分享：高压加热器管板与筒节环焊缝横向裂纹 产生原因分析
摘 要:某未服役高压加热器管板与筒节环焊缝产生了密集的横向裂纹.通过宏观检验、化学 成分分析、硬度测试及金相检验等方法对裂纹产生原因进行了分析.结果表明:裂纹位于管板侧的 熔合线区域,萌生于热影响区的粗晶区,主要沿晶界扩展,扩展方向垂直于环焊缝;裂纹具有典型的 氢致裂纹特征,属于焊接冷裂纹,焊缝冷却收缩时产生的较大内应力也促进了裂纹的萌生和扩展.
关键词:２０MnMoNb钢;管板;环焊缝;横向裂纹;热影响区;焊接冷裂纹;氢致裂纹
中图分类号:TG４４１．７ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ０８６８Ｇ０５
高压加热器是火力发电机组回热系统中的主要 设备,其利用汽轮机抽气的过热度及凝结放热来升 高给水温度,对提高机组效率和电厂经济效益具有 重要意义[１].管板是高压加热器中的重要部件,用 来排布换热管并起到分隔管壳空间、避免冷热流体 混合的作用,通常为大而厚的饼形锻件[２].
２０MnMoNb钢属于合金钢,作为锻件材料多用 于制造火电机组的高压加热器管板或化工设备中的 换热器管板.２０MnMoNb钢中微量的钼、铌为强碳 化物形成元素,此碳化物能显著地阻碍奥氏体晶粒 长大,所以这两种元素可起到细化晶粒、稳定组织、 提高强度及改善钢的抗蠕变性能的作用[３Ｇ６].
２０MnMoNb钢的焊接性相对较差,冷裂纹倾向 敏感,属于不易焊接材料,需要采取严格的工艺措施 才能焊接[７Ｇ９].如龙金明等[１０]在进行２０MnMoNb钢 厚壁管焊接时,其热影响区产生了穿透性裂纹.文献 [４]认为２０MnMoNb钢焊接的主要问题在于拘束应 力较大的情况下冷裂纹的倾向较大.文献[５]发现 ２０MnMoNb钢焊接过程中,当不进行预热且线能量 较小时,近焊缝区域易产生淬硬组织;当进行预热且 线能量较大时,热影响区晶粒易粗大.可见,多种因 素均可能导致２０MnMoNb钢产生焊接缺陷.
某高压加热器管板与筒节环焊缝在焊接后的探伤过程中发现表面存在大量的横向裂纹(已进行消 氢热处理,尚未进行焊后去应力热处理).管板材料 为２０MnMoNb钢,规格为?２２５０ mm×５７０mm, 筒节材料为１５CrMoR 钢,壁厚δ 为８０mm.焊缝 采用 R３０７焊条打底,H０８CrMoG 焊丝埋弧自动焊 接.由于２０MnMoNb钢不易焊接,且影响焊接的 因素众多,笔者对开裂区域进行取样分析,查明了裂 纹产生的原因,并提出了预防措施,以避免后续出现 类似问题.
１ 理化检验
１．１ 宏观检验
对该环焊缝进行磁粉探伤,发现焊缝处存在开口 裂纹.对裂纹进行打磨,发现近表层存在数量较多的 非开口裂纹.采用砂轮对开裂区域磨抛,并使用质量 分数为２０％的硝酸水溶液浸蚀后,观察到在管板侧 熔合线附近密集分布着垂直于焊缝的横向裂纹,裂纹 长度为３~１０mm 不等,见图１.
１．２ 化学成分分析
对母材及焊缝取样进行化学成分分析,结果见 表１.管 板 母 材 的 化 学 成 分 满 足 NB/T４７００８－ ２０１０«承 压 设 备 用 碳 素 钢 和 合 金 钢 锻 件 »对 ２０MnMoNb钢的要求,且磷、硫含量较低;焊缝的化 学成分除碳元素略低于标准值外,其他元素均满足 NB/T４７０１８－２０１１«承压设备用焊接材料订货技术 条件»对 H０８CrMoG 焊丝的成分要求.
