杭州鍋爐 張方
摘要：本文對某蒸發器集箱組件焊接裂紋的產生原因進行了分析，提出了防止裂紋產生的一系列措施。對提高機械構件設計、制造、安裝的質量有一定的參考價值。
關鍵詞：鍋爐、焊接、氫致裂紋、預防措施、金相拋光劑
1 前言
某公司承接了某余熱鍋爐蒸發器的制造安裝項目，該蒸發器設計用途是用于干熄焦等余熱鍋爐的換熱模塊，設計工作壓力P=1.76MPa，工作溫度206℃。蒸發器成品尺寸約為2900*2300*7300。其中有99支集箱管，2000多支管接頭。集箱管和管接頭的材質均為20#，集箱規格為Φ108*6。由于焊接所涉及的集箱管和管接頭材質均為普通低碳鋼，具有優良的可焊性，且項目工期緊，因此未作細致的工藝試驗。
焊接方法為手工焊條電弧焊，采用Φ5的國標牌號E5015的手工焊焊條，焊接層數為一層。焊接坡口插入式。焊前沒有預熱，焊后沒有進行熱處理。一個模塊焊接完成后，在表面探傷過程中未發現裂紋，在壓力Ps=2.20MPa進行水壓試驗，未發生滲水。
該模塊在運行5周后突然發現滲漏現象，通過停機檢查發現兩處泄漏。兩處裂紋在集箱沿焊趾開裂，一處裂紋弦長55mm，一處裂紋弦長48mm。由于低碳鋼的此類焊接裂紋極為少見，所以，我公司對裂紋產生原因非常重視，對模塊進行修補的同時，選取試樣進行事故原因分析。
2 材質分析
集箱管材質為20#，入廠驗收標準為GB 3087-1999。對故障集箱管進行化學分析，其化學組成（wt%）為：C=0.18；Mn=0.44；Si=0.22；P=0.019；S=0.022；Cr=0.11；Cu=0.13；Ni=0.05，滿足標準要求。同一爐號的此類接管進行拉伸、彎曲、壓扁試驗，其機械、工藝性能均滿足標準要求。故障管的金相試驗結果顯示：集箱管組織為鐵素體+珠光體，晶粒度7~8級，晶粒細小，且分布均勻。同時，低倍檢驗未發現嚴重缺陷，滿足標準要求。所以，裂紋不是由管子質量問題引起的。
E5015焊條為低氫鈉型焊條，藥皮主要成分為碳酸鹽礦（如：大理石、菱苦土等）和螢石，還有一定數量的石英砂或硅鋁酸鹽。E5015焊條藥皮屬于CaO-SiO2-CaF2為主的熔渣系，熔渣堿度較高。藥皮中有強脫氧劑，可以同S、P形成易揮發物，有利于脫硫、脫磷，降低焊縫中的雜質，減少低熔點共晶的產生。E5015焊條焊接工藝性能一般，焊波較粗，熔深中等。主要用于焊接低碳鋼結構。E5015焊條對氫敏感，施焊時焊接處要保持清潔，不能有水分、油污和鐵銹。本文對角焊縫進行化學成分分析，其成分符合GB 51117-1995中對碳鋼焊條的要求。
3 裂紋金相檢查分析
3.1 裂紋宏觀檢查
發現裂紋的兩集箱管徑均正常，表面無塑性變形痕跡。由于是單道焊，所以，焊肉較厚，最厚處達8mm。在收弧位置發現一處弧坑裂紋。在熔合線附近發現多處咬邊。
兩處裂紋均為穿透裂紋。通過對裂紋紋路的宏觀檢查，發現一條裂紋起源于集箱外側緊靠焊趾的熔合線。在集箱外表面的裂紋沿焊趾開裂，長度為55.2mm，貫穿至集箱內側，內側裂紋長度為40.5mm長，內側裂紋一部分延伸至焊縫下的集箱母材，其余與外側裂紋的擴展方向相同。另外一條裂紋在集箱外側同樣是沿焊趾開裂，裂紋長度48.4mm，內側裂紋長度為33.6mm。
3.2 裂紋微觀檢查
本文對兩處裂紋周邊的母材金相組織進行了分析，集箱和接管母材組織均為鐵素體+珠光體，晶粒分布均勻，晶粒度為6~8級，滿足相關標準中對管子母材金相組織的要求。組織中均為發現明顯的夾雜和氣孔等缺陷。兩處裂紋均為沿晶啟裂，穿晶擴展。斷面較光滑。
在熔合線靠近焊縫一側，發現過熱組織魏氏體。魏氏體是由結晶位向相近的鐵素體片形成的粗大組織單元，嚴重減低了焊接接頭的韌性。手工焊時材料在高溫停留時間短，晶粒長大并不嚴重，一般較難形成粗大的魏氏體。但是，如果手工焊焊接電流大，熱輸入量大，就容易形成粗大魏氏體。由圖2可以看出，裂紋周圍的魏氏體組織長度約為0.5mm，比正常焊條電弧焊產生的0.1~0.3mm魏氏體組織粗大。
圖1 焊縫和熱影響區組織 圖2 裂紋附近的魏氏體組織
4 結構分析
本文對蒸發器的內部結構進行了分析，由于蒸發器內部管接頭材質相同均為20#，運行時同一模塊內部溫度差異小，各組管接頭受熱后的膨脹量相當。所以，模塊內部不存在應力集中問題。
