摘 要:某未服役高壓加熱器管板與筒節(jié)環(huán)焊縫產(chǎn)生了密集的橫向裂紋.通過宏觀檢驗(yàn)、化學(xué) 成分分析、硬度測試及金相檢驗(yàn)等方法對裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:裂紋位于管板側(cè)的 熔合線區(qū)域,萌生于熱影響區(qū)的粗晶區(qū),主要沿晶界擴(kuò)展,擴(kuò)展方向垂直于環(huán)焊縫;裂紋具有典型的 氫致裂紋特征,屬于焊接冷裂紋,焊縫冷卻收縮時(shí)產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力也促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展.

關(guān)鍵詞:２０MnMoNb鋼;管板;環(huán)焊縫;橫向裂紋;熱影響區(qū);焊接冷裂紋;氫致裂紋

中圖分類號:TG４４１．７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８６８Ｇ０５

高壓加熱器是火力發(fā)電機(jī)組回?zé)嵯到y(tǒng)中的主要 設(shè)備,其利用汽輪機(jī)抽氣的過熱度及凝結(jié)放熱來升 高給水溫度,對提高機(jī)組效率和電廠經(jīng)濟(jì)效益具有 重要意義[１].管板是高壓加熱器中的重要部件,用 來排布換熱管并起到分隔管殼空間、避免冷熱流體 混合的作用,通常為大而厚的餅形鍛件[２].

２０MnMoNb鋼屬于合金鋼,作為鍛件材料多用 于制造火電機(jī)組的高壓加熱器管板或化工設(shè)備中的 換熱器管板.２０MnMoNb鋼中微量的鉬、鈮為強(qiáng)碳 化物形成元素,此碳化物能顯著地阻礙奧氏體晶粒 長大,所以這兩種元素可起到細(xì)化晶粒、穩(wěn)定組織、 提高強(qiáng)度及改善鋼的抗蠕變性能的作用[３Ｇ６].

２０MnMoNb鋼的焊接性相對較差,冷裂紋傾向 敏感,屬于不易焊接材料,需要采取嚴(yán)格的工藝措施 才能焊接[７Ｇ９].如龍金明等[１０]在進(jìn)行２０MnMoNb鋼 厚壁管焊接時(shí),其熱影響區(qū)產(chǎn)生了穿透性裂紋.文獻(xiàn) [４]認(rèn)為２０MnMoNb鋼焊接的主要問題在于拘束應(yīng) 力較大的情況下冷裂紋的傾向較大.文獻(xiàn)[５]發(fā)現(xiàn) ２０MnMoNb鋼焊接過程中,當(dāng)不進(jìn)行預(yù)熱且線能量 較小時(shí),近焊縫區(qū)域易產(chǎn)生淬硬組織;當(dāng)進(jìn)行預(yù)熱且 線能量較大時(shí),熱影響區(qū)晶粒易粗大.可見,多種因 素均可能導(dǎo)致２０MnMoNb鋼產(chǎn)生焊接缺陷.

某高壓加熱器管板與筒節(jié)環(huán)焊縫在焊接后的探傷過程中發(fā)現(xiàn)表面存在大量的橫向裂紋(已進(jìn)行消 氫熱處理,尚未進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理).管板材料 為２０MnMoNb鋼,規(guī)格為?２２５０ mm×５７０mm, 筒節(jié)材料為１５CrMoR 鋼,壁厚δ 為８０mm.焊縫 采用 R３０７焊條打底,H０８CrMoG 焊絲埋弧自動焊 接.由于２０MnMoNb鋼不易焊接,且影響焊接的 因素眾多,筆者對開裂區(qū)域進(jìn)行取樣分析,查明了裂 紋產(chǎn)生的原因,并提出了預(yù)防措施,以避免后續(xù)出現(xiàn) 類似問題.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀檢驗(yàn)

對該環(huán)焊縫進(jìn)行磁粉探傷,發(fā)現(xiàn)焊縫處存在開口 裂紋.對裂紋進(jìn)行打磨,發(fā)現(xiàn)近表層存在數(shù)量較多的 非開口裂紋.采用砂輪對開裂區(qū)域磨拋,并使用質(zhì)量 分?jǐn)?shù)為２０％的硝酸水溶液浸蝕后,觀察到在管板側(cè) 熔合線附近密集分布著垂直于焊縫的橫向裂紋,裂紋 長度為３~１０mm 不等,見圖１.

１．２ 化學(xué)成分分析

對母材及焊縫取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見 表１.管 板 母 材 的 化 學(xué) 成 分 滿 足 NB/T４７００８－ ２０１０«承 壓 設(shè) 備 用 碳 素 鋼 和 合 金 鋼 鍛 件 »對 ２０MnMoNb鋼的要求,且磷、硫含量較低;焊縫的化 學(xué)成分除碳元素略低于標(biāo)準(zhǔn)值外,其他元素均滿足 NB/T４７０１８－２０１１«承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù) 條件»對 H０８CrMoG 焊絲的成分要求.

