压力容器——铬钼钢焊接接头几种典型裂纹的产生原因及防止

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摘要

本文讨论了焊接过程中不同类型的裂纹问题及其相应的解决方法。针对厚板多层自动焊、埋弧焊缝、Cr-Mo-V钢自动焊缝、筒节纵缝焊趾裂纹以及Cr-Mo钢筒体与奥氏体不锈钢接管焊接接头裂纹等不同情况，文中提出了通过控制焊接工艺、降低氢浓度、调整焊接材料成分、优化预热和后热处理、提高焊接材料纯净度等策略来预防和减少裂纹的生成。这些措施强调了焊接工艺、材料选择和后处理在防止裂纹中的重要性。

正文

正文开始

Cr-Mo钢及Cr-Mo-V钢由于其良好的高温抗氢脆性能，在石化设备中广泛应用。当制造工艺不当时，其焊接接头易产生裂纹。生产实践中，曾在厚壁容器焊接接头中发生过一些典型裂纹案例，本文就此情况进行介绍。

1.厚板多层自动焊的横向裂

某炼化容器直径Φ1800壁厚70mm材料为24CrMo10，其化学成分为C 0.22 Cr 2.45 Mo 0.32 Mn 0.63 Si 0.23，自动焊接用焊丝为12Cr3MnMoA，焊剂为HJ250，焊后消氢处理停放2-3天进行超探，发现距焊缝表面下10-25mm深有长5-30mm裂纹，见图1.

图1

一条环缝上有70多条的这种形式的裂纹，据报道国外在焊接2.25Cr-Mo厚板时也曾多次发生。裂纹一般出现在距离表面10-20mm深处，裂纹垂直于焊缝轴线，为横向裂纹。当裂纹向上向下扩展后就会贯穿整个厚度。这种裂纹一旦发生，整条焊缝上会有多处，裂纹发生在晶间穿晶扩展。电镜观察呈奥氏体晶界面的氢解离断口。

通过大量的试验工作认为，该类裂纹与氢的浓度和残余应力有直接关系。焊缝中的氢浓度随焊缝的层数增加而提高。在表面下约10mm处焊缝中的氢浓度为最大。板厚越厚这个值就越大，见图2.同时焊缝中残余应力在距表面10-20mm范围也有最大值，见图3.

图2

图3

由于该处扩散氢的浓度最高且残余应力也最大，因此就为裂纹的产生创造了条件，当氢聚集于焊缝处金属夹杂物或空穴密度高的柱状晶的晶间时，开始形成晶间破断，并在较大残余应力作用下扩展。

诱发裂纹氢的临界浓度与焊缝金属显微硬度也有一定关系，焊缝金属的硬度越高产生裂纹的氢的临界浓度就越小，其关系有文献表示为下式：

HV_W=363-83-H_L

HV_W——焊缝最后层下的硬度；

H_L——焊缝最后层下临界氢密度ml/100g；

该实验和生产实践表明，出现横向裂纹一般焊后焊缝硬度较高，出现横向裂纹硬度达到了HV380。

要克服多层埋弧焊的这种横向裂纹，首先必须降低焊缝中氢的浓度，使焊缝扩散氢的含量小于产生临界裂纹的氢含量。有文献表明，2.25Cr-Mo钢当采用极低氢型焊接材料，焊缝的扩散氢含量小于1.5ml/100g，即使不进行后热也没有裂纹产生，可见消除焊道中扩散氢的重要性。

具体的焊接工艺上就要严格控制焊缝中氢的来源。焊丝要清除油污，焊剂要防止吸潮，且在使用前严格烘烤。同时，要严格按要求进行焊接预热和后热及中间消应力处理，都是克服该裂纹的重要措施。此外进一步改进焊材，降低焊缝硬度对消除该类裂纹也是有利的。

2．埋弧焊缝的热裂纹

早年在对2.25Cr-Mo钢进行埋弧自动焊时，曾多次出现焊道中心纵向断续裂纹。这种裂纹多发生在表面下凹的焊道中，呈开放型，见图4。

图4

在对接坡口中焊第一道焊道时特别容易产生。在焊接过程中，在较高的温度下，除去渣就看到断续的纵向小裂纹。裂纹处于焊缝中心柱状晶的对生面上，长10-15mm深2-5mm。由于裂纹呈开放型，解剖断口有氧化颜色，根据这些特征，说明裂纹再高温下产生，属于典型热裂纹。

该热裂纹形成原因是因为在结晶过程中，随温度下降焊缝柱状晶生长，同时焊接应力也在增加，低熔点共晶成分推向焊缝中心，并在晶间形成低强度的液态层，在焊接应力作用下导致了开裂。因此，低熔点共晶成分的存在是裂纹产生的主要因素。低熔点共晶数量及分布决定焊缝金属成分，C和S对热裂纹影响最为显著，且焊缝中易偏析微量元素也会降低晶间强度。有关文献也指出珠光体Cr-Mo钢自动焊，由于使用不正确的焊接规范，形成窄而深的梨型焊道，成型系数小，低熔点共晶易聚集于焊道中心，从而促进热裂纹的形成。

针对这种裂纹的消除，主要采取的措施有：

（1）尽量减小焊接材料中的含S量，焊丝一般控制在0.015%以下，焊剂的S含量一般小于0.05%，此外在满足强度的前提下，要尽量降低焊丝的含C量。此外，要提高焊剂的碱度，可改善焊缝的性能，对克服热裂纹也有帮助。

