厚壁压力油罐人孔锻件裂纹分析及其焊接

摘 要：在厚壁压力油罐的人孔接管锻件与筒体的组合焊缝焊接修复时，异常产生了焊接裂纹，且不断向人孔接管锻件扩展的现象进行了分析，采用电子显微镜观察，进行化学成分分析及力学性能试验，发现人孔接管锻件韧性差、晶粒粗大，采用正火加回火热处理工艺重新热处理人孔接管锻件，能重新使锻件性能满足标准要求，按焊接工艺要求施焊人孔接管锻件与筒体的组合焊缝，一次探伤合格。
关键词：压力容器；筒型锻件；裂纹；正火；焊接

引 言

压力油罐属二类压力容器，根据来水量不同，其控制水电站中水轮发电机叶片角度，设计工作压力6.3MPa，水压试验压力8.75MPa，设计工作温度50℃，工作介质为油，焊缝系数为1，容积19.78m3，筒体与封头采用16MnR正火状态材料，钢板逐张进行超声波探伤，质量按标准JB4730-94的Ⅲ级规定，A、B类对接焊缝进行100%γ射线探伤，按JB4730-94标准Ⅱ级合格，合格后再以每条焊逢长度的20%进行超声波检测，按JB4730-94标准Ⅰ级合格，人孔、法兰、接管均采用符合JB4726-2000标准的16MnⅢ级锻件（正火），D类接头焊后应进行100%磁粉探伤，按JB4730-94标准Ⅰ级合格，该设备全部焊接完毕且无损检测合格后再进行整体消应力热处理。水压试验时，在人孔接管锻件与筒体的组合焊缝处产生了裂纹，在随后的裂纹返修时，发现碳弧气刨过程中，裂纹由焊逢斜向锻件里不断扩展，锻件碳弧气刨吹掉约600mm长、20mm深度后，仍不断产生裂纹，有的部位当时未发现裂纹，但随后又产生裂纹，只好停止焊逢返修。为分析此种现象产生的原因，从返修时产生裂纹已报废的人孔接管锻件上，取样进行化学成分分析、力学性能检验、宏观微观金相观察，从而找出产生问题的原因，制定处理措施。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

筒节材料为16MnR，板厚50mm；人孔接管为16Mn锻件（JB4726-2000标准的Ⅲ级），其尺寸为φ572/φ450×425 mm，16MnR筒节材料标称化学成分及供应商提供的化学成分、16Mn锻件的标称及供应商提供的化学成分及实测化学成分见表1。

表1 筒节及锻件的化学成分（Wt%）

1.2 试验样品制备及方法

从报废的人孔接管锻件上按切向分别截取拉伸试样、冲击试样、金相试样，用机加工方法按GB/T229标准制成标准的夏比冲击试样，分别进行室温、0℃的冲击试验，并对冲击断口直接进行观察；拉伸试样按GB/T6397中的R4号（d0＝10mm，l0＝50mm）制备，拉伸试验按GB/T228标准进行；金相试样制备是在金相砂纸上磨至1800#，然后用三氧化二铬水溶液在P-2型抛光机上抛光，洗净后用热酸浸蚀，使其显示出样品的显微组织。冲击断口和金相试样的观察在Quanta 400扫描电镜（SEM）中进行。采用溶解法进行化学成分分析。

2试验结果与分析

2.1报废人孔接管锻件

2.1.1力学性能

锻件的力学性能列于表2，评定标准按《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》JB4726-2000[1]，由表2可见，实测的锻件力学性能与供应商提供的数据相差较大，其强度超过标准上限，冲击功远低于标准要求的最低值，呈现高强、低朔性、低韧性。

表2 报废锻件的力学性能

2.1.2金相组织及裂纹分析

该锻件经碳弧气刨后，在碳弧气刨的凹槽处起源有宏观可见的裂纹，裂纹长约12㎜，由焊逢斜向锻件里扩展，见图1a。在金相显微镜下凹槽附近的深灰色区域，在扫描电镜下显示为白亮区域，见图1b，凹槽附近的深灰色区域组织为马氏体＋残余奥氏体，硬度HV0.1 500,454,438；与深灰色相邻区域硬度HV0.1 331,311,323,其组织依次为（图1C）屈氏体→索氏体→索氏体＋铁素体→不规则块状铁素体＋珠光体，。远离裂纹处的组织为不规则块状铁素体＋珠光体，见图1d。观察试样抛光面，裂纹附近无脱碳现象，无严重的夹杂物。经测定，人孔接管锻件晶粒度为4～5级，比较粗大，图1d也可以证明这一点。

