蒸壓釜鑄鋼釜環及蓋緣裂紋的焊接修復工藝及性能研究

沈曉勤，謝堅鎏，石永華

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640；2.江門市新會區同達化工機械制造有限公司，廣東江門529100）

蒸壓釜鑄鋼釜環及蓋緣裂紋的焊接修復工藝及性能研究

沈曉勤1，謝堅鎏2，石永華1

（1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州510640；2.江門市新會區同達化工機械制造有限公司，廣東江門529100）

蒸壓釜經過長期使用后，釜環齒圈及蓋緣齒圈的嚙合齒齒根部位易出現裂紋。對鑄鋼裂紋的焊接修復工藝及接頭性能進行了研究，結果表明：對ZG230-450H鑄鋼試樣采用低氫的藥芯焊絲CO2氣體保護焊，應用多層焊工藝，配以焊前預熱、控制層間溫度及焊后保溫緩冷等措施，以較小的焊接電流和較快的焊接速度（即較小的焊接線能量）進行焊接，能獲得與母材等強度且沒有裂紋的焊接接頭。

蒸壓釜；鑄鋼；裂紋；焊接工藝性能

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.011

0　前言

蒸壓釜在工業生產中應用極其廣泛。蒸壓釜兩端的釜環及蓋緣材質為鑄鋼，其在鑄造過程中容易產生砂眼、疏松等缺陷。由于蒸壓釜的工作壓力較高，釜體長期承受升降壓的交變載荷，釜環及蓋緣極易在上述缺陷處產生疲勞裂紋并擴展，嚴重影響設備的安全。對此裂紋的處理，一是將釜環及蓋緣更換，成本高，時間也比較長；二是進行焊接修復，如采用適當的工藝，可避免焊接裂紋的產生，降低維修成本，增加經濟效益。

鑄鋼的碳當量高，可焊性較差，需要精心調整焊接參數。對鑄鋼與Q345B或低合金鋼的CO2氣體保護焊工藝研究表明，焊接過程中應采取焊前預熱（100℃～200℃），保證層間溫度不低于預熱溫度，焊后保溫和錘擊焊縫釋放應力，可獲得合格的焊接接頭［1-2］。對于厚大鑄鋼件的手工電弧焊，需采取焊前預熱（250℃）、短弧、多層焊等方式，層間保溫并采用機械振動法消除焊縫層間應力和氫，焊后用保溫棉對焊縫附近20 cm范圍進行保溫緩冷至室溫［3-4］。

1　設備概況

某管樁公司蒸壓釜設計工作壓力1.1 MPa，設計工作溫度187℃，工作介質為飽和水蒸汽和水泥管樁；釜體內徑3 000 mm，筒體長25 820 mm，壁厚22 mm，材質為16MnR，釜環及蓋緣材料為ZG230-450H鑄鋼，其化學成份及力學性能見表1。該釜環齒圈及蓋緣齒圈的嚙合齒齒根部位存在多處線狀裂紋（見圖1），裂紋一般長15～30 mm，最長達80 mm，經打磨檢查發現裂紋深度在2～6mm范圍內。

表1　R鑄鋼釜環及蓋緣的化學成份和性能

圖1　蒸壓釜釜環及蓋緣齒圈

從現場檢測出的裂紋表面上看，是由于蒸壓釜經過近15年的滿負荷運行，受溫度及壓力交變載荷而產生的疲勞裂紋，但是將裂紋打磨至2 mm以下發現裂紋下面出現很多鑄造缺陷，如疏松組織、砂眼等。由此可見，在釜環及蓋緣內部存在的不均勻應力，在這些鑄造缺陷周圍產生應力集中，也是導致裂紋產生的原因。因此，要清除這些缺陷，就必須將裂紋和鑄鋼件的鑄造缺陷一起清除，才能達到完全清除設備缺陷的目的。

2　焊接工藝性能研究

為了焊接修復釜環齒圈及蓋緣齒圈的嚙合齒齒根部位存在的裂紋，對鑄鋼ZG230-450H的焊接工藝性能進行了試驗研究。

2.1試驗條件

試板板厚為30 mm，坡口形式為X型（如圖2），焊前預熱，焊后保溫，多層焊。采用FCAW，保護氣體為瓶裝CO2氣體；焊絲牌號：TWE-711；焊絲規格：?1.2；焊接電源：CO2氣體保護焊機（型號KRII500）。

圖2　試樣坡口型式及尺寸

2.2試驗數據及結果

2.2.1首次試驗

焊接工藝參數如表2所示。焊縫表面質量檢查為合格，焊接接頭放置24小時后試板經X射線檢測，按JB/T4730.2-2005標準評定為合格。接頭學性能如表3所示，彎曲試驗在彎曲面焊接熱影響區斷裂（如圖3），按JB4708-2000評定為不合格；拉伸試驗抗拉強度未達到標準值要求，按JB4708-2000評定為不合格。

表2　R首次試驗的焊接工藝參數

圖4為焊縫金相組織，首次試驗階段由于多層焊的焊縫層數少，每層厚度大，焊縫層中的柱狀晶組織未被消除。而且焊接線能量過高（其值為15 840 J/cm），導致焊縫及熱影區過熱，降低了接頭的塑性和韌性，增加了焊后產生裂紋的傾向。

