摘要：大型中央空调壳管换热器壳体为中压容器，在生产加工过程中焊接裂纹属于杜绝类焊接缺陷，在生产过程中裂纹缺陷却时常出现，本文阐述了从焊接冶金、焊接参数以及工艺方法等方面分析压力容器专用低合金钢Q345R板材在卷制对接埋弧焊中末端裂纹的产生机理与预防控制措施。
关键词：压力容器；埋弧焊裂纹；研究
在多年的压力容器生产中，我们发现使用Q345R压力容器专用钢板在进行卷圆对接埋弧焊时在焊缝的末端经常会产纵向裂纹，然而裂纹构件中最危险的缺陷之一，本文根据工件的结构从焊接冶金、工艺参数以及工艺方法等发面探讨此类裂纹产生的原因及控制措施。
1、工件与裂纹特征
工件与裂纹特征：本文内讨论所有产生裂纹均为工件厚度δ=8~10mmQ345R热轧钢板在卷圆后使用埋弧焊进行对接焊接或连接相同外径壁厚筒体之间进行对接时产生。焊接裂纹产生位置均在焊缝收弧端或焊缝“T”型交叉端。部分裂纹在焊缝表面，焊接完成后立即可以发现，部分裂纹在焊缝中间，焊后射线检测才可发现，但裂纹均在焊缝中间位置且与焊缝方向平行，由于焊接完成后即可显现，属于典型的纵向热裂纹。
1.1压力容器的机械疲劳裂纹
压力容器产生机械疲劳裂纹，通常发生在小孔、接头、以及被焊缝热所影响的位置，这些裂纹是直线状的，起初比较短小，之后逐渐变成长裂纹，之后逐渐增加宽度。由于材料的组织结构以及受力环境的影响，就会产生这样的裂纹。这种裂纹的开口处比较宽，两侧光滑，比较浅[1]。
1.2压力容器的腐蚀疲劳裂纹
腐蚀疲劳裂纹出现在承受较大压力的部位，在传递振动应力的影响下，如果应力的时间比较长，就会导致这种裂纹产生。腐蚀疲劳裂纹的数量多，在裂纹中有腐蚀物。
1.3压力容器的蠕变裂纹
压力容器产生蠕变裂纹，是受到环境温度和应力的影响，导致金属变形，出现损伤，裂纹产生。从蠕变裂纹的走向上来看，是垂直于最大应力方向，为轴向分布状态。裂纹的发展上不是直线的，而是曲折的，逐渐就会有较宽的裂纹带形成。在主裂纹两侧会有很多的小裂纹平行分布。压力容器中，高应力应变区是蠕变裂纹产生较为集中之处。通过观察蠕变裂纹，就可以看见椭圆形的孔洞，裂纹由外向内不断地扩展，分支走向平行于焊缝熔合线。
1.4压力容器的应力腐蚀裂纹
压力容器的应力腐蚀裂纹是在腐蚀作用和应力作用下产生的。压力容器的材质如果是奥氏体不锈钢易，就很容易遭到应力腐蚀而产生裂缝。即便是非常小的应力，就会出现腐蚀开裂的问题，在震动的作用下，或者加工操作方法不当，就会导致裂缝产生。从裂纹的发展方向上来看，垂直于张应力，为带状呈现，而且逐渐向轴向逐渐延伸。这种应力腐蚀裂纹的长度要短一些，开口处相对比较宽，而且裂缝的数量多。裂纹为“之”字形，而且从表面裂缝向内部延伸。
2、裂纹产生原因分析及改善措施
2.1化学成分方面原因
2.1.1碳当量方面
焊缝的焊接性直接取决于它的化学成分，而碳当量的大小是对焊缝冷裂纹敏感性评价之一，根据美国焊接学会（AWS）推荐的碳当量公式：CE=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2(%)计算Q345R的碳当量CE=0.51%，同时板厚δ=8~10mm，焊接性属于Ⅱ类，焊接性较好[3]，应尽量降低焊材中的含氢量，在埋弧焊中需将焊剂烘干保温使用，减少焊剂含氢量，从而降低冷裂纹发生的几率。
2.1.2敏感化学元素S、P方面
热轧钢一般含碳量较低，含锰量较高，通常ωMn/ωS较高，具有较好的抗热裂纹性能，在焊接过程中热裂纹倾向较小，正常情况下是不会出现热裂纹。但是个别情况下也会在焊缝中出现热裂纹，这主要与母材中S、P元素含量偏高或偏析有关。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆S、P元素在焊接熔池冷却过程中与焊缝金属Fe、Ni等元素发生化学冶金反应，产生低熔点共晶物从而导致焊缝部位薄弱，产生热裂纹。为了避免该类裂纹产生需要对母材合金元素进行严格控制，对来料钢板该类元素进行复测，验证S、P元素是否超标或存在偏析，针对S、P元素超标的钢材杜绝使用，降低风险，而存在S、P元素偏析的可以通过退货热处理工艺将其均匀化以保证焊缝质量。
