢或超低氢焊条，注意焊接环境温度的变化。
五、防止球罐焊缝裂纹的成效
在公司球罐制作的安装中，采取上述措施，协调一致，严把组装、
焊接工序关，球罐的焊接质量能得以保证。获得满意的球罐使用安全性。
参考文献
【1】张文铖等·金属熔焊原理及工艺·北京：机械工业出版社，2003
f21陈裕川·低合金结构钢的焊接·北京：机械工业出版社，2001
(作者单位系广东省廉江市第一建筑工程公司)
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