表3　R首次試驗的焊接接頭力學性能

圖3　首次試驗彎曲試樣

圖4　首次試驗焊縫金相組織（50×）

2.2.2調整工藝試驗

根據首次試驗的結果，進行第二階段焊接工藝調整試驗。增加多層焊焊縫層數，加快焊接速度，減小焊接電流，降低焊接線能量。調整試驗的工藝參數如表4所示，焊接接頭表面質量經檢查為合格，接頭焊后保溫24小時后試板經X射線檢測，按JB/ T4730.2-2005標準評定為合格。接頭力學性能試驗結果如表5所示。圖5為彎曲試樣，彎曲試驗時彎曲面存在超標裂紋，按JB4708-2000評定為不合格；拉伸試驗抗拉強度未達到標準值要求，按JB4708-2000評定為不合格。圖6為焊縫金相組織，由于多層焊焊縫層數增加，每層厚度減少，焊縫層中的柱狀晶組織也在減少。而且焊接線能量的減少為9 216 J/cm，也使焊縫及熱影區的過熱狀況得到改善，接頭強度有所提高，但依然未達標。

2.2.3調整工藝再試驗

總結前兩階段的工藝試驗結果，再次調整焊接工藝參數。繼續增加多層焊焊縫層數，提高焊接速度，減小焊接電流，進一步降低焊接線能量，并嚴格控制層間溫度。調整再試驗的焊接工藝參數如表6所示，焊接接頭表面質量合格，接頭焊后保溫24小時后試板經X射線檢測，按JB/T4730.2-2005標準評定為I級。接頭力學性能如表7所示，拉伸試驗抗拉強度已達到標準值要求，按JB4708-2000評定為合格。圖7為彎曲試樣，彎曲試驗時彎曲面完好，沒有發現開裂現象，符合力學性能試驗標準，按JB4708-2000評定為合格。圖8為焊縫金相組織，可見由于每層焊縫的厚度繼續減小，焊層中的柱狀晶已基本消除。而且隨著焊接線能量進一步降至5 437 J/cm，接頭的強度也進一步得到提高，彎曲試驗結果顯示已達標。圖9所示為焊接線能量對鑄鋼接頭抗拉強度的影響，隨著線能量增大，接頭抗拉強度降低。

表4　R調整工藝試驗的參數及結果

表5　R調整工藝試驗的焊接接頭力學性能

圖5　調整工藝試驗的彎曲試樣

圖6　調整工藝試驗的焊縫金相組織（50×）

表6　R調整工藝再試驗的工藝參數及結果

圖7　調整工藝再試驗階段彎曲試樣

圖8　調整工藝再試驗焊縫金相組織（50×）

3　結論

采用低氫的藥芯焊絲CO2氣體保護焊，配以焊前預熱、焊后保溫緩冷等措施，進一步減少接頭的含氫量，并改善接頭部位的應力狀況；應用多層焊工藝，嚴格控制層間溫度，以較小的焊接電流和較快的焊接速度，即控制在較小的焊接線能量下進行焊接，焊接鑄鋼ZG230-450H能獲得與母材等強度且沒有裂紋的焊接接頭。

圖9　熱輸入對鑄鋼接頭抗拉強度的影響

在前述三個階段的焊接工藝試驗研究基礎上，確定了一套優化的焊接工藝參數和工藝流程，先后對20多臺在用蒸壓釜出現的裂紋缺陷進行了焊接修復，設備修復合格運行多年時間，經國家相關檢驗部門在三個月、年度分別進行檢測，均未發現新的裂紋，完全達到蒸壓釜安全運行的要求。

［1］周觀根，俞水其.厚鋼板和大型鑄鋼節點焊接技術研究［J］.鋼結構，2004（6）：50-53.

［2］李偉，運新春，馬玉文.大型低合金鑄鋼件與高強船用結構鋼厚板的焊接［J］.焊接技術，2010，39（3）：30-34.

［3］趙穎.重型鑄鋼件的焊接修復［J］.焊接技術，1995（5）：19-21.

［4］徐亞杰，桂凌華，陸關林，等.杭州灣跨海大橋海中平臺超大型鑄鋼件焊接工藝［J］.施工技術，2009（10）：27-29.

（編輯：阮毅）

Study on Welding Process and Joint Property Used in Repairing of Cracks in the Kettle Ring and Cover Edge of Autoclaves

SHEN Xiao-qin1，XIE Jian-liu2，SHI Yong-hua1
（1.School of Mechanical and Automotive Engineering，Guangzhou510640，China；2.Tongda Chemical Machinery Manufacturing Co.，Ltd.of Xinhui District，Jiangmen529100，China）

Cracks are detected in the root parts of the mesh gear in the kettle ring and cover edge of a cast steel autoclave，after it has been used for long time.The welding process and joint property for repairing of cracks in the cast steel autoclave were studied.The results show that a variety of measures，such as using low hydrogen flux cores，multi-layer welding，preheat，inter-pass temperature control and heat preservation after welding，should be used for CO2gas shielded arc welding of ZG230-450H cast steel.Coupled with the use of small welding current and fast welding speed（i.e.，small heat input），crack-free joints with tensile strength as high as the base metal can be produced.

autoclave；cast steel；crack；welding process property

TP24

J

1009-9492（2015）01-0043-04

2014-11-30

沈曉勤，女，1966年生，江蘇沭陽人，碩士，講師。研究領域：焊接技術及裝備。已發表論文20篇。