在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施

在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施陈冰川，陈伟民，朱伟青（国核电站运行服务技术有限公司，上海200233）摘要：对某在役奥氏体不锈钢压力容器进行现场金相检测时发现其下封头的纵向焊缝处存在微裂纹。分析了裂纹的形成原因，结果表明该裂纹是由焊接引起的横向沿晶液化裂纹和由压制成型引起的纵向裂纹共同构成的混合型裂纹。针对如何预防此类裂纹，提出了相应的工艺改进措施。关键词：奥氏体不锈钢；压力容器；焊缝；裂纹；应力分析中图分类号：文献标志码：A文章编号：TheCauseAnalysisandPreventionMeasuresofWeldingCracksontheIn-servicePressureVesselCHENBing-chuan，CHENWei-min，ZHUWei-qing(StateNuclearPowerPlantServiceCo.Ltd.,Shanghai200233,China)Abstract:Inthelocalmetallographicexaminationprocessforanausteniticstainlesssteelin-servicepressurevessel,themicroscopiccrackshadbeenfoundinthelongitudinalweldofitslowerhead.Formationmechanismofcracksisanalyzed,theresultshowthatthosecracksarecomposedoftransverseliquefactioncrackscausebyweldingandverticalcrackscausedbythesuppressionmoldinginmanufacture.Somemeasureshaveproposedtothepreventionofthiskindofcracks.Keywords:austeniticstainlesssteel;pressurevessel;weld;cracks;stressanalysis在压力容器、锅炉和管道等设备部件制造中，常常需要依靠焊接工艺实现两部分母材间的结合。由于在焊接过程中母材被瞬间加热熔化形成熔池，随后熔池液态金属快速冷却结晶而形成焊缝。在熔池金属结晶过程中，焊接接头的显微组织会发生变化，产生焊接应力和变形，同时可能产生各种焊接缺陷，从而影响焊接件的力学性能。因此焊接是一种比较容易出现缺陷的热加工工艺。金山某化工厂的在役压力容器R2204A聚合反应器标称为II类容器，材质为316L超低碳奥氏体不锈钢，容器规格Φ5060×22mm，运行介质为有机催化剂，设计温度200℃，业主方未提供其他有关的运行参数。该压力容器主要由筒体和上下封头组成，筒体为钢板卷曲为圆筒状后焊接而成，上下封头则为多块钢板拼焊后冷压制成椭圆形，最后筒体与上下封头通过环形焊缝焊接而成，具体的焊接工艺不详。在2009年12月国核电站运行服务技术有限公司按照《在用压力容器检验规程》的有关规定及业主方的委托，对其内部进行了定期无损检测和金相检验，检测部位见图1，包括椭圆形下封头拼接钢板的两条纵向焊缝和一条筒体与封头连接的丁字焊缝，图中所示的1#、2#和3#依次为这三条焊缝上的现场金相检验的取样部位。图1压力容器的检测部位示意图Figure1Schematicdiagramofpressurevesselinspectionpart在对这三条焊缝进行渗透检测时，表面均未出现记录性缺陷显示。渗透检测对表面缺陷的检出灵敏度一般为1mm宽，低于这一尺寸的缺陷一般难以通过渗透检验检出。在渗透检验的焊缝中黑色区域为现场金相检验的取样部位，如图2所示。a．