（a）宏观金相；（b）裂纹起始部位特征；

（c）远离裂纹区域组织；（d）凹槽处深灰色区域组织
图1 人孔接管锻件裂纹及显微组织

人孔锻件冲击断口经丙酮超声清洗后，可见断面呈图2所示的解理特征。解理单元较大，局部二次裂纹明显，断面上未发现大的夹杂物、疏松、气孔等异常冶金缺陷。

图2 人孔锻件冲击断口形貌

由于人孔接管锻件锻造比较大、壁厚，必须850℃～1250℃较高的温度锻造，在此温度区域16Mn晶粒极容易长大导致过热[ 2]，在人孔接管锻件与筒体的组合焊缝高拘束焊接时，在返修焊缝裂纹时，由于渗碳层和残余奥氏体的存在，成分偏析又较为严重，在热应力和较大拘束应力的联合作用下，诱发了马氏体相变[3]，产生了表面裂纹，由于外购的锻件锻造后正火未达到要求，使高温锻造的过热组织未恢复，锻件晶粒粗大，晶粒粗大是碳弧气刨过程中，裂纹由焊逢斜向锻件里不断扩展的主要原因，人孔接管锻件在热应力和较大拘束应力的联合作用下，裂纹也就很容易由焊逢斜向锻件里不断扩展，从而使得锻件裂纹不断扩展而难以修复。

2.2 回用人孔接管锻件力学性能及金相组织

利用报废的人孔接管锻件做模拟实验，采用重新热处理的方法使锻件回用。把报废的人孔接管锻件当作随炉热处理试板，对不合格的人孔接管锻件经900℃～930℃正火、600℃～620℃回火热处理后[4]，在随炉热处理试板上按切向分别截取拉伸试样、冲击试样、金相试样，其力学性能列于表3，与表2中数据相比，16Mn人孔接管锻件的力学性能明显得到改善，完全满足标准要求；母材经火加回火的金相组织为铁素体＋珠光体，晶粒度为9.5～10.5级，如图3所示，晶粒明显得到细化。显然通过重新热处理使高温锻造的过热组织得到恢复，改善了金相组织，细化了晶粒，获得满足标准要求的学性能指标，满足了使用要求，人孔接管锻件经正火加回火重新热处理后可以重新回用。

表3 回用锻件的力学性能

图3 人孔接管锻件正火后组织 ×100

3 人孔接管锻件与筒节焊接

将人孔接管锻件经正火加回火重新热处理后，再与筒体焊接，由于人孔接管锻件与筒体的焊接采用两端均伸出的嵌入式T型全溶透焊接接头，结构刚性较大，焊接拘束应力较大[ 5]，必须焊前预热100℃～150℃，层间温度不低于150℃，内壁焊接完后，进行中间消氢处理，以弥补层间温度不足，外壁焊接完后，再进行最后消氢处理，如上焊接的人孔接管锻件与筒体的组合焊缝， 24小时后按JB4730-94超声波探伤Ⅱ级标准，一次合格。

图4 人孔接管锻件与筒节焊接

4 结 论

1）由于筒型人孔接管锻件锻造后未严格按要求正火，使得人孔接管锻件过热组织未恢复，晶粒粗大，导致人孔接管锻件与筒体的组合焊缝在厚板高拘束下焊接时产生裂纹。

2）将锻件采用正火加回火工艺重新热处理，完全能改善其金相组织，细化晶粒，获得标准要求的力学性能指标，也满足了使用要求。

3）重新热处理后的人孔接管锻件与筒体的组合焊缝，采用焊前预热焊后消氢处理的焊接工艺措施，在厚板高拘束焊接下无裂纹产生，焊缝探伤一次性合格。

参考文献
1 压力容器用碳素钢和低合金钢锻件.JB4726-2000.
2 中国机械工程学会锻压学会编.锻压手册(第一册锻造). 机械工业出版社，2004，28～188.
3 李松，周善初.金属热处理，中南大学出版社，2003，276～304.
4 安运铮. 热处理工艺学. 机械工业出版社，1982， 61~86.
5 陈伯蠡. 焊接工程缺欠分析与对策.机械工业出版社，1998，621～623

作者简介：吴佑明，男，1966年出生，硕士，高级工程师。主要从事焊接工艺研究。发表论文20多篇，获省部级奖1项，专利2项。

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