球罐的裂紋分析及防止

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一、球罐基本參數(shù)
    容積：650m3；結(jié)構(gòu)型式：混合三帶球；材質(zhì)：07MnCRMoVR；內(nèi)徑：10700mm；壁厚：44mm；介質(zhì)：氮?dú)?；設(shè)計(jì)壓力：3.09Mpa；設(shè)計(jì)溫度：-10-60oC；選用焊條：J607RH。
    二、裂紋產(chǎn)生的原因分析
    1.裂紋種類。焊接裂紋主要有以下五種：熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋和層狀撕裂。層狀撕裂主要關(guān)系到出廠的鋼板問(wèn)題，與球罐制作安裝無(wú)多大關(guān)系。因此，施工時(shí)主要針對(duì)焊接的熱裂紋、再熱裂紋、冷裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋進(jìn)行分析和研究。
    2.裂紋形成原因分析。裂紋的產(chǎn)生主要有以下幾個(gè)因素：
    (1)材質(zhì)因素：氫含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加導(dǎo)致韌性下降，擴(kuò)散氫量對(duì)冷裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展起了決定性的作用，含氫量較高，而預(yù)熱溫度不足的情況下，肯定產(chǎn)生裂紋。合金元素對(duì)熱裂紋中的結(jié)晶裂紋產(chǎn)生有很大影響，硫、磷的微量存在也都會(huì)增高結(jié)晶裂紋的傾向，從許多研究也能證明C、S、P對(duì)結(jié)晶裂紋影響最大。
    (2)組裝因素：球罐在組裝過(guò)程中，如果各種尺寸達(dá)不到規(guī)范要求而進(jìn)行強(qiáng)力組裝，就會(huì)產(chǎn)生約束應(yīng)力，焊后應(yīng)力無(wú)法釋放，是產(chǎn)生裂紋的重要因素。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和十字縫等部位常會(huì)出現(xiàn)這種情況。
    (3)焊接因素：焊接形成的小缺陷，如表面氣孔、弧坑裂紋等，容易產(chǎn)生微裂紋，在球罐加壓使用時(shí)裂紋容易擴(kuò)張。焊接次序的不合理，易使球體內(nèi)的應(yīng)力不能盡最大的釋放，而后的殘余應(yīng)力就很大，從而比較容易形成冷裂紋、熱裂紋。球罐焊接采用的焊接方法、焊接線能量的大小、焊接的預(yù)熱、后熱對(duì)裂紋的產(chǎn)生也起到很大作用。
    (4)機(jī)械損傷因素：組裝臨時(shí)工夾具部位，其硬度高于其他部位，殘余應(yīng)力也較高，容易產(chǎn)生裂紋。球罐板在運(yùn)輸、壓制、組裝過(guò)程中的碰傷等部位也是容易產(chǎn)生裂紋的地方。
    三、施工對(duì)策
    針對(duì)球罐施工中產(chǎn)生裂紋的原因，施工時(shí)應(yīng)著重從以下幾方面采取措施進(jìn)行控制。
    1.材料復(fù)驗(yàn)
    (1)材料表面不允許有裂紋氣泡、夾雜等缺陷；(2) 對(duì)球殼板進(jìn)行逐張超聲檢測(cè)，按JB4730驗(yàn)收，標(biāo)準(zhǔn)不低于Ⅱ級(jí)。(3)對(duì)進(jìn)廠的07MnCrMoVR進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，其復(fù)驗(yàn)數(shù)值包括C、P、S的含量必須在質(zhì)保書規(guī)定范圍內(nèi)。(4)對(duì)焊接選用的J607RH焊條進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，一方面要保證其強(qiáng)度必須與07MnCrMoVR匹配，另一方面特別強(qiáng)調(diào)要超低氫, 復(fù)驗(yàn)結(jié)果是1.43ml/100mg，與GB12337-1998的1.5ml/100mg完全符合。通過(guò)復(fù)驗(yàn)，主要板材、焊材的化學(xué)成份、機(jī)械性能、含氫量等參數(shù)均達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
    2.工廠壓制
    (1)下料時(shí)，坡口表面應(yīng)平滑，粗糙度大于等于25mm，且表面不得有裂紋和其他缺陷存在。壓制的球殼板幾何尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范的要求進(jìn)行控制和驗(yàn)收。
    (2)支柱及組焊件焊接時(shí)，要求球殼板在中間支撐好，成自然狀態(tài)，所有的組焊件焊接采用對(duì)稱均布焊，分層分道，對(duì)線能量的控制與球罐本體焊接的工藝參數(shù)一樣。焊件的焊接要進(jìn)行預(yù)熱、后熱及控制其層間溫度。球殼板出廠吊裝時(shí)要加強(qiáng)保護(hù)，避免碰傷。