２０MnMoNb鋼強(qiáng)度較高,其淬硬傾向和碳當(dāng)量 有關(guān).文獻(xiàn)[９]計(jì)算得到 ２０MnMoNb鋼的碳當(dāng)量 Ceq＝０．５７７＞０．５,冷裂紋敏感指數(shù)Pw＝０．４６＞０,表 明其冷裂紋傾向敏感.

國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量(％)計(jì)算方法為

式中:w 為各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù). 冷裂紋敏感指數(shù)Pw 的計(jì)算方法為

式中:Pcm 為合金元素的敏感系數(shù),％;[H ]為日本 JIS甘油法測定的擴(kuò)散氫含量,mL??(１００g)－１;R 為 拘束度,kg??mm－２.

Pcm 按照下式計(jì)算

根據(jù)表１所示的２０MnMoNb鋼化學(xué)成分的實(shí) 測值,按照式(１)計(jì)算得到碳當(dāng)量為０．６３,在不計(jì)拘 束度和擴(kuò)散氫含量的情況下,Pw ＞Pcm ＝０．３１.當(dāng) 管板較厚時(shí),由于結(jié)構(gòu)剛度造成的拘束度較大,Pw 值也會增加.此外焊接時(shí)不均勻加熱及冷卻產(chǎn)生的 熱應(yīng)力、金屬的相變應(yīng)力等也使得管板焊接容易產(chǎn) 生冷裂紋[１０].

１．３ 硬度測試

對管板母材、熱影響區(qū)以及焊縫取樣進(jìn)行布氏 硬度測試,結(jié)果如表２所示.可見管板母材硬度平 均值為１９２HV;熱影響區(qū)最大硬度達(dá)到２７８ HV, 比母材高８６HV.

由 碳 當(dāng) 量 計(jì) 算 值 (Ceq ＝０．６３)可 以 看 出, ２０MnMoNb鋼有一定的淬硬傾向.張金昌[１１]研究 發(fā)現(xiàn),鋼的淬硬傾向越大就會出現(xiàn)越多的馬氏體組 織,因而易發(fā) 生 脆 性 斷 裂.顧 溥 錦[１２]等 研 究 發(fā) 現(xiàn) ２０MnMoNb鋼 的 淬 硬 組 織 為 馬 氏 體,其 硬 度 為 ４５０HB.肖銀生[７]等研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)２０MnMoNb鋼 管板的熱影響區(qū)中出現(xiàn)馬氏體淬硬組織時(shí),熱影響 區(qū)硬度值最大為４４６ HV;當(dāng)熱影響區(qū)組織為粒狀 貝氏體時(shí),其硬度值最大為２９３HV;當(dāng)熱影響區(qū)組 織為板條貝氏體＋粒狀貝氏體時(shí),其硬度值最大為３２８HV;當(dāng)熱影響區(qū)組織為回火貝氏體時(shí),其硬度 值最大為２５３HV.

從表２所示的硬度實(shí)測值來看,熱影響區(qū)的硬 度遠(yuǎn)低 于 ２０MnMoNb 鋼 中 淬 硬 馬 氏 體 組 織 的 硬 度,且焊縫處于未去應(yīng)力熱處理狀態(tài),該硬度值處于 正常范圍內(nèi).

１．４ 金相檢驗(yàn)

在裂紋區(qū)截取 試 樣 進(jìn) 行 金 相 檢 驗(yàn),可 見 裂 紋 產(chǎn)生于焊 接 熱 影 響 區(qū),尖 端 較 為 尖 銳,沿 垂 直 于 熔合線 方 向,向 熱 影 響 區(qū) 的 細(xì) 晶 區(qū) (FGHAZ)及 焊縫擴(kuò)展;裂 紋 在 焊 縫 內(nèi) 部 為 穿 晶 裂 紋,在 熱 影 響區(qū)的 粗 晶 區(qū) (CGHAZ)主 要 為 沿 晶 裂 紋,符 合 焊接冷裂紋 的 特 征,見 圖 ２. 熱 影 響 區(qū) 的 粗 晶 區(qū) 顯微組 織 為 板 條 貝 氏 體,而 不 是 ２０MnMoNb鋼 典型的焊接淬硬組織[１２],這與熱影響區(qū)硬度實(shí)測 值是對應(yīng)的.

１．５ 斷口分析

使用掃描電鏡對裂紋處進(jìn)行斷口形貌分析,可以 看到母材和焊縫均存在韌窩,見圖３a).熱影響區(qū)的 粗晶區(qū)以沿晶開裂為主,存在少量準(zhǔn)解理開裂,斷口 整體呈冰糖狀,存在晶界間的撕裂脊,是典型的脆性 斷裂,見圖３b).熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)斷裂形式為沿晶 和穿晶混合開裂,斷口上存在河流花樣或準(zhǔn)解理花樣 以及大量的二次裂紋,見圖３c).斷口中還可觀察到 “人”字形花樣,為氫致開裂特征,見圖３d).

