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工业气体流量计

蒸汽流量表孔板焊缝开裂原因分析及对策

时间:2017-06-15
摘要:本文从焊接材料、焊接工艺等方面分析了蒸汽流量孔板焊缝开裂的主要原因,以及异种钢焊接的防裂纹措施。
  我企业蒸汽主管在系统大修时新增了一个 DN600 的蒸汽流量孔板,工作介质为过热蒸汽,压力为 0.5MPa,温度为 180℃,流量孔板与管道采用焊接方式联结,使用 4 天后在环形焊缝中间产生了 400mm 长的纵向裂缝,通过舍夫勒组织图对焊缝金属进行分析,确定焊缝的组织状态,查找焊缝开裂原因。
 
1、流量孔板的焊接及开裂形式:
  蒸汽主管上 DN600 的蒸汽流量孔板,流量孔板与管道焊缝接头图如图 1 所示。

图 1   流量孔板示意图
图 1   流量孔板示意图

  流量孔板环形焊缝的焊接是属于异种钢的焊接,本次焊接采用手工电弧焊,第一层用 A312 焊条,第二层至盖面用 J422 焊条,焊缝熔合比示意图如图 2 所示。
WI. 第一层焊缝、填充金属所占比例(%)  W2. 第二层焊缝、填充金属所占比例(%)  B1、B2、B3. 焊缝中、母材所占百分比(%)  图 2   母材熔合比
WI. 第一层焊缝、填充金属所占比例(%)
 
W2. 第二层焊缝、填充金属所占比例(%)
 
B1、B2、B3. 焊缝中、母材所占百分比(%)
 
图 2   母材熔合比
 
  根据流量孔板环形焊缝开裂的时间、部位、外观特征等可确定其属于脆性断裂。脆性断裂是一种低应力破坏现象,脆断时应力一般不高于结构的设计应力,而且断裂前没有或只有少量的塑性变形,裂纹可瞬时扩展至整体,突然性比较强,潜在危害大。焊缝金属韧性不足是造成脆性断裂的一个重要原因,焊缝金属的韧性决定于其组织状态。本文重点分析化学成分对焊缝金属韧性的影响。
 
2、第一层焊缝金属的化学成分及组织状态分析:

   由图 1 和图 2 可知,环形焊缝金属是由短节(Q235-A)、孔板(1Cr18Ni9Ti)两种不同类型的母材以及填充金属 W1、 W2 融合而成。第一层焊缝金属是由 Q235-A,1Cr18Ni9Ti,以及填充金属 W1 组成。Q235-A 不含合金元素,对焊缝金属中的合金具有稀释作用,使焊缝中的强奥氏体化学元素 Ni 含量减少,如果焊条选用不当,工艺不合理,焊缝中将出现一定量的马氏体组织,避免焊缝金属中出现马氏体组织,是制定焊接工艺的首要原则。根据焊条熔敷金属和母材金属的化学成分及熔合比,可以计算出焊缝金属的当量成分,并可利用舍夫勒组织图来确定其组织状态(如图 3)。
表1                                
                               
母材         化学成分 /%       铬当量 /%   镍当量 /%   图上位置
  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                                
                             
焊条牌号         化学成分 /%       铬当量 /%   镍当量 /%   图上位置
    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、选用 A102 焊条焊缝金属的组织状态:
   Q235-A,1Cr18Ni9Ti 铬、镍当量值见表 1。
   各焊条金属的当量成分见表 2。
   如果两种母材熔化量相同,此时的稀释率既 为 50%, 熔 合 后 的 金 属 当 量 成 分 为:Cr 当量 =0.5X0.53+0.5X18.79=9.66(%);Ni 当 量=0.5X5.62+0.5X11.42=8.52(%);相当于舍夫勒组织图中 C 点成分金属,其组织为马氏体。当采用 A102 焊条焊接时,焊缝金属是由 C 点当量成分的金属与 A102 焊条熔敷金属熔合而成。当母材熔合比为 40% 时,焊缝金属当量成分为:Cr 当量 =15.8 (%);Ni 当量 =10.1(%),相当于图 3 中 f 点成分金属,其组织为奥氏体 + 马氏体。通过分析表明采用 A102 焊条焊接时焊缝中将不可避免地产生脆硬的马氏体。马氏体含量可高达 50% 左右,焊缝金属韧性将严重下降。
 
2.2、选用 A312 焊条时焊缝金属的组织状态:
   A312 焊条金属的当量成分为图 3 中的 e 点,其组织为奥氏体 +7 ~ 8% 的铁素体,此时的焊缝由 C 点金属与 A312 焊条金属熔合而成。当熔合比为 40% 时,Cr 当量 =19.97(%),Ni 当量 =13.82(%),相当于图 3 中 i 点成分金属,其组织为奥氏体。当熔合比为 30% 时,Cr 当量 =21.7(%);Ni 当量=14.7(%),相当于图 3 中 h 点成分金属,其组织为奥氏体 +2 ~ 3% 的铁素体,具有较高的抗裂性能。如上分析可知,在进行流量孔板环形焊缝焊接时,打底焊缝应选用 A312 焊条,且熔合比在 30% 时可保证焊缝具有良好的韧性及抗裂性能。
 A. 奥氏体	B. 马氏体	F. 铁素体  Cr 当量 =Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb  Ni 当量 =Ni+30C+0.5Mn  图 3
A. 奥氏体 B. 马氏体 F. 铁素体
 
Cr 当量 =Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb
 
Ni 当量 =Ni+30C+0.5Mn
 
图 3

3、 第二层焊缝的化学成分及组织状态分析:
3.1、 选用 J422 焊条时焊缝组织状态:

  第二层焊缝由 Q235—A,J422 焊条以及图 3 中 h 点金属所组成。当熔合比在 30% ~ 40% 时, Cr当量 =4.64(%);Ni 当量 =6.01(%),相当于图中k 点成分的金属。由图中可以看出,此时焊缝组织为脆硬的马氏体组织,其韧性严重下降,在使用过程中极易引起焊缝产生脆性断裂。
3.2、选用 A312 焊条时焊缝组织状态:
  第二层焊缝由 Q235—A,A312 焊条以及图 3中h 点金属所组成。当熔合比在 40% 时,Cr 当量=20.56(%),Ni 当量 =14.47(%),相当于图中 g 点成分的金属。其组织为奥氏体,不利于提高焊缝金属的抗裂性能。当熔合比在 30% 时, Cr 当量=22.1(%);Ni 当量 =15.19(%),相当于图中M 点成分的金属,其组织为奥氏体 +2 ~ 3% 的铁素体,金属的塑性、韧性良好,具有良好的抗裂性能。
 
4、分析结论与改进效果:
  通过分析,流量孔板环形焊缝裂纹的原因主要是第二层至盖面焊条选择不当,简单的认为第一层 A312 焊条,已保证了孔板与管道的焊接性能,第二层至盖面焊接的是 Q235—A 管道,采用 J422 焊条以降低焊接成本和提高焊接速度。后来流量孔板修复焊接时,大家调整了焊条型号,全部采用 A312 焊条焊接,一次焊接成型,使用效果良好。实践证明,异种钢 Q235-A 和 1Cr18Ni9Ti 的焊接必须采用 A312 焊条焊接才能获得优良的抗裂性能。以后在焊接实践中,针对异种钢的焊接,制定焊接工艺和选择焊条时一定要做好组织分析。
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