1、漫谈压力容器焊接热纹的成因及防治【摘要】：在焊接中存在某种缺陷，就可能在焊接残余应力和工作应力的联合作用下逐渐扩展，深入到壳体母材并最终导致容器的破裂，因此，在压力容器中，焊接缺陷的危害性极大，必须严格控制。查明一种焊接缺陷的形成的真正原因，需要作大量反复的试验和调查研究，对于实际生产中产生的热裂纹焊接缺陷，掌握其具体的防止措施，最大限度地避免其发生，对减少压力容器安全事故的发生，保证设备的正常运行具有深远意义。本文首先介绍了焊接热裂纹形成机理，通过实例分析产生焊接缺陷的主要原因，进而提出相应的防治措施。以供工程技术人员参考。 【关键词】：压力容器；焊接热纹；成因及防治 中图分类号：TH49
2、文献标识码：A 文章编号： 1、引言 在压力容器中，对焊接接头质量提出了相当严格的要求。压力容器与其它的焊接结构不同，其焊接接头是受压壳体的重要组成部分。焊接接头承受着与壳体相同的工作应力，经受相同的工作介质的物理化学作用。压力容器中的受压部件如筒体、封头、接管等都是通过焊接连成一个整体的。如果在焊接中存在某种缺陷，就可能在焊接残余应力和工作应力的联合作用下逐渐扩展，深入到壳体母材并最终导致容器的破裂。因此，在压力容器中，焊接缺陷的危害性极大，必须严格控制。压力容器焊接缺陷有很多种，热裂纹则是最常见的一种焊接缺陷。为了有效地消除和防止焊接接头中的热裂纹产生，必须认真地分析缺陷的形成原因，探索促
3、使缺陷形成的主要因素，有的放矢地采取具体防止措施。 2、热裂纹形成原因及防止措施 在压力容器焊接接头中，常见的热裂纹有两种，即结晶裂纹和液化裂纹。结晶裂纹是焊接熔池初次结晶过程中形成的裂纹，是焊缝金属沿初次结晶晶界的开裂。而液化裂纹是紧靠熔合线的母材晶界被局部重溶，在收缩应力作用下而产生的裂纹。 结晶裂纹的形成需要 3 个因素：（1）焊接母材和焊接材料的合金成分；（2）熔池的形状与散热方向；（3）熔池的体积，以及工件的形状和壁厚。在上述 3 个条件中，第一个是冶金因素，它是焊缝金属热裂纹形成的根本原因。如果焊接熔池金属中低熔点杂质很少或根本没有，则即使结晶的方向不利，收缩量很大，也不会产生裂纹
4、，而如果焊接熔池中低熔点共晶体较多，即使结晶方向较理想，焊缝金属的收缩应变较小，也可能产生热裂纹。因此，为了防止焊缝金属中热裂纹的形成，最主要的是应严格控制焊缝金属中 C、S、P 和其它易形成低熔共晶体的合金成分含量，这些元素和杂质的含量越低，则焊缝金属的抗热裂能力越高。一般焊缝金属中 C 含量大于 0.15%，S 含量大于 0.040%就可能出现裂纹。在压力容器中，常用的碳钢和低合金碳钢含量最大可能达到 0.26%，在这种情况下，首先必须选用低碳优质焊接材料，使之与母材混合后形成的焊缝中 C、S 等含量低于上列临界值。其次可以从工艺上采取措施，尽量减少母材在焊缝金属中的混合比。例如将焊缝开成
5、一定形状的坡口，减少埋弧自动焊坡口的钝边尺寸。选用线能量较低的焊接规范等。防止焊缝热裂纹的另一种有效方法是改变焊缝横截面的形状，焊缝形状一般以形状系数来表征，形状系数是焊缝宽度与熔深之比。形状系数越大，热裂纹的形成几率越小。改变焊缝形状系数可由调节焊接规程规范参数来实现。提高电弧电压，降低焊接电流可明显改善焊缝的成形，也就提高了抗热裂的能力。下面举例说明在具体生产条件下，热裂纹形成的原因以及防止热裂的有效措施。 例：一台壁厚为 65mm 的高压反应容器。选用 20g 钢厚板制成。环缝边缘加工成 U 形的坡口。V 形坡口内环缝采用 T507 焊条焊接。内环缝焊满后，U 形坡口底部无需清根，可直接