２ 分析與討論

焊接冷裂紋包括延遲裂紋(氫致裂紋)與淬硬裂 紋,主要發(fā)生在高、中碳鋼及中、低合金高強(qiáng)度鋼的 焊接熱影響區(qū),影響因素主要有拘束應(yīng)力、淬硬組織 和氫元素等[１０].氫致開裂是指有相當(dāng)延性的材料 在低于屈服強(qiáng)度的恒定拉應(yīng)力作用下發(fā)生的脆性斷 裂.這種開裂有一定的抗拉強(qiáng)度閾值,此值與氫的 逸度和合金元素有關(guān),且材料的強(qiáng)度越高,閾值越低.氫致開裂的基本條件為鋼中的氫能沿著濃度梯 度或應(yīng)力梯度方向自由擴(kuò)散.金屬中的氫元素來源 主要有兩種:一是在材料制造過程中進(jìn)入的氫,這種 在材料使用之前就存在于金屬內(nèi)部的氫,其含量或 者不斷減少或者保持不變,但不會增加,其分布可能 會發(fā)生改變;二是使用過程中從周圍液相或氣相環(huán) 境進(jìn)入到材料內(nèi)部的氫[１３].氫由金屬內(nèi)部向外部 擴(kuò)散時(shí),會遇到某些“陷阱”(如顯微雜質(zhì)和微孔等) 而發(fā)生聚集,并由原子態(tài)轉(zhuǎn)為分子態(tài),這會形成較大 的內(nèi)應(yīng)力,從而促使原有的微觀缺陷不斷擴(kuò)大,直至 形成宏觀裂紋[１４].

化學(xué)成分分析結(jié)果表明,焊材的化學(xué)成分符合 標(biāo)準(zhǔn) 要 求,但 ２０MnMoNb 鋼 有 一 定 的 淬 硬 傾 向. 熱影響區(qū)的硬度比母材高約７０ HB,這是由于焊縫 僅進(jìn)行了３００~４００ ℃保溫３~４h的焊后消氫處 理,而未進(jìn)行焊后去應(yīng)力熱處理.馮干江[１５]等對貝 氏體鋼回火溫度與硬度值的研究表明,當(dāng)回火溫度 低于４５０℃時(shí),其硬度值基本不變,因而測得的熱影 響區(qū)貝氏體組織的硬度值是正常的.金相檢驗(yàn)表 明,裂紋萌生位置在熱影響區(qū)的粗晶區(qū),主要以沿晶 方式擴(kuò)展,部分為穿晶擴(kuò)展.斷口分析表明,熱影響 區(qū)的粗晶區(qū)為脆性斷裂,細(xì)晶區(qū)存在較多的二次裂 紋,且存在典型的 “人”字形氫致開裂花樣.

２０MnMoNb鋼管板在焊接時(shí),要求預(yù)熱溫度為１５０~２００ ℃,若預(yù)熱溫度偏低,則材料的淬硬傾向 增加,且不利于氫的擴(kuò)散,易產(chǎn)生冷裂紋[１４].焊接 工藝要求焊接完成后立即進(jìn)行焊后消氫處理,若處 理溫度及時(shí)間不足,也不利于氫的擴(kuò)散,易產(chǎn)生冷裂 紋.該管板焊接時(shí)間長,需要３２h才能完成焊接, 這使得后續(xù)消氫處理不能及時(shí)進(jìn)行,增加氫致開裂 的傾向.此外,焊接時(shí)空氣中的濕氣對焊接金屬的 擴(kuò)散氫含量有直接影響[１６],當(dāng)空氣濕度較大時(shí),若 焊接工藝執(zhí)行不當(dāng),也可能對焊接產(chǎn)生不利影響.

橫向 裂 紋 的 產(chǎn) 生 與 結(jié) 構(gòu) 剛 性 及 焊 接 應(yīng) 力 有 關(guān)[１７].管板規(guī)格為?２２５０ mm×５７０ mm,屬于大 而厚的鍛件,與８０mm 厚的筒身焊接時(shí)拘束應(yīng)力較 大.焊接金屬收縮時(shí)會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,也就是 說由于焊縫收縮,與焊縫環(huán)向鄰近的熱影響區(qū)會受 到拉應(yīng)力,為橫向裂紋的產(chǎn)生提供了條件.

３ 結(jié)論及建議

(１)該高壓加熱器管板焊接裂紋萌生于焊接熱 影響區(qū)的粗晶區(qū),擴(kuò)展方式主要為沿晶擴(kuò)展,部分為 穿晶擴(kuò)展,焊接熱影響區(qū)未出現(xiàn)淬硬組織;該橫向裂 紋為氫致裂紋,屬于焊接冷裂紋,為焊后氫元素?cái)U(kuò)散 不充分所致,加之該管板為大型鍛件,焊縫冷卻收縮 時(shí)產(chǎn)生的較大內(nèi)應(yīng)力也促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展.

(２)嚴(yán)格按照工藝要求施焊是控制焊接質(zhì)量的關(guān)鍵.焊接返修時(shí)也需要嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行操 作.當(dāng)手工進(jìn)行補(bǔ)焊時(shí),焊條應(yīng)烘干后使用,并嚴(yán)格 控制預(yù)熱溫度,焊后需立即按要求進(jìn)行消氫熱處理, 以有效避免焊接冷裂紋的產(chǎn)生[１８Ｇ１９].

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>55卷>12期(pp:868-872)>