15CrMoR中厚板錐體壓裂事故原因分析與探討

付春明

（大慶油田化工有限公司，黑龍江 大慶 163000）

1 背景介紹

（1）錐體小端直徑φ2385，大端直徑φ1910，錐頂角15o，厚度t=55，材質(zhì)15CrMoR，材料供貨商舞陽鋼鐵。

（2）該錐體采用瓣片模壓預(yù)成形，再裝配拼焊縱縫，二次校形的成型工藝。

（3）錐體外協(xié)校形環(huán)節(jié)，母材撕裂，裂紋源自錐體小端，沿厚度方向貫穿，隨后沿母線擴(kuò)展。裂紋照片見圖1。

2 原因核查

（1）材料原因。錐體母材撕裂，不由的將核查重心引向原材料性能。

原材料15CrMoR(t=55)，供貨狀態(tài)正火+回火。化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1和表2。

表1 15CrMoR(t=55) 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖1 錐體母材裂紋照片

經(jīng)核查，原材料各項性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和材料采購技術(shù)條件要求。

（2）工藝方案。如原材料各項性能均有保證，下一步核查應(yīng)著重工藝方案和細(xì)節(jié)。

錐體成形工藝：瓣片壓形→組對→拼焊→無損檢測→外協(xié)校形（冷成形）。裂紋出現(xiàn)于母材。焊縫、熔合線及熱影響區(qū)完好。說明焊接工藝、焊材選用、無損檢測時機(jī)選取和適用的評判級別恰當(dāng)。在外協(xié)校形前，焊縫以及鄰近熱影響區(qū)，性能可靠，缺陷可控。而在制作過程的校形環(huán)節(jié)出現(xiàn)裂紋，而裂紋源于錐體小端，推測裂紋產(chǎn)生于板材火焰切割下料階段，局部受火焰切割影響，端面形成的淬硬層，校形過程前，未足夠打磨清理，圓角過渡不佳，未針對性輔助表面檢測篩查裂紋。隨著在校形過程中，壓制力沿錐體母材向端部傳遞，端部尖角處，轉(zhuǎn)角處局部應(yīng)力遞增，形成應(yīng)力集中，而結(jié)構(gòu)的不連續(xù)使得應(yīng)力得不到緩和釋放。裂紋的存在，加之局部的過載，勢必引起母材撕裂。工藝方案細(xì)則未充分考慮冷態(tài)校形所有變數(shù)。本身工藝方案存在漏洞。

表2 15CrMoR(t=55) 力學(xué)性能

（3）斷口分析。從母材撕裂、錐體小端、截取試塊，從橫截面斷口形貌觀察，裂紋紋路清晰，屬于典型尖端裂紋，在外力引導(dǎo)下，延伸擴(kuò)展，最終形成脆性斷裂形貌。裂紋始于錐體小端轉(zhuǎn)角處。從斷口分析，再次印證，端部微裂紋擴(kuò)展最終導(dǎo)致撕裂。

綜上所述；下料氣割形成的端部淬硬區(qū)微裂紋，錐體端部打磨不充分，是造成校形開裂的主要因素。校形過程，加之梯次過大是造成裂紋迅速擴(kuò)展，進(jìn)而斷裂的次要因素。

3 整改與返修

（1）更換瓣片。割除裂紋板片，尋找合格同材質(zhì)余料，劃線下料，組隊成形，拼焊。錐體端部打磨，大R角圓滑過渡，端部正反面均需磨除淬硬層，露出金屬光澤。整錐體表面，打磨除去突起，拼縫磨至與表面齊平。

（2）工藝優(yōu)化。送外協(xié)前，增加廠內(nèi)無損檢測比例和范圍，不僅拼縫射線探傷，整錐體全部表面MT檢測篩查微裂紋。錐體表面局部弧坑或凸起等不連續(xù)區(qū)域補(bǔ)焊或打磨至與母材齊平。

（3）改冷成型工藝為溫成型。校形前入爐加溫至400℃,出爐后，裝夾固定，校形終溫控制≥150℃。

（4）裝夾固定，額外增加側(cè)向支撐，如圖2。側(cè)向滾輪可提供多點(diǎn)支撐，防止卷制力引起錐體竄動。根據(jù)實際經(jīng)驗竄動會導(dǎo)致載荷突變，載荷瞬時變化將導(dǎo)致峰值應(yīng)力遞增。側(cè)向固定，多點(diǎn)支撐目的即為了消除載荷波動。

（5）均勻緩速加力，減小卷制力遞增梯度，同一卷制力，加長持續(xù)卷制圈數(shù)，校形過程持續(xù)緩慢進(jìn)行。

4 結(jié)語

（1）中厚壁Cr-Mo鋼成形工藝應(yīng)關(guān)注原材料強(qiáng)度、韌性、淬硬傾向性。大于50mm厚板材卷制或校形，推薦采用溫成型工藝。

（2）成型前表面隨機(jī)硬度檢測，其目的主要是檢查分瓣鋼板四周邊緣是否存在微裂紋。若存在微裂紋，該微裂紋很可能在后期校形過程中發(fā)展成長，導(dǎo)致錐體開裂。

（3）錐體卷制、校形，應(yīng)關(guān)注端部打磨質(zhì)量，端部打磨可消除過渡凸起、毛刺、棱角和焊縫外觀所存在的不良缺陷。臨近錐體端部50mm范圍內(nèi)表面檢測MT或PT，排查微裂紋。

（4）工藝文件應(yīng)具體明確、加力緩速均勻，減小應(yīng)力梯度。

圖2 端部側(cè)向支撐

[1]GB 713-2014，鍋爐和壓力容器用鋼板[S]．

[2]GB 150．2-2011，壓力容器 第二部分：材料[S]．

[3]劉濟(jì)平,李發(fā)林,余更孫．一次筒節(jié)整體脆斷的原因分析[J]．制造工藝．

[4]陳夏賓．超高壓鍋筒筒節(jié)的溫卷溫復(fù)圓技術(shù)論證[J]．應(yīng)用技術(shù)．