蒸汽流量孔板焊縫開裂原因分析及對策

李建奎

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山 063305）

蒸汽流量孔板焊縫開裂原因分析及對策

李建奎

（唐山三友氯堿有限責任公司，河北 唐山 063305）

本文從焊接材料、焊接工藝等方面分析了蒸汽流量孔板焊縫開裂的主要原因，以及異種鋼焊接的防裂紋措施。

舍夫勒組織圖；異種鋼焊接；脆性斷裂；馬氏體

我公司蒸汽主管在系統大修時新增了一個DN600的蒸汽流量孔板，工作介質為過熱蒸汽，壓力為0.5MPa，溫度為180℃，流量孔板與管道采用焊接方式聯結，使用4天后在環形焊縫中間產生了400mm長的縱向裂縫，通過舍夫勒組織圖對焊縫金屬進行分析，確定焊縫的組織狀態，查找焊縫開裂原因。

1 流量孔板的焊接及開裂形式

蒸汽主管上DN600的蒸汽流量孔板，流量孔板與管道焊縫接頭圖如圖1所示。

圖1 流量孔板示意圖

流量孔板環形焊縫的焊接是屬于異種鋼的焊接，本次焊接采用手工電弧焊，第一層用A312焊條，第二層至蓋面用J422焊條，焊縫熔合比示意圖如圖2所示。

WI.第一層焊縫、填充金屬所占比例（%）W2.第二層焊縫、填充金屬所占比例（%）B1、B2、B3.焊縫中、母材所占百分比（%）圖2 母材熔合比

根據流量孔板環形焊縫開裂的時間、部位、外觀特征等可確定其屬于脆性斷裂。脆性斷裂是一種低應力破壞現象，脆斷時應力一般不高于結構的設計應力，而且斷裂前沒有或只有少量的塑性變形，裂紋可瞬時擴展至整體，突然性比較強，潛在危害大。焊縫金屬韌性不足是造成脆性斷裂的一個重要原因，焊縫金屬的韌性決定于其組織狀態。本文重點分析化學成分對焊縫金屬韌性的影響。

2 第一層焊縫金屬的化學成分及組織狀態分析

由圖1和圖2可知，環形焊縫金屬是由短節（Q235-A）、孔板（1Cr18Ni9Ti）兩種不同類型的母材以及填充金屬W1、 W2融合而成。第一層焊縫金屬是由Q235-A，1Cr18Ni9Ti，以及填充金屬W1組成。Q235-A不含合金元素，對焊縫金屬中的合金具有稀釋作用，使焊縫中的強奧氏體化學元素Ni含量減少，如果焊條選用不當，工藝不合理，焊縫中將出現一定量的馬氏體組織，避免焊縫金屬中出現馬氏體組織，是制定焊接工藝的首要原則。根據焊條熔敷金屬和母材金屬的化學成分及熔合比，可以計算出焊縫金屬的當量成分，并可利用舍夫勒組織圖來確定其組織狀態（如圖3）。

A.奧氏體 B.馬氏體 F.鐵素體Cr當量=Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb Ni當量=Ni+30C+0.5Mn圖3

表1

表2

2.1 選用A102焊條焊縫金屬的組織狀態

Q235-A，1Cr18Ni9Ti鉻、鎳當量值見表1。各焊條金屬的當量成分見表2。

如果兩種母材熔化量相同，此時的稀釋率既為50%，熔合后的金屬當量成分為：Cr當量=0.5X0.53+0.5X18.79=9.66（%）；Ni當量=0.5X5.62+0.5X11.42=8.52（%）；相當于舍夫勒組織圖中C點成分金屬，其組織為馬氏體。當采用A102焊條焊接時，焊縫金屬是由C點當量成分的金屬與A102焊條熔敷金屬熔合而成。當母材熔合比為40%時，焊縫金屬當量成分為：Cr當量=15.8（%）；Ni當量=10.1（%），相當于圖3中f點成分金屬，其組織為奧氏體+馬氏體。通過分析表明采用A102焊條焊接時焊縫中將不可避免地產生脆硬的馬氏體。馬氏體含量可高達50%左右，焊縫金屬韌性將嚴重下降。

2.2 選用A312焊條時焊縫金屬的組織狀態

A312焊條金屬的當量成分為圖3中的e點，其組織為奧氏體+7～8%的鐵素體，此時的焊縫由C點金屬與A312焊條金屬熔合而成。當熔合比為40%時，Cr當量=19.97（%），Ni當量=13.82（%），相當于圖3中i點成分金屬，其組織為奧氏體。當熔合比為30%時，Cr當量=21.7（%）；Ni當量=14.7（%），相當于圖3中h點成分金屬，其組織為奧氏體+2～3%的鐵素體，具有較高的抗裂性能。如上分析可知，在進行流量孔板環形焊縫焊接時，打底焊縫應選用A312焊條，且熔合比在30%時可保證焊縫具有良好的韌性及抗裂性能。

3 第二層焊縫的化學成分及組織狀態分析

3.1 選用J422焊條時焊縫組織狀態

第二層焊縫由Q235—A，J422焊條以及圖3中h點金屬所組成。當熔合比在30%～40%時， Cr當量=4.64（%）；Ni當量=6.01（%），相當于圖中k點成分的金屬。由圖中可以看出，此時焊縫組織為脆硬的馬氏體組織，其韌性嚴重下降，在使用過程中極易引起焊縫產生脆性斷裂。

3.2 選用A312焊條時焊縫組織狀態

第二層焊縫由Q235—A，A312焊條以及圖3中h點金屬所組成。當熔合比在40%時，Cr當量=20.56（%），Ni當量=14.47（%），相當于圖中g點成分的金屬。其組織為奧氏體，不利于提高焊縫金屬的抗裂性能。當熔合比在30%時， Cr當量=22.1（%）；Ni當量=15.19（%），相當于圖中M點成分的金屬，其組織為奧氏體+2～3%的鐵素體，金屬的塑性、韌性良好，具有良好的抗裂性能。

4 分析結論與改進效果

通過分析，流量孔板環形焊縫裂紋的原因主要是第二層至蓋面焊條選擇不當，簡單的認為第一層A312焊條，已保證了孔板與管道的焊接性能，第二層至蓋面焊接的是Q235—A管道，采用J422焊條以降低焊接成本和提高焊接速度。后來流量孔板修復焊接時，我們調整了焊條型號，全部采用A312焊條焊接，一次焊接成型，使用效果良好。實踐證明，異種鋼Q235-A和1Cr18Ni9Ti的焊接必須采用A312焊條焊接才能獲得優良的抗裂性能。以后在焊接實踐中，針對異種鋼的焊接，制定焊接工藝和選擇焊條時一定要做好組織分析。

[1]田錫唐主編.焊接結構[M].機械工業出版社，1989,47～49 .

[2]中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊(第二卷)[M].機械工業出版社，2001,807.

[3]中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊(第一卷)[M].機械工業出版社，2001,225 .

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