    (3)現(xiàn)場(chǎng)施工主要控制以下三個(gè)環(huán)節(jié)：
    a. 組裝時(shí)嚴(yán)禁進(jìn)行強(qiáng)力組裝，組裝方法是先利用工裝夾具組對(duì)好，然后進(jìn)行整體的間隙、錯(cuò)邊量和棱角度的測(cè)量和調(diào)整，直至完全符合規(guī)范要求，最后進(jìn)行整體定位。定位要在小坡口側(cè)，采用與本體焊接相同的工藝，定位焊長(zhǎng)度采用80mm，間距250mm。
    b．焊接時(shí)，首先根據(jù)07MnCrMoVR這種鋼材形成裂紋的機(jī)理，制定了一個(gè)切實(shí)可行的焊接工藝。制定焊接工藝參數(shù)時(shí)，特別強(qiáng)調(diào)線能量，因?yàn)榫€能量過(guò)大會(huì)產(chǎn)生一方面輸入的熱量多，晶界低熔相的熔化越嚴(yán)重，晶界處于液態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，液化裂紋的傾向就增大；另一方面會(huì)引起熱影響區(qū)過(guò)熱，使晶粒粗大，會(huì)降低焊縫的抗裂性能。而線能量過(guò)小會(huì)產(chǎn)生一方面增加焊縫金屬應(yīng)變率，從而增加結(jié)晶裂紋的傾向；另一方面會(huì)降低冷卻時(shí)間，會(huì)使熱影響區(qū)淬硬，也會(huì)不利于氫的逸出，故而增加裂紋傾向。因此制定了線能量的上下限焊接工藝參數(shù)。在制定焊接順序時(shí)，盡量使用大多數(shù)焊縫能在較小剛度的條件下焊接，使焊縫受力較小。球罐整體的焊接順序如下：先外側(cè)后內(nèi)側(cè)，先縱向后橫向。即：焊赤道外側(cè)→上下極蓋、上下Y縫外側(cè)→ 赤道內(nèi)側(cè)→上下極蓋、上下Y縫內(nèi)側(cè)→上下環(huán)縫外側(cè)→上下方塊縫外側(cè)→上下環(huán)縫內(nèi)側(cè)→上下方塊縫內(nèi)側(cè)。焊接時(shí)應(yīng)采取以下針對(duì)性技術(shù)措施：縱焊縫都采用均布分段退焊法，環(huán)焊縫沿等分旋轉(zhuǎn)同一方向焊接。現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，嚴(yán)格焊接工藝規(guī)范，施工員和質(zhì)量員不停地檢查焊工是否按規(guī)程進(jìn)行焊接操作。嚴(yán)禁在坡口外引弧、熄弧。對(duì)于不小心電弧碰傷的部位應(yīng)立即進(jìn)行打磨，焊前要對(duì)坡口進(jìn)行清理。對(duì)每個(gè)焊工的線能量進(jìn)行不停的測(cè)量，過(guò)大、過(guò)小的應(yīng)立即調(diào)整其電流及焊速，控制好線能量。每個(gè)焊工焊接收弧時(shí)要填滿弧坑，避免弧坑裂紋的產(chǎn)生。焊工每天的接頭要每道間空2cm以上，打磨后要進(jìn)行PT檢驗(yàn)，看是否有弧坑裂紋存在。在焊縫邊上MT檢驗(yàn)確定為咬邊或裂紋等缺陷需修補(bǔ)時(shí)，為避免應(yīng)力集中，修補(bǔ)長(zhǎng)度不得小于50mm，補(bǔ)后焊縫表面應(yīng)進(jìn)行打磨，修補(bǔ)處要進(jìn)行記錄，以后要確認(rèn)表面沒(méi)有缺陷存在。Y型接頭是應(yīng)力最集中的地方，應(yīng)絕對(duì)避免在Y型的交匯處引弧、熄弧，而應(yīng)在環(huán)縫離Y型距離200mm的地方。c. 熱處理包括焊前預(yù)熱、層間加熱、焊后后熱及球罐的整體熱處理。焊前預(yù)熱可以有效防止冷裂紋，消除應(yīng)力，預(yù)熱溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在90-100℃。層間溫度基本保證在120-155℃。后熱主要是消氫，同時(shí)也能韌化熱影響區(qū)和焊縫的組織，對(duì)防止裂紋是非常有效的，后熱溫度宜控制在225-250℃間。整體熱處理主要消除應(yīng)力，從而降低冷裂、脆斷的傾向，同時(shí)也降低SCC的傾向和改善接頭的組織，整體熱處理的溫度應(yīng)控制在555℃-580℃，恒溫1小時(shí)50分。
    四、結(jié)論
    由于對(duì)球罐裂紋產(chǎn)生的機(jī)理和原因做了充分的分析，制定了一套科學(xué)的球罐制造和現(xiàn)場(chǎng)安裝的施工方案，并且在每一步施工環(huán)節(jié)中都采取了相應(yīng)的針對(duì)措施，嚴(yán)格質(zhì)量控制和測(cè)量驗(yàn)收，最后整個(gè)球罐焊縫的一次拍片合格率為98.9%，而且無(wú)一張裂紋，在熱處理后的MT檢測(cè)中也無(wú)一處表面裂紋。這同時(shí)也證實(shí)了國(guó)產(chǎn)07MnCrMoVR材料用在球罐上沒(méi)有任何問(wèn)題。