2.2焊缝形状及熔合比对焊接质量的影响
2.2.1焊缝形状
焊缝形状通常是针对焊缝截面而言，通常可以用焊缝形状系数ψ来进行表示，焊缝形状系数我们用ψ=c/s表示，ψ值大小对焊缝内部质量具有重要意义，ψ值过小时，焊缝窄而深，在熔池冷却结晶时，很容易将低熔点共晶物、杂质等被挤向焊缝中间，正好集中在焊缝树枝状结晶的对接部位形成薄弱地带，在受外部拉力或内部应力时很容易形成热裂纹；ψ值过大时，焊缝宽而浅，对于焊接材料与能源是极大的浪费浪费，而且熔深过浅，造成焊缝熔深强度不够，甚至产生未焊透等焊接缺陷。因此焊缝的形状系数需要控制在一定范围内，埋弧焊自动焊时将焊缝的形状系数ψ值控制在1.3~2之间时，对熔池中气体溢出以及防止夹渣和裂纹都是有利的。
2.2.2焊缝熔合比
焊缝熔合比表示被熔化的母材金属在焊道金属中所占的比例，可以用母材熔化金属的横截面积SB与整个焊道横截面积SA+SB之比值来计算，即r=SB/（SA+SB）。从原则上来说，熔合比越小对焊缝越有利，因为在焊接过程中熔池中熔入的母材中的杂质元素越少，从而降低焊接缺陷的产生。埋弧焊通常使用高锰焊丝，在生产工艺上尽可能减少熔合比，可以通过焊接材料调整焊缝的金属成分，提高焊缝的Mn元素含量，提高焊缝性能，减少热裂纹的产生。
2.3焊接工艺方法
2.3.1焊接组对坡口间隙：在实际焊接过程中应尽可能减小坡口间隙，因为较大的间隙时焊缝熔池金属在凝固时产生较大的收缩，增大了焊接焊缝横向拉应力，从而导致焊缝纵向热裂纹的产生。所以在压力容器筒体在使用板材卷制时就需要对组对间隙进行控制，避免局部间隙过大的问题。
2.3.2点焊固定数量与长度：点焊固定长度以及数量决定焊缝横向刚度，点焊数量越多、焊缝长度越长焊缝横向刚度越大，所以应尽量减少焊缝点焊数量及降低焊缝点焊长度。
2.3.3熄弧板的形式：由于熄弧板与筒体纵缝点焊很牢固，加大了焊缝末端的局部横向刚度，因而加大了焊缝凝固时所受的拉应力，使横向应力在此处达到了最大值，因此焊缝在此处最容易开裂。要解决此问题，可以通过采用减应力熄弧板，在熄弧板两侧增加两个减应力缺口，在点焊固定时需点在缺口两侧，从而这种缺口可以补偿焊接时的横向变形量，减小焊缝坡口端部的刚度，从而减小焊缝端部的拉应力，减小焊缝纵向裂纹的产生。
2.3.4工件预热：钢板预热也是防止热裂纹（结晶裂纹）的有效措施，它的主要作用是在焊接过程中焊接接头处金属加热温度比较均匀，消除金属材料的内应力，降低裂纹产生的几率。尤其在环境温度较低时，可以通过预热处理方法来改善焊缝质量，解决热裂纹问题。
3、结束语
在压力容器的焊接过程中产生裂纹是非常致命的，所以必须从源头控制裂纹的产生，具体可以从以下方面进行控制：
（1）严格控制钢板来料各有害元素的含量，按材质证明书上提供元素含量对来料钢板进行复测，发现C、S、P元素偏高的钢材尽量不适用，针对C、S、P元素超标的拒绝使用，以防止在焊接过程中裂纹的产生。
（2）控制焊缝的成型形状以及熔合比，将埋弧焊的焊缝成型系数ψ控制在1.3~2之间，同时尽可能减少焊缝熔合比，以保证焊缝成型良好，减少焊缝裂纹与其他缺陷的产生。
（3）在焊接方法过程中，尽量减小焊缝组对间隙、焊缝背面点焊数量及点焊长度和使用减应力熄弧板等方法减少在焊接过程中产生的应力，解决应力方面导致的焊接裂纹。
参考文献:
[1]彭建华.锅爐压力容器压力管道检验中的裂纹问题探究[J].中国新技术新产品，2016（19）
[2]蔡政国.锅炉压力容器压力管道检验中裂纹问题及预防处理方法分析[J].现代制造技术与装备，2017（06）
[3]朱小兵，涂猛.锅炉压力容器压力管道检验中的裂纹问题分析[J].江西化工，2017（04）
论文作者:杨贵显
论文发表刊物:《电力设备》2019年第16期
论文发表时间:2019/12/9
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