6、采用焊条电弧焊进行焊接。由于坡口的钝边为 5+10mm，故选用 800A 以上的电流焊接底层焊道。在焊接过程中，将焊缝上的熔渣清除后，从焊缝表面用肉眼就可以发现沿焊缝结晶中心线形成的热裂纹。这是一种典型的沿焊缝结晶迎合面形成的结晶裂纹。为分析这种裂纹形成的原因，将焊丝和焊缝金属取样进行了化学成分的分析，发现焊缝金属的 C 含量较高，达 0.15%0.16%。焊丝的 C 含量仅 0.08%。通过对比分析不难判断，焊缝金属的较高 C 含量来源于焊缝金属中的母材。因为在焊接底层焊道时，必须将 5+10mm 的钝边完全熔透，加上采用较高的焊接电流，焊缝金属的熔深较大，焊缝的形状系数较小，焊缝的金属结晶
7、方向也有利于裂纹的形成。为消除这种热裂纹，必须降低焊缝金属中的 C 含量，改善焊缝的成形。在实际的生产条件下，用更换 C 含量较低的壳体材料往往是不现实的。因此降低焊缝金属 C 含量的唯一办法是修改坡口的尺寸，即将坡口的钝边由原来的5+10mm 改为 3+10mm，U 型坡口的底部 R 尺寸由原来的 8+10mm 改为10+10mm。钝边减薄后采用较低的焊接电流就可达到完全焊透。这样，既减小了母材在焊缝中的混合比例，又改善了焊缝形状。按改进后的工艺焊接的焊缝无论从外表检查，还是用 x 射线检查，均未发现裂纹，这证明上述防止热裂的工艺措施是有效的。 液化裂纹的形成则归结于母材晶粒边界的低熔点共晶
8、物。因此液化裂纹多产生于 C、S、P 杂质较高的母材与焊缝的融合边界。为防止液化裂纹，首先应从材料上着手，选用 S、P 杂质含量低的母材，往往 S、P 含量偏标准范围上限的钢材就更容易产生液化裂纹。为了消除液化裂纹，可以采取下列工艺措施：（1）对需要用大规范焊条电弧焊焊接的钢板进行筛选，采用 C、S、P 含量低的钢板。 （2）对于直边不开坡口的对接接头，加大接缝间隙至 45mm，这样可以在较小的焊接电流下完成完全焊透的焊缝。 （3）将对接焊缝开成 V 型坡口，采用低规范多道焊条电弧焊。当然采取这种工艺措施会大大降低了焊接生产率，不是一种值得推荐的合理工艺，只能在无法更换材料时才可采用。而防止液
9、化裂纹的根本方法是选用 C、S、P 含量较低的材料，钢中 C 含量在 0.20%以下，S、P 含量在 0.03%以下，就不会出现近缝区的液化裂纹。 3、结语 在实际生产中，造成焊接缺陷产生的因素往往是错综复杂的。其中包括结构、冶金、工艺因素。而这三个主要因素本身又涉及到很多方面。为了查明一种焊接缺陷的形成的真正原因，需要作大量反复的试验和调查研究，对于实际生产中产生的热裂纹焊接缺陷，掌握其具体的防止措施，最大限度地避免其发生，对减少压力容器安全事故的发生，保证设备的正常运行具有深远意义。 参考文献 1 全国压力容器标准化技术委员会. JB/T 4708-2000 钢制压力容器焊接规程S . 昆明: 云南科技出版社, 2000. 2 张金昌.锅炉、压力容器的焊接裂纹与质量控制M.天津：天津科学技术出版社，1985. 3 GB/T 985.1-2008，气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊的推荐坡口S 4国家质量监督检验检疫总局. 锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则M . 北京: 中国锅炉压力容器安全杂志社, 2002. 5 王德祥.漫谈压力容器焊接热纹的成因及防治M.中国锅炉压力容器安全杂志社，2009.
