球罐的裂纹分析及防止

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一、球罐基本参数
    容积：650m3；结构型式：混合三带球；材质：07MnCRMoVR；内径：10700mm；壁厚：44mm；介质：氮气；设计压力：3.09Mpa；设计温度：-10-60oC；选用焊条：J607RH。
    二、裂纹产生的原因分析
    1.裂纹种类。焊接裂纹主要有以下五种：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹和层状撕裂。层状撕裂主要关系到出厂的钢板问题，与球罐制作安装无多大关系。因此，施工时主要针对焊接的热裂纹、再热裂纹、冷裂纹和应力腐蚀裂纹进行分析和研究。
    2.裂纹形成原因分析。裂纹的产生主要有以下几个因素：
    (1)材质因素：氢含量的增加，使材料脆性升高，硬度增加导致韧性下降，扩散氢量对冷裂纹的产生和扩展起了决定性的作用，含氢量较高，而预热温度不足的情况下，肯定产生裂纹。合金元素对热裂纹中的结晶裂纹产生有很大影响，硫、磷的微量存在也都会增高结晶裂纹的倾向，从许多研究也能证明C、S、P对结晶裂纹影响最大。
    (2)组装因素：球罐在组装过程中，如果各种尺寸达不到规范要求而进行强力组装，就会产生约束应力，焊后应力无法释放，是产生裂纹的重要因素。在结构复杂和十字缝等部位常会出现这种情况。
    (3)焊接因素：焊接形成的小缺陷，如表面气孔、弧坑裂纹等，容易产生微裂纹，在球罐加压使用时裂纹容易扩张。焊接次序的不合理，易使球体内的应力不能尽最大的释放，而后的残余应力就很大，从而比较容易形成冷裂纹、热裂纹。球罐焊接采用的焊接方法、焊接线能量的大小、焊接的预热、后热对裂纹的产生也起到很大作用。
    (4)机械损伤因素：组装临时工夹具部位，其硬度高于其他部位，残余应力也较高，容易产生裂纹。球罐板在运输、压制、组装过程中的碰伤等部位也是容易产生裂纹的地方。
    三、施工对策
    针对球罐施工中产生裂纹的原因，施工时应着重从以下几方面采取措施进行控制。
    1.材料复验
    (1)材料表面不允许有裂纹气泡、夹杂等缺陷；(2) 对球壳板进行逐张超声检测，按JB4730验收，标准不低于Ⅱ级。(3)对进厂的07MnCrMoVR进行复验，其复验数值包括C、P、S的含量必须在质保书规定范围内。(4)对焊接选用的J607RH焊条进行复验，一方面要保证其强度必须与07MnCrMoVR匹配，另一方面特别强调要超低氢, 复验结果是1.43ml/100mg，与GB12337-1998的1.5ml/100mg完全符合。通过复验，主要板材、焊材的化学成份、机械性能、含氢量等参数均达到规范标准。
    2.工厂压制
    (1)下料时，坡口表面应平滑，粗糙度大于等于25mm，且表面不得有裂纹和其他缺陷存在。压制的球壳板几何尺寸应严格按照规范的要求进行控制和验收。
    (2)支柱及组焊件焊接时，要求球壳板在中间支撑好，成自然状态，所有的组焊件焊接采用对称均布焊，分层分道，对线能量的控制与球罐本体焊接的工艺参数一样。焊件的焊接要进行预热、后热及控制其层间温度。球壳板出厂吊装时要加强保护，避免碰伤。
    (3)现场施工主要控制以下三个环节：
    a. 组装时严禁进行强力组装，组装方法是先利用工装夹具组对好，然后进行整体的间隙、错边量和棱角度的测量和调整，直至完全符合规范要求，最后进行整体定位。定位要在小坡口侧，采用与本体焊接相同的工艺，定位焊长度采用80mm，间距250mm。
    b．焊接时，首先根据07MnCrMoVR这种钢材形成裂纹的机理，制定了一个切实可行的焊接工艺。制定焊接工艺参数时，特别强调线能量，因为线能量过大会产生一方面输入的热量多，晶界低熔相的熔化越严重，晶界处于液态的时间越长，液化裂纹的倾向就增大；另一方面会引起热影响区过热，使晶粒粗大，会降低焊缝的抗裂性能。而线能量过小会产生一方面增加焊缝金属应变率，从而增加结晶裂纹的倾向；另一方面会降低冷却时间，会使热影响区淬硬，也会不利于氢的逸出，故而增加裂纹倾向。因此制定了线能量的上下限焊接工艺参数。在制定焊接顺序时，尽量使用大多数焊缝能在较小刚度的条件下焊接，使焊缝受力较小。球罐整体的焊接顺序如下：先外侧后内侧，先纵向后横向。即：焊赤道外侧→上下极盖、上下Y缝外侧→ 赤道内侧→上下极盖、上下Y缝内侧→上下环缝外侧→上下方块缝外侧→上下环缝内侧→上下方块缝内侧。焊接时应采取以下针对性技术措施：纵焊缝都采用均布分段退焊法，环焊缝沿等分旋转同一方向焊接。现场焊接时，严格焊接工艺规范，施工员和质量员不停地检查焊工是否按规程进行焊接操作。严禁在坡口外引弧、熄弧。对于不小心电弧碰伤的部位应立即进行打磨，焊前要对坡口进行清理。对每个焊工的线能量进行不停的测量，过大、过小的应立即调整其电流及焊速，控制好线能量。每个焊工焊接收弧时要填满弧坑，避免弧坑裂纹的产生。焊工每天的接头要每道间空2cm以上，打磨后要进行PT检验，看是否有弧坑裂纹存在。在焊缝边上MT检验确定为咬边或裂纹等缺陷需修补时，为避免应力集中，修补长度不得小于50mm，补后焊缝表面应进行打磨，修补处要进行记录，以后要确认表面没有缺陷存在。Y型接头是应力最集中的地方，应绝对避免在Y型的交汇处引弧、熄弧，而应在环缝离Y型距离200mm的地方。c. 热处理包括焊前预热、层间加热、焊后后热及球罐的整体热处理。焊前预热可以有效防止冷裂纹，消除应力，预热温度应严格控制在90-100℃。层间温度基本保证在120-155℃。后热主要是消氢，同时也能韧化热影响区和焊缝的组织，对防止裂纹是非常有效的，后热温度宜控制在225-250℃间。整体热处理主要消除应力，从而降低冷裂、脆断的倾向，同时也降低SCC的倾向和改善接头的组织，整体热处理的温度应控制在555℃-580℃，恒温1小时50分。
    四、结论
    由于对球罐裂纹产生的机理和原因做了充分的分析，制定了一套科学的球罐制造和现场安装的施工方案，并且在每一步施工环节中都采取了相应的针对措施，严格质量控制和测量验收，最后整个球罐焊缝的一次拍片合格率为98.9%，而且无一张裂纹，在热处理后的MT检测中也无一处表面裂纹。这同时也证实了国产07MnCrMoVR材料用在球罐上没有任何问题。