壓力容器焊接冷裂紋產生的機理和防止措施

謝小強(陜西化建工程有限責任公司，陜西 咸陽 712100)

0 引言

焊接在金屬壓力容器制造過程中是一道主要的工序，隨著壓力容器的大型化和重型化，焊接在壓力容器制造過程中處于關鍵和重要的工序[1]。大多數壓力容器屬于特種設備，其安全運行關系人民的生命及財產安全，因此避免壓力容器在制造過程中產生焊接缺陷，是保證壓力容器制造質量在運行后安全工作的關鍵步驟。

對壓力容器的失效事故研究表明，多數事故的發生是因為在壓力容器的焊縫及其熱影響區部位出現了產生了裂紋。常見的壓力容器焊接裂紋包括熱裂紋、冷裂紋及其他裂紋，其中冷裂紋要比熱裂紋及其他裂紋的危害大得多，因為熱裂紋在焊接過程中出現或者焊后的檢測中，一般可以發現并且經過返修得以消除，而絕大部分冷裂紋的發生具有明顯的延遲性，在焊接時或者焊后不能及時通過檢測方法檢查出來，經過時效或者運行一段時間才突然出現，尤其是在使用及運行過程中出現，極易造成質量安全事故，損壞設備、危害生命、污染環境、造成重大經濟損失。在制造環節，如何避免焊縫產生冷裂紋是提高壓力容器制造質量，保證壓力容器安全運行的關鍵過程。 本次論文主要闡述冷裂紋的產生機理和防止措施。

1 焊接冷裂紋的分類及產生的基本過程

焊接冷裂紋是指焊接接頭冷卻到較低溫度時所產生的裂紋，常見鋼材產生的溫度為在Ms溫度以下或200～300 ℃[2]。冷裂紋包括:延遲裂紋、淬硬裂紋、低塑性脆化裂紋等，在壓力容器制造行業所說的冷裂紋指的是延遲裂紋。

壓力容器焊接冷裂紋主要發生在高硬度及高強度的鋼材中，如抗拉強度大于等于540 MPa以上的材料或者中碳鋼、低合金和中合金的高強度鋼中。這些材料在焊接過程中金屬熔池溶解了大氣或者焊接材料中的氫，加上焊接接頭在焊接過程中產生了材料加熱時產生的拘束應力，焊縫本身組織淬硬，無法通過塑性變形等方式釋放應力，在三種因素的作用下，發生開裂，形成裂紋。延遲裂紋具有顯著的延遲性，分為潛伏期、緩慢擴散期、突然斷裂期三個連續的過程，潛伏期有可能幾小時、幾天、幾個月甚至幾年，有可能壓力容器已投入使用期間，因此更具危險性。

2 焊接冷裂紋的產生原理及其影響因素

大量的理論研究和生產實踐經驗證明，產生焊接冷裂紋的三大主要因素主要為焊縫中的擴散氫、焊接接頭的淬硬組織及焊接接頭的應力，通常我們稱為冷裂紋三要素[3]。這三個因素或單獨或相互作用共同對焊接接頭冷裂紋產生影響。

2.1 擴散氫

引起壓力容器焊接冷裂紋的一個重要因素是焊接接頭中的擴散氫。擴散氫在焊縫中并且有延遲性的特點，與溫度本身關系不大，我們把由擴散氫引起的冷裂紋也稱為“氫致裂紋”或“氫誘發裂紋”。理論及試驗研究表明，具有淬硬傾向的高強鋼焊接接頭的含氫量越高，則裂紋的敏感性越大，越容易出現冷裂紋。在焊接時，熔池的高溫狀態下，液態金屬所吸收溶解了大量氫，隨著熔池冶金反應，部分氫在熔池金屬的凝固過程中逸出，但由于焊接接頭熔池具有存在的短時性特征，熔池冷卻速度較快，在3～10 s 內液態金屬凝固，部分氫來不及逸出，留在了固態焊縫金屬中。在金屬焊縫中，氫是以H、H+、H-的形式存在于金屬組織中，在晶格的邊緣形成間隙固溶體，氫原子和離子的半徑很小，在特定條件下，H、H+、H-可以在焊縫中擴散移動，這部分氫為我們稱為擴散氫[4]。

理論研究表明，焊接接頭中的擴散氫會從氫的含量較高的焊縫金屬，向氫的含量較低的焊接接頭熔合線區及熱影響區擴散，特別是在焊縫接頭熔合線及熱影響區中的粗晶區部位，擴散氫含量相對于焊接接頭其它部位要高出很多，如在應力集中的結構部位和存在焊縫缺陷部位，逐漸形成氫的富集合區。隨著時間的推移，氫原子逐漸析出，殘存在固態金屬中的氫原子，形成氫分子，聚集到一定數量時，形成微觀上的空穴，這個過程持續時間有時會很長。由于微觀上的空穴并不是圓滑的表面，存在尖角，微觀上可視為裂紋的起點，當在金屬材料受到內部及外部應力時，金屬材料的淬硬組織無法通過塑性變形來釋放應力，特別是就會從空穴處的尖銳及薄弱處開裂釋放應力，形成冷裂紋[5]。常見焊接過程的氫主要來源是空氣中的水分、焊材中的水分、母材中鐵銹、以及焊縫坡口中的污染物和雜物[6]。焊接時，電弧高溫將這些物質分解，其中的水也被分解形成H、H+、H-，最終溶入焊縫金屬。