纵向焊缝的渗透检测及金相检验的1#取样部位a.PenetrationtestandmetallographicexaminationofNo.1samplingpartonlongitudinalweldb．丁字焊缝的渗透检测及金相检验的3#取样部位b.PenetrationtestandmetallographicexaminationofNo.3samplingpartonT-weld图2焊缝的渗透检测及金相检验取样部位Figure2Penetrationtestandmetallographicexaminationsamplingpartonweld现场金相检验结果发现封头上的两条纵缝（1#、2#取样部位）的熔合线靠近母材侧存在微裂纹，裂纹形貌如图3所示。a.100倍a.100Xb.400倍b．400X图3纵向焊缝处的裂纹形貌Figure3Thecracksmorphologyofthelongitudinalweld检测结果交给业主方后，按照《在用压力容器检验规程》的安全状况等级评定有关内容，将该压力容器的安全状况等级降为4级。由于无法对在役压力容器进行破坏性试验，《在用压力容器检验规程》中所要求的检测方法主要包括无损检测、硬度测定、金相检验、应力测定和耐压试验等，而作为一种重要的分析手段，现场金相检验对压力容器的完整性影响极小，可以在不破坏其使用的情况下研究材料的微观组织变化，分析和推测这台压力容器产生微裂纹的产生原因，故对其的微裂纹成因分析主要借助于金相分析。1裂纹的成因分析1.1横向裂纹的成因1.1.1各区域金相组织的差异焊接接头包括焊缝、熔合区和母材热影响区三个区域，各区域的组织和力学性能差异较大。从图3可以看出，该焊接接头的焊缝组织为奥氏体柱状晶；在100倍的金相照片上可观察到，其熔合线上方有较宽的黑色条状区域，说明熔合区存在较严重的偏析和杂质聚集，这种化学成分的不均匀性会导致力学性能严重下降，其组织为奥氏体柱状晶+枝晶；熔合线下方为母材热影响区中的过热区，组织为较粗大的奥氏体孪晶。焊接接头上的微裂纹多位于熔合区附近，向母材热影响区沿晶扩展，一定数量的垂直于焊缝的横向裂纹与少量平行焊缝但尚未贯穿的纵向裂纹构成一条混合型裂纹带。1.1.2液化裂纹的形成机理在母材与焊缝交界处，即熔合区或多层焊缝层间的金属由于在焊接过程中快速加热和快速冷却，且往往在晶间还存在低熔点合金和夹杂物，容易发生局部熔化而形成沿晶扩展的裂纹，这种裂纹称为液化裂纹[1]。图4液化裂纹示意图Figure4Schematicdiagramofliquidcracks从纵向焊缝的金相照片中观察到，该焊接接头的熔合区过宽、低熔点共晶体偏析严重说明化学成分控制不佳，这些都对液化裂纹的形成产生了重要影响。结合微裂纹的形貌特征，认为其中的横向裂纹主要是焊接热裂纹中的液化裂纹，呈沿晶开裂方式产生在熔合区附近，向母材热影响区中的过热区发展，如图4所示。1.2纵向裂纹的成因纵向裂纹源于应力集中引起的开裂，该压力容器的封头采用拼板焊接后再压制成型工艺，在焊接完成后，内部容易产生焊接残余应力和焊接变形。当焊接后再进行封头压制成型时，焊接残余应力与冷压成型应力相叠加，造成焊缝局部区域应力过高，使焊缝产生新的塑性变形，故诱发了纵向裂纹。关于焊接残余应力和冷压成型应力的具体分析如下：1.2.1焊接残余应力由于焊接过程是局部加热，焊接件各部分不能同步加热和冷却，也不能自由膨胀和收缩。在加热时，焊缝金属及其附近区域的母材受周围冷金属的拘束，不能自由膨胀而受到塑性压缩；在冷却后不能自由收缩而受拉应力，同时还可能发生焊接变形[2]。这种冷却后的拉应力如果不经过恰当的去应力处理便会成为焊接残余应力，影响焊接构件的承载能力。但对于奥氏体不锈钢，一般不宜进行去应力处理。因为奥氏体不锈钢如果在500~850℃左右温度下热处理时易发生敏化，析出Cr23C6型碳化物[3]，导致不锈钢的冲击韧性以及耐腐蚀性能大大下降，甚至诱发再热裂纹。