蒸發器外部結構設計充分考慮了膨脹吸收問題，且結構相同的模塊已經使用了很多年，并未出現因膨脹產生的應力集中問題。同時，車間在對該模塊進行裝配的時候并不存在強制裝配現象。所以，該蒸發器的結構設計和結構應力不是造成本次泄漏的原因。
5 裂紋產生機理及原因
通過分析，本文認為這次碳鋼焊接裂紋是焊縫和熔合線內溶解的過量氫導致，屬于冷裂紋中的氫致延遲裂紋。
5.1 氫致裂紋產生機理
焊接過程中液態金屬所吸收的氫有一部分在熔池凝固過程中逸出，但是由于手工焊熔池凝固速度快，相當多的氫來不及逸出而保留在焊縫金屬中。留在焊縫中的氫大部分以H或H+形式與焊縫金屬形成間隙固溶體。由于氫的原子和離子的半徑都很小，使這部分氫可在焊縫金屬晶格中自由擴散，故稱之為擴散氫。一部分擴散氫聚集到金屬的晶格缺陷、顯微裂紋和非金屬夾雜物邊緣的空隙中，結合為氫分子，氫分子半徑較大，不能自由擴散，稱為殘余氫。焊后隨著放置時間延長，由于一部分擴散氫從焊縫表面逸出，一部分轉變為殘余氫，因此擴散氫顯著減少、殘余氫增加，總氫量下降。一般認為擴散氫含量大，約占80~90%，且是造成各種氫損害、導致延遲裂紋的重要要素。
目前，能比較完整地解釋氫、應力交互作用的延遲裂紋理論是三軸應力晶格脆化學說。該學說認為，如果在三個晶粒相交的空間或裂紋的前端處于三向應力狀態，新的裂紋尖端處就會聚集較多的氫，超過一定界限之后，發生晶格脆化，而產生裂紋。隨時間增長，此處有重新聚集更多的氫，并使裂紋向前擴展，或產生新的裂紋。這種過程交替進行，裂紋也就繼續擴展。鋼材含氫量越高，裂紋敏感性越強。
有缺口存在時，延遲裂紋傾向增大，這一方面是因為應力集中的作用，另一方面，由于氫的應力誘導擴散還會引起擴散氫的聚集，開裂部位的氫濃度明顯大于原始氫濃度。
在焊接過程中，焊縫金屬在高溫時溶解了大量氫，冷卻時，由于焊縫含碳量低于母材，故焊縫先于母材發生相變，此時焊縫由奧氏體轉變為鐵素體，氫的溶解度突然下降。于是溶解于焊縫中的氫迅速向母材熱影響區內尚未發生相變的奧氏體擴散，由于擴散速度低，所以只在熔合線附近形成富氫地帶。此區域在氫和組織應力復合作用下脆化，極易產生裂紋
5.2 裂紋產生原因分析
焊接前，由于焊工的操作不當可能導致一些焊縫坡口表面存在水、油污或鐵銹等，導致焊縫及熔合線氫含量過高。由于鋼中氫原子脫溶、聚集結合成氫分子，產生極大壓力，在運行過程中與組織應力、工作應力的疊加是引發裂紋的主要原因。
焊縫時，選取焊接規范不當，熱輸入量過大，使焊縫周圍產生了粗大的魏氏體組織。粗大魏氏體組織的存在大大降低了材料的韌性，是裂紋產生和快速擴展的一個重要條件。
焊接時為冬季，焊接環境溫度較低。焊縫冷卻速度快，導致了焊縫內部殘余應力的集中，在一定程度上增大了裂紋擴展的速度。
焊縫與母材沒有打磨，進行圓滑過渡，使焊趾附近有明顯的咬邊是促使焊縫快速擴展的另一重要條件。在擴散氫、缺口效應、焊縫殘余應力及運行中產生的拉伸載荷共同作用下，構件的強度快速下降。本文認為由于各種不利因素的共同作用，材料甚至可能在屈服點之下發生斷裂。
6 結論及預防措施
由于低碳鋼具有良好的可焊性，很多生產企業對低碳鋼的焊接工藝并不重視，這就導致了一些不安全因素的產生。實踐證明，在焊材存放和使用、焊接規范執行以及焊接操作等方面一旦出現問題，仍很可能誘發碳鋼焊接裂紋，并最終極大地損害產品質量和公司信譽。消除安全隱患、獲得優良的焊接質量的前提是加強焊工的責任意識和職業技能培訓。另外，本文還提出一下的幾點措施提高低碳鋼的焊接質量，防止裂紋的產生：
1 焊條應防潮包裝與存放，在使用前，要保證焊條按規定溫度和時間烘干，烘干后放在烘箱或保溫筒中保管，隨用隨取。焊前，焊接坡口認真清潔，去除表面的油污和鐵銹等；
2在環境溫度較低時，要對工件采取適當的加熱措施；
3 選取適當的焊接電流，控制熱輸入；"
4 焊后，應將焊趾處打磨光滑，使之與集箱母材圓滑過渡；
5熔深較大的焊縫抗裂性能較差，施工時可采用多道焊接，可以緩解裂紋傾向。
參考文獻
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