２０MnMoNb钢强度较高,其淬硬倾向和碳当量 有关.文献[９]计算得到 ２０MnMoNb钢的碳当量 Ceq＝０．５７７＞０．５,冷裂纹敏感指数Pw＝０．４６＞０,表 明其冷裂纹倾向敏感.
国际焊接学会推荐的碳当量(％)计算方法为
式中:w 为各元素的质量分数.
冷裂纹敏感指数Pw 的计算方法为
式中:Pcm 为合金元素的敏感系数,％;[H ]为日本 JIS甘油法测定的扩散氢含量,mL??(１００g)－１;R 为 拘束度,kg??mm－２.
Pcm 按照下式计算
根据表１所示的２０MnMoNb钢化学成分的实 测值,按照式(１)计算得到碳当量为０．６３,在不计拘 束度和扩散氢含量的情况下,Pw ＞Pcm ＝０．３１.当 管板较厚时,由于结构刚度造成的拘束度较大,Pw 值也会增加.此外焊接时不均匀加热及冷却产生的 热应力、金属的相变应力等也使得管板焊接容易产 生冷裂纹[１０].
１．３ 硬度测试
对管板母材、热影响区以及焊缝取样进行布氏 硬度测试,结果如表２所示.可见管板母材硬度平 均值为１９２HV;热影响区最大硬度达到２７８ HV, 比母材高８６HV.
由 碳 当 量 计 算 值 (Ceq ＝０．６３)可 以 看 出, ２０MnMoNb钢有一定的淬硬倾向.张金昌[１１]研究 发现,钢的淬硬倾向越大就会出现越多的马氏体组 织,因而易发 生 脆 性 断 裂.顾 溥 锦[１２]等 研 究 发 现 ２０MnMoNb钢 的 淬 硬 组 织 为 马 氏 体,其 硬 度 为 ４５０HB.肖银生[７]等研究发现,当２０MnMoNb钢 管板的热影响区中出现马氏体淬硬组织时,热影响 区硬度值最大为４４６ HV;当热影响区组织为粒状 贝氏体时,其硬度值最大为２９３HV;当热影响区组 织为板条贝氏体＋粒状贝氏体时,其硬度值最大为３２８HV;当热影响区组织为回火贝氏体时,其硬度 值最大为２５３HV.
从表２所示的硬度实测值来看,热影响区的硬 度远低 于 ２０MnMoNb 钢 中 淬 硬 马 氏 体 组 织 的 硬 度,且焊缝处于未去应力热处理状态,该硬度值处于 正常范围内.
１．４ 金相检验
在裂纹区截取 试 样 进 行 金 相 检 验,可 见 裂 纹 产生于焊 接 热 影 响 区,尖 端 较 为 尖 锐,沿 垂 直 于 熔合线 方 向,向 热 影 响 区 的 细 晶 区 (FGHAZ)及 焊缝扩展;裂 纹 在 焊 缝 内 部 为 穿 晶 裂 纹,在 热 影 响区的 粗 晶 区 (CGHAZ)主 要 为 沿 晶 裂 纹,符 合 焊接冷裂纹 的 特 征,见 图 ２. 热 影 响 区 的 粗 晶 区 显微组 织 为 板 条 贝 氏 体,而 不 是 ２０MnMoNb钢 典型的焊接淬硬组织[１２],这与热影响区硬度实测 值是对应的.
１．５ 断口分析
使用扫描电镜对裂纹处进行断口形貌分析,可以 看到母材和焊缝均存在韧窝,见图３a).热影响区的 粗晶区以沿晶开裂为主,存在少量准解理开裂,断口 整体呈冰糖状,存在晶界间的撕裂脊,是典型的脆性 断裂,见图３b).热影响区的细晶区断裂形式为沿晶 和穿晶混合开裂,断口上存在河流花样或准解理花样 以及大量的二次裂纹,见图３c).断口中还可观察到 “人”字形花样,为氢致开裂特征,见图３d).
