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甲醇洗涤塔中“接管与筒体”焊接裂纹分析及返修

时间:2015-04-29 来源:强点焊接网 作者:强点焊接网 点击:

2010年某公司生产的甲醇洗涤塔 T1301A/B/C(设计压力6.9MPa,设计温度280℃,容器类别为三类。筒体材料为13MnNiMoR复合316L,接管材质为00Cr17Ni14Mo2。产品在施焊过程中,接管与筒体缝焊接完成后在熔合线附近出现裂纹,裂纹长度40~60mm,产品设备上共有10个

2010年某公司生产的甲醇洗涤塔T1301A/B/C(设计压力6.9MPa,设计温度280℃,容器类别为三类。筒体材料为13MnNiMoR复合316L,接管材质为00Cr17Ni14Mo2。产品在施焊过程中,接管与筒体缝焊接完成后在熔合线附近出现裂纹,裂纹长度40~60mm,产品设备上共有10个不锈钢接管全部出现此情况,严重影响生产进度。裂纹产生在焊缝上,角焊缝熔合线处肉眼可见弧长为40~60mm沿环向及径向无开叉,焊缝裂纹气刨清除后的实物照片见图1。

    

       1 实物照片                       

针对上述问题,采用试验的方法来分析低合金钢板与不锈钢接管焊缝焊接时产生裂纹的原因,从而寻找确定出更为合理的异种钢焊接的工艺规范,降低合金钢板与不锈钢接管焊接时产生裂纹的几率,提高生产效率,降低成本。
2裂纹产生的原因分析
由于00Cr17Ni14Mo2与13MnNiMoR的化学成分及物理性能差异大,因此其属于异种钢的焊接,要在熔焊的条件下获得可靠的焊接接头还存在许多问题。                    
2.1热导率和比热容的差异
金属热导率和比热容强烈的影响着被焊材料的熔化、熔池的形成、以及焊接区温度场和焊缝的凝固结晶。00Cr17Ni14Mo2的热导率约为13MnNiMoR钢的一半,很大的差异可使两者的熔化不同步,熔池形成和金属结合不良,导致焊缝在结晶条件下变坏,焊缝性能和成形不良。
2.2线膨胀系数的差异
由于00Cr17Ni14Mo2与13MnNiMoR钢线膨胀系数不同,造成其焊接之后的冷却过程中焊缝两侧的收缩量不同,导致焊接接头出现复杂的髙应力状态,所以在焊接过程中加速裂纹的产生。
2.3焊缝金属的稀释
    00Cr17Ni14Mo2与13MnNiMoR钢在焊接时同样存在焊缝稀释和形成过渡层的问题,从而导致13MnNiMoR钢一侧焊缝形成脱碳层而00Cr17Ni14Mo2不锈钢的一侧形成增碳,随着扩散的持久,使13MnNiMoR钢的一侧含碳量降低,变成了铁素体组织并使焊接接头的焊缝组织成为奥氏体加铁素体。
2.4熔合区组织的影响
采用不锈钢焊条焊接低合金高强钢时,在异种钢的焊缝熔合线附近,出现了沿结晶方向排列的单相奥氏体柱状晶区,它的形成是由于母材熔入焊缝,形成成分特殊的熔合区,其组织形态由焊缝的结晶特点所决定。该区宽度沿熔合线的不均匀分布与焊缝金属同母材的相互作用有关,实际上与焊缝材料的成分、熔合比、焊接工艺参数等因素有关。
    综上所述,异种钢焊缝中熔合区裂纹生成的主要条件是:
熔合区的马氏体组织层和单项奥氏体柱状晶组成的熔合区组织特性;氢在柱状奥氏体与马氏体层异相界面附近的富集;异种钢接头中复杂的应力分布,特别是多层热循环作用下,根部区域熔合区产生“自动硬化”致使该区域成为接头的薄弱环节。当组织因素和应力水平相当时,焊缝中的氢含量是裂纹产生的决定性因素。
3焊接工艺评定
3.1焊接材料的选择
   00Cr17Ni14Mo2与13MnNiMoR钢在焊接时的焊接接头金属化学成分主要取决于填充金属。为了保证结构使用性能的要求,焊缝金属的成分要求接近于其中一种钢的化学成分,因此选用的焊条为E310MoL。
该焊条是钛钙型药皮的Cr26Ni21Mo2纯奥氏体不锈钢焊条。由于此焊条熔敷金属中添加了Mo,故耐蚀性、耐高温抗裂性能均比A042、A407有所改善。交直流两用,操作工艺性能良好。常用于尿素级设备耐蚀层堆焊及相同类型不锈钢、高温下工作的耐热不锈钢、异种钢、高强钢与不锈钢的焊接修补。在焊接淬硬性高的碳钢、低合金钢时韧性极好。
3.2 焊接工艺及焊后热处理
焊接工艺参数以及预热、层间温度见表1,焊后热处理规范见表2。
    焊前预热温度和层间温度的控制对减少裂纹的形成有一定的影响。预热温度过高,会导致焊缝的冷却速度很慢,有可能引起焊接接头晶粒边界碳化物的析出和形成铁素体组织,大大降低了接头的冲击韧性,预热温度过低,起不到预热的作用无法防止裂纹的形成。在焊接前13MnNiMoR钢的一侧焊接预热温度为≥100℃,焊缝在此温度+焊后紧急缓冷工艺是低氢化工艺。
                  1 焊接工艺参数以及预热、层间温度
焊接
方法
焊接
材料
 预热温度
 ( ℃ )
 规格
 (mm)
极性
电流
A)
层间温度
(℃)
手弧焊
E310MoL
13MnNiMoR
50~100℃
Ф3.2
Ф4
直流
反接
80~110
140~160
     100
   2 焊后热处理温度
热处理规范
装炉温度
(℃)
加热速度
(℃/h)
加热温度
(℃)
保温时间
min)
冷却方式
300
100
625±15
240
120℃/h缓冷至≤320℃空冷
3.3焊后力学性能检测结果
3.3.1焊接接头拉伸见表3。
                            表3 焊接接头拉伸
抗拉强度Rm
MPa)
试样尺寸
拉断位置
备注
605MPa
24.8mm×34.2mm
00Cr17Ni14Mo2
/
605MPa
25.1mm×34.4mm
3.3.2弯曲试验见表4。
                               4 弯曲试验
弯轴直径
 (mm)
试样宽度
 (mm)
试样厚度
 (mm)
弯曲角度(α°)
结果
备注
4S
10
24
180
合格
纵向侧弯
3.3.3 硬度试验见表5。
                            表5 硬度试验
测量位置
测量结果
焊缝
192、183、87
13MnNiMoR
侧热影响区
210、226、219
00Cr17Ni14Mo2
侧热影响区
187,183,183
4产品焊缝的返修
4.1 将筒体上不锈钢接管去除
4.1.1采用碳弧气刨的方法将焊肉去除,碳弧气刨前13MnNiMoR一侧预热150℃,气刨至离不锈钢管2~3mm时采用手工打磨的方法将剩余焊肉去除,以免伤及接管母材。
4.1.2 坡口严格采用机械加工,如图2所示。
        
