厚壁压力油罐人孔锻件裂纹分析及其焊接.doc

厚壁压力油罐人孔锻件裂纹分析及其焊接 newmaker 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 0 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