２ 分析与讨论
焊接冷裂纹包括延迟裂纹(氢致裂纹)与淬硬裂 纹,主要发生在高、中碳钢及中、低合金高强度钢的 焊接热影响区,影响因素主要有拘束应力、淬硬组织 和氢元素等[１０].氢致开裂是指有相当延性的材料 在低于屈服强度的恒定拉应力作用下发生的脆性断 裂.这种开裂有一定的抗拉强度阈值,此值与氢的 逸度和合金元素有关,且材料的强度越高,阈值越低.氢致开裂的基本条件为钢中的氢能沿着浓度梯 度或应力梯度方向自由扩散.金属中的氢元素来源 主要有两种:一是在材料制造过程中进入的氢,这种 在材料使用之前就存在于金属内部的氢,其含量或 者不断减少或者保持不变,但不会增加,其分布可能 会发生改变;二是使用过程中从周围液相或气相环 境进入到材料内部的氢[１３].氢由金属内部向外部 扩散时,会遇到某些“陷阱”(如显微杂质和微孔等) 而发生聚集,并由原子态转为分子态,这会形成较大 的内应力,从而促使原有的微观缺陷不断扩大,直至 形成宏观裂纹[１４].
化学成分分析结果表明,焊材的化学成分符合 标准 要 求,但 ２０MnMoNb 钢 有 一 定 的 淬 硬 倾 向. 热影响区的硬度比母材高约７０ HB,这是由于焊缝 仅进行了３００~４００ ℃保温３~４h的焊后消氢处 理,而未进行焊后去应力热处理.冯干江[１５]等对贝 氏体钢回火温度与硬度值的研究表明,当回火温度 低于４５０℃时,其硬度值基本不变,因而测得的热影 响区贝氏体组织的硬度值是正常的.金相检验表 明,裂纹萌生位置在热影响区的粗晶区,主要以沿晶 方式扩展,部分为穿晶扩展.断口分析表明,热影响 区的粗晶区为脆性断裂,细晶区存在较多的二次裂 纹,且存在典型的 “人”字形氢致开裂花样.
２０MnMoNb钢管板在焊接时,要求预热温度为１５０~２００ ℃,若预热温度偏低,则材料的淬硬倾向 增加,且不利于氢的扩散,易产生冷裂纹[１４].焊接 工艺要求焊接完成后立即进行焊后消氢处理,若处 理温度及时间不足,也不利于氢的扩散,易产生冷裂 纹.该管板焊接时间长,需要３２h才能完成焊接, 这使得后续消氢处理不能及时进行,增加氢致开裂 的倾向.此外,焊接时空气中的湿气对焊接金属的 扩散氢含量有直接影响[１６],当空气湿度较大时,若 焊接工艺执行不当,也可能对焊接产生不利影响.
横向 裂 纹 的 产 生 与 结 构 刚 性 及 焊 接 应 力 有 关[１７].管板规格为?２２５０ mm×５７０ mm,属于大 而厚的锻件,与８０mm 厚的筒身焊接时拘束应力较 大.焊接金属收缩时会产生较大的内应力,也就是 说由于焊缝收缩,与焊缝环向邻近的热影响区会受 到拉应力,为横向裂纹的产生提供了条件.
３ 结论及建议
(１)该高压加热器管板焊接裂纹萌生于焊接热 影响区的粗晶区,扩展方式主要为沿晶扩展,部分为 穿晶扩展,焊接热影响区未出现淬硬组织;该横向裂 纹为氢致裂纹,属于焊接冷裂纹,为焊后氢元素扩散 不充分所致,加之该管板为大型锻件,焊缝冷却收缩 时产生的较大内应力也促进了裂纹的萌生和扩展.
(２)严格按照工艺要求施焊是控制焊接质量的 关键.焊接返修时也需要严格按照工艺要求进行操 作.当手工进行补焊时,焊条应烘干后使用,并严格 控制预热温度,焊后需立即按要求进行消氢热处理, 以有效避免焊接冷裂纹的产生[１８Ｇ１９].
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