 
 
                             2 筒体与接管坡口
 因筒体较厚采用里侧较深的坡口焊接,外侧较浅进行外侧清根焊接,清根后易打磨,若采用里侧清根易伤及耐蚀层,所以采用图2坡口型式。
4.1.3无损检测
    坡口进行MT检查按JB4730.4-2005Ⅰ级合格。
4.1.4坡口焊接顺序如图3所示。
                      3 筒体与接管焊接顺序
4.2 特殊工艺措施
为了尽量减少构件的焊接变形,采取两名焊工对称焊接方法进行手弧焊焊接,同时为防止不锈钢焊接一侧晶体粗大,产生脆化和裂纹,除了焊缝常规返修程序中的要求外特采取以下工艺措施:选用小的焊接电流,较快的焊接速度。具体焊接工艺参数见表1;采用短弧焊,电弧稍偏向碳钢母材一侧,使两种母材金属受热均匀一致;由于需要多层焊,前一层焊缝冷却至100℃后焊下一焊道焊缝。
5 结束语
经过对于00Cr17Ni14Mo2与13MnNiMoR钢的异种钢焊接试板试验,采用手工电弧焊焊接,选用焊材E310MoL,选择合适的焊前预热温度、焊接电流等焊接工艺参数并进行适当的焊后热处理,就能得到良好的焊接效果,满足了产品焊接结构的使用要求。采用上述返修方案中的要求,使返修的几台设备焊后及压力试验后均未见裂纹产生。

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