2.2 淬硬組織

壓力容器用的鋼材一般為低合金鋼，這些鋼材一般有比較大的淬硬傾向，其焊接的顯著特點之一就是焊接接頭出現淬硬組織，材料的淬硬傾向越大越容易產生冷裂紋。研究表明鋼材的淬硬傾向越大，越容易形成淬硬組織，淬硬組織的硬度高，相對應的塑性及韌性降低。一方面，由于淬硬組織塑韌性低，斷裂時消耗的能量也低，因此也容易開裂；另一方面，鋼種的淬硬傾向越大，組織中形成的組織晶格缺陷，如晶格畸變、錯位等也就越多，這種缺陷越多，越容易形成裂紋。金屬在液態向固態轉變過程中，常見的淬硬組織為馬氏體。馬氏體是碳在α-Fe中的過飽和固溶體，由于溶入過多的碳而使α-Fe晶格嚴重畸變，減小了塑性變形的能力，這種固溶體具有高硬度，馬氏體中過飽和的碳越多，其硬度就越高[7]。馬氏體轉變同樣是在一定溫度范圍內(Ms-Mz)連續進行的，當溫度達到Ms點以下，立即有部分奧氏體轉變為馬氏體。板條狀馬氏體有很高的強度和硬度，較好的韌性，能承受一定程度的冷加工；針狀馬氏體又硬又脆，無塑性變形能力。馬氏體轉變速度極快，轉變時體積產生膨脹，在鋼材內部形成很大的內應力，所以淬火后的鋼材需要及時回火，防止應力開裂。具有淬硬傾向的鋼種淬硬傾向越大，則接頭中出現馬氏體的可能性越大，產生冷裂紋的概率也越高。

2.3 應力

焊接接頭的熱循環決定了焊縫組織應力的不均勻性，焊接過程本身就是一個局部加熱、局部冷卻的過程，在工件的整體所占的部位很小，熱循環過程及金屬組織的變化造成了較大的焊接內應力。除了焊接內應力外，焊接接頭還承受來至于焊接結構自身幾何因素所決定的內應力和工況下所承受的外加載荷應力。焊接接頭在受外載時，焊縫的某一點在主平面上作用有最大正應力σmax，與此點的主平面成45°的平面上作用有最大切應力τmax，當τmax達到屈服點前，如果σmax先達到抗拉強度極限，就會產生脆性斷裂，如τmax先達到屈服點，就會產生塑性變形或者延遲斷裂，表現到壓力容器上，就會出現直接開裂或者先變形在開裂。

3 冷裂紋的常見預防措施

從影響焊接冷裂紋的因素出發，有效防止焊接冷裂紋的方法，也需從擴散氫、淬硬組織、應力三個方面采取措施[8]。

3.1 母材和焊接材料的選擇

(1)優化材料設計。設計壓力容器時，在符合安全性能、工藝性、經濟性的前提下，選用含碳量低、淬硬傾向小的材料。如在對制造壓力容器用鋼板入場驗收時，應嚴格審核質量證明書中碳及合金元素的含量，必要時進行復驗；(2)使用低氫型焊材。應選用含氫量較低的焊接材料或者可以通過冶金作用去除氫的焊接材料，例如使用低氫型或超低氫型焊條或者焊劑。經驗收合格的焊材存放避免潮濕，應使用專用庫房，在使用前嚴格按照工藝進行烘干，使用時按照規范進行取用和保管；(3)提高焊接接頭塑韌性。對于淬硬敏感性較高的材料，焊接時可采用降低焊縫金屬的強度和硬度來提高焊縫的塑韌性，通過允許的變形來降低焊接接頭的剛性。

3.2 工藝措施

(1)焊接環境。焊縫坡口表面及周圍應清理水分、鐵銹、油污等雜物，焊接工位環境相對濕度不應大于90%，雨雪天、風速超過規定都應采取防護措施；(2)預熱。緩冷和減少焊接熱輸入量是有效地防止冷裂紋的措施，如采用預熱和小的線能量；(3)后熱。焊后立即將工件的全部或局部進行加熱或保溫、并控制冷卻，可以逸出焊接接頭中的大部分氫；(4)熱處理。采取消應力熱處理，去除部分焊接內應力及殘余應力，減少附加應力。正火可以細化組織晶粒，有效的改善焊接接頭力學性能；(5)優化焊接順序。合理安排焊接順序，如圓形大接管可采用對稱焊、分段焊。以球罐為例，當采用合理的順序焊接時，如采用對稱焊、同焊接規范，球罐變形時對稱的收縮或膨脹，可有效地減小焊接殘余應力；(6)適當的焊接工藝參數。在不預熱的情況下，適當提高焊接電流，降低焊接速度，可減慢熱影響區冷卻速度，防止形成淬硬組織；(7)減少焊接缺陷。焊接接頭中的條渣、咬邊、未焊透、弧坑等，截面的不連續造成應力集中，誘發裂紋的出現；(8)其他方法。采用人工時效，如震動時效、超聲時效等，在允許的情況下，還可對焊縫進行錘擊等。

3.3 結構設計

(1)采用焊接應力較小的焊接接頭。如壓力容器接管，可采用嵌入式補強接管；(2)減少焊縫過于集中。合理布置焊縫，避開焊縫過渡集中，減少焊縫數量，可有效減少焊接應力；(3)焊縫圓滑過渡。對結構不連續的部位，可以將焊縫修磨成圓滑過渡形狀，以減少應力的集中。

4 結語

裂紋對壓力容器的危害極大，冷裂紋由于具有一定的潛伏期和延遲性，焊后數小時乃至更長時間才能出現，特別是在運行中，一旦出現往往是造成質量安全事故，威脅到人民生命財產安全。為了控制此類裂紋的出現，焊前必須認真分析壓力容器的焊接過程，制定合理的焊接工藝和控制措施，從而保證壓力容器制造質量，提高壓力容器的使用安全和壽命。