显然，焊接后未进行去应力处理的奥氏体不锈钢便会有少量残余应力存在[4]，为垂直于焊缝方向的拉应力。1.2.2冷压成型应力该封头的制造工艺主要为三块奥氏体不锈钢拼板纵向焊接而成，之后在压制力F的作用下，封头拼板受压变形，最终达到所要求的形状。压制过程采用冷压成型工艺，工艺简图见图5。拼板焊缝压制力图5封头压制成型工艺示意图Figure5Schematicdiagramofpressuremoldingprocessforlowerhead在压制过程中，在两条纵向焊缝区域内，外加压制应力会引起内应力，其方向为垂直于焊缝的拉应力，如图6所示。这种拉应力与焊接残余应力相叠加，在力学性能最差的焊缝熔合区附近造成应力集中，导致焊缝熔合区内塑性较差的区域出现大量微裂纹。a.拼板纵向焊缝剖面示意图a.Schematicdiagramofthesectionoflongitudinalweldinspliceplateb.熔合区任一点应力分析b.Stressanalysisofrandompointinthefusionzone图6焊缝区域应力分析Figure6Stressanalysisofweld按照断裂力学理论[5]，断裂强度因子aYKI，式中：Y表示裂纹形状系数，对于含穿透裂纹的无限板，Y；表示裂纹扩展时受到的外加应力值；a表示裂纹长度。在已形成的微裂纹处，应力集中程度最高，一旦超过了微裂纹能够承受的应力值后就会使裂纹不断向前扩展，最终扩展为大致与焊缝平行的纵向裂纹。2裂纹的预防措施根据此种裂纹的成因分析结果，我们建议业主加强对该台容器的检测频率，重点跟踪微裂纹的扩展情况。同时，还为今后压力容器封头避免出现此类裂纹，提出了以下预防措施：2.1严格控制化学成分严格限制奥氏体不锈钢焊接材料和母材中的硫、磷等低熔点杂质元素的含量；改进冶金技术，有效降低含碳量；适当添加钒、钛、铌等微量元素。2.2控制焊接接头质量业主方虽未能提供实际所采用的焊接工艺，但从焊缝金相照片上的熔合线过宽可推断出焊接工艺存在问题，故建议在焊接方面应当控制焊接工艺参数以适当提高焊缝成形系数，一般不采用大热输入量进行焊接。焊条电弧焊时，宜采用小焊接电流，快速多道焊，对于工艺要求高的焊缝，甚至可以采用浇冷水等措施以加速冷却，防止焊缝晶粒严重长大和焊接热裂纹的形成。采用合理的焊接顺序来减小焊接应力，并控制焊接质量。在焊接后或封头压制完成后可进行低温去应力处理，温度范围控制在300~350℃，不宜超过450℃，以免析出高铬碳化物造成晶界贫铬，引起晶间腐蚀。同时在焊接过程中，应采用气体保护焊，避免其他杂质进入熔池。2.3优化封头制造工艺随着原材料加工工艺的进步以及宽大的钢板制造能力的提高，以上的拼板焊接压制的封头制造工艺已经逐渐淘汰，而采用更先进的独幅板材压制成型技术来制造大型压力容器的封头。这种更先进的封头制造工艺以及合理的结构设计可以有效地避免焊接和冷压成型过程的应力集中问题。3结论综上所述，该容器的封头拼板焊缝由于焊缝熔合区的化学成分控制不佳，存在严重偏析和夹杂物，使力学性能下降，从而增加了横向的液化裂纹倾向；同时受到冷压成型应力和焊接残余应力的联合作用，在熔合区应力集中引发了纵向裂纹，一定数量的横向裂纹与少量尚未贯穿的纵向裂纹构成了一条混合型裂纹带。参考文献[1]王荣.焊接件的金相检验[M]//徐祖耀,黄立本,鄢国强主编,中国材料工程大典:第26卷,材料表征与检测技术,第7篇,金相分析.北京:化学工业出版社,2006;740~747.[2]王志海主编.热加工工艺基础[M].武汉:武汉工业大学出版社,1996;174~179.[3]杨力.不锈钢、耐热钢及高温合金的金相检验[M]//徐祖耀,黄立本,鄢国强主编,中国材料工程大典:第26卷,材料表征与检测技术,第7篇,金相分析.北京:化学工业出版社,2006;719~722.[4]戈兆文主编.承压设备焊接工程师[M].昆明:云南科技出版社,2004;105.[5]褚武扬编著.断裂力学基础[M].北京:科学出版社,1978;11.