蒸汽流量表孔板焊縫開裂原因分析及對策

摘要：本文從焊接材料、焊接工藝等方面分析了蒸汽流量孔板焊縫開裂的主要原因，以及異種鋼焊接的防裂紋措施。
  我公司蒸汽主管在系統大修時新增了一個 DN600 的蒸汽流量孔板，工作介質為過熱蒸汽，壓力為 0.5MPa，溫度為 180℃，流量孔板與管道采用焊接方式聯結，使用 4 天后在環形焊縫中間產生了 400mm 長的縱向裂縫，通過舍夫勒組織圖對焊縫金屬進行分析，確定焊縫的組織狀態，查找焊縫開裂原因。
 
1、流量孔板的焊接及開裂形式：
  蒸汽主管上 DN600 的蒸汽流量孔板，流量孔板與管道焊縫接頭圖如圖 1 所示。

  流量孔板環形焊縫的焊接是屬于異種鋼的焊接，本次焊接采用手工電弧焊，地衣層用 A312 焊條，第二層至蓋面用 J422 焊條，焊縫熔合比示意圖如圖 2 所示。
WI. 地衣層焊縫、填充金屬所占比例（%）  W2. 第二層焊縫、填充金屬所占比例（%）  B1、B2、B3. 焊縫中、母材所占百分比（%）  圖 2   母材熔合比
WI. 地衣層焊縫、填充金屬所占比例（%）
 
W2. 第二層焊縫、填充金屬所占比例（%）
 
B1、B2、B3. 焊縫中、母材所占百分比（%）
 
圖 2   母材熔合比
 
  根據流量孔板環形焊縫開裂的時間、部位、外觀特征等可確定其屬于脆性斷裂。脆性斷裂是一種低應力破壞現象，脆斷時應力一般不高于結構的設計應力，而且斷裂前沒有或只有少量的塑性變形，裂紋可瞬時擴展至整體，突然性比較強，潛在危害大。焊縫金屬韌性不足是造成脆性斷裂的一個重要原因，焊縫金屬的韌性決定于其組織狀態。本文重點分析化學成分對焊縫金屬韌性的影響。
 
2、地衣層焊縫金屬的化學成分及組織狀態分析：
   由圖 1 和圖 2 可知，環形焊縫金屬是由短節（Q235-A）、孔板（1Cr18Ni9Ti）兩種不同類型的母材以及填充金屬 W1、 W2 融合而成。地衣層焊縫金屬是由 Q235-A，1Cr18Ni9Ti，以及填充金屬 W1 組成。Q235-A 不含合金元素，對焊縫金屬中的合金具有稀釋作用，使焊縫中的強奧氏體化學元素 Ni 含量減少，如果焊條選用不當，工藝不合理，焊縫中將出現一定量的馬氏體組織，避免焊縫金屬中出現馬氏體組織，是制定焊接工藝的首要原則。根據焊條熔敷金屬和母材金屬的化學成分及熔合比，可以計算出焊縫金屬的當量成分，并可利用舍夫勒組織圖來確定其組織狀態（如圖 3）。

A. 奧氏體 B. 馬氏體 F. 鐵素體
 
Cr 當量 =Cr+Mo+1.5Si+0.5Nb
 
Ni 當量 =Ni+30C+0.5Mn
 
圖 3

3、 第二層焊縫的化學成分及組織狀態分析：
3.1、 選用 J422 焊條時焊縫組織狀態:
  第二層焊縫由 Q235—A，J422 焊條以及圖 3 中 h 點金屬所組成。當熔合比在 30% ～ 40% 時， Cr當量 =4.64（%）；Ni 當量 =6.01（%），相當于圖中k 點成分的金屬。由圖中可以看出，此時焊縫組織為脆硬的馬氏體組織，其韌性嚴重下降，在使用過程中極易引起焊縫產生脆性斷裂。
3.2、選用 A312 焊條時焊縫組織狀態：
  第二層焊縫由 Q235—A，A312 焊條以及圖 3中h 點金屬所組成。當熔合比在 40% 時，Cr 當量=20.56（%），Ni 當量 =14.47（%），相當于圖中 g 點成分的金屬。其組織為奧氏體，不利于提高焊縫金屬的抗裂性能。當熔合比在 30% 時， Cr 當量=22.1（%）；Ni 當量 =15.19（%），相當于圖中M 點成分的金屬，其組織為奧氏體 +2 ～ 3% 的鐵素體，金屬的塑性、韌性良好，具有良好的抗裂性能。
 
4、分析結論與改進效果：
  通過分析，流量孔板環形焊縫裂紋的原因主要是第二層至蓋面焊條選擇不當，簡單的認為地衣層 A312 焊條，已保證了孔板與管道的焊接性能，第二層至蓋面焊接的是 Q235—A 管道，采用 J422 焊條以降低焊接成本和提高焊接速度。后來流量孔板修復焊接時，我們調整了焊條型號，全部采用 A312 焊條焊接，一次焊接成型，使用效果良好。實踐證明，異種鋼 Q235-A 和 1Cr18Ni9Ti 的焊接必須采用 A312 焊條焊接才能獲得優良的抗裂性能。以后在焊接實踐中，針對異種鋼的焊接，制定焊接工藝和選擇焊條時一定要做好組織分析。