（2）选用合适的焊接规范来改善焊缝结晶状况。焊接规范影响焊缝成型系数，也影响焊缝结晶形式和低熔点共晶的聚集特征。当成型系数小于1.2-1.3，且焊道呈下凹梨形截面容易出现热裂纹。

（3）适当的预热温度，可适当降低焊接应力，对防止热裂纹也起一定作用。

3.Cr-Mo-V钢自动焊缝的再热裂纹

2.25Cr-1Mo-0.25V钢是大型容器轻量化的关键材料，也是煤加氢液化的关键材料，随着煤化工的出现，其应用则更加广泛。某加氢反应器直径Φ1400壁厚90mm材料为2.25Cr-1Mo- V，筒体焊缝采用自动焊焊材为欧洲沙福公司生产的S225V+F537。纵缝焊完中间消应力处理后，经超声波探伤发现在自动焊缝内出现裂纹，裂纹位于距表面15-30mm位置，多为横向。该裂纹经金相复膜检查判定为晶间开裂的再热裂纹。

再热裂纹亦称消除应力裂纹，出现于消除应力的过程中。在焊缝中产生再热裂纹一般与杂质元素在初生奥氏体晶界偏聚，导致晶界脆化有关。在热处理过程中，由于应力松弛作用，高应力区发生塑形变形，当晶界局部塑形变形能力不能满足实际变形量要求时，将发生晶界开裂。因此再热裂纹显著特点是：在消除应力热处理过程中产生，具有典型的沿晶界开裂特征。若热处理前焊缝中存在微缺陷，热处理过程中最容易在原缺陷尖端进行应力松弛形成再热裂纹。

欧洲在2007-2008年生产的Cr-Mo-V钢容器，有25台出现过焊缝再热裂纹，为此英国BWI，比利时焊接研究所等多个单位开展了研究，得出了焊缝中杂质元素（主要来源于焊剂）Pb、Bi和Sb的含量影响焊缝的再热裂纹。当K=Pb+Bi+0.03Sb≤1.5ppm时，焊缝塑性较高，不会产生再热裂纹。同时用Gleeble高温试验机来测定焊缝的塑性，用以筛选Cr-Mo-V钢的焊接材料。美国石油学会API934B“V改进钢厚壁压力容器制造依据”也规定了相应的内容。

为了防止Cr-Mo-V钢焊缝产生再热裂纹主要是提高焊接材料的纯净度，其次尽量减小焊接残余应力。目前国内已能通过Gleeble试验来筛选不产生再热裂纹的材料。对神钢生产的US521H+PF500和伯乐生产的UNIONSI CrMo2V+UV430TTR-W自动焊焊材进行对比试验，结果表明在650℃热处理温度下，神钢焊材的断面收缩率ROA值为45%，伯乐为32%。按API934A附录B的判据，两种材料的ROA均不小于32%。可以认为该批材料均有低的再热裂纹敏感性，而神钢材料更好。

4.筒节纵缝焊趾裂纹

某容器材料为15CrMoR，壁厚34mm，筒节直径Φ1400。筒节在校圆后进行表面磁探，发现纵缝焊趾处有长度20-50mm沿焊缝纵向分布的裂纹，裂纹深度为1-3mm，件图5.

图5

该裂纹的产生特点是：在焊缝焊后通过消氢处理，经表面检查，在相关部位未产生裂纹，而在校圆后再进行检查，在焊趾处发现了上述裂纹，说明纵缝焊趾处的裂纹不是在焊接过程中而是在校圆的过程中产生，属于应力型裂纹。

裂纹产生原因：裂纹在筒节校圆过程中产生，由于材料有较高强度，校圆必然产生较大的变形应力，再加上焊接产生的残余应力，就会应力显著增大；此外焊缝与母材交界处由于焊缝余高存在，导致焊趾处几何不连续性，此处会产生较大的应力集中；由于以上原因造成了焊趾的应力裂纹。

克服焊趾裂纹的主要措施：①选用合适焊接规范，降低焊接残余应力；②焊趾处焊缝余高越大，越易产生应力集中，因此校圆前打磨去除焊缝余高以消除应力集中，从而防止焊趾产生微裂纹。③适当提高校圆温度，以减小变形应力。

5.Cr-Mo钢筒体与奥氏体不锈钢接管焊接接头裂纹

某汽化炉材料为1.25Cr-1Mo壁厚90mm，设计筒体上有Φ360×20mm的304不锈钢管。该接管焊缝采用E309（24-13型）焊条进行焊接，焊后检查未发现焊接裂纹。通过焊后消除应力处理，发现焊缝熔合线处产生裂纹。

裂纹产生的原因有以下几个方面：①接管和焊缝为奥氏体组织，其热膨胀系数比Cr-Mo珠光体钢大，因此在消除应力热处理过程中，在焊接接头处会产生很大的应力。②焊缝成分与Cr-Mo钢不同，在焊接熔合区由于成分稀释会产生不连续的脆硬组织，塑性较低。由于上述原因，因此在产品热处理后由于应力作用导致熔合区产生裂纹。

该类裂纹的防止，主要考虑接头的刚性，合理选择合适的焊接材料。当筒体比较厚接管直径大时，可选用镍基材料来进行焊接，镍基焊缝可减小热应力，同时可改善熔合区组织，提高熔合区韧性从而防止热处理裂纹的产生。防止该类焊缝最好还是从产品设计方面考虑，尽量选用同类材料。

撰稿：Leo君

编辑：君雔

技术指导：事事顺心

来源：压力容器工程师