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三峡电站压力钢管高强钢焊接裂纹浅析

时间: 2011-07-12 18:03 来源: 作者: 点击:

三峡电站压力钢管高强钢焊接裂纹浅析

石文龙 卢车英
(水电四局三峡坝区青云公司)


摘要:根据焊接裂纹分类及其产生机理,三峡工程压力钢管高强钢焊接产生的裂纹,多为焊接延迟裂纹或焊接热裂纹。在分析产生裂缝原因的基础上,提出了防止焊接裂纹产生的措施。

关键词:焊接裂纹;压力钢管;高强钢焊接;施工措施

1 概述

  三峡水利枢纽左岸布置14条压力管道,右岸布置10条压力管道,直径12.4m,最大设计内水压力1.4MPa。钢管由上至下分为:上斜平段、上弯段、斜直段、下弯段、下平段及厂内段,每条管道轴线总长122.677m。其中上斜平段至斜直段钢管材质为50kgf/mm2低合金钢,采用武钢及宝钢生产的16MnR钢;下弯段至厂内段钢管材质为60kkgf/mm2高强度调质钢,采用日本牛产的610U2,及610F钢。因钢管直径大、轴线长,钢管焊缝焊接量大,每条钢管焊缝总长度约为3144.1m,其中高强钢焊缝约为1 098.7m。高强度凋质钢的焊接质量要求高,下平段及厂内段焊缝均为一类焊缝。要求焊接时必须采用多层多道焊,严格控制线能量。

2 焊接裂纹分析

  焊接过程中可能产生气孔、夹渣、未熔合及焊接裂纹等缺陷。对于结构用钢来说,除了焊接裂纹以外的其它缺陷,如气孔、夹渣、未熔等,往往可以通过改进操作方式而避免,焊接裂纹则需要通过正确地选择材料和工艺措施才能避免。

2.1 焊接裂纹类型

  根据焊接裂纹形成的不同机理,可把焊接裂纹分为以下四种:①焊接延迟裂纹;②结构钢的焊接热裂纹;③结构钢的再热裂纹;④层状撕裂。

2.2 三峡工程焊接裂纹类型的确定

  三峡压力钢管的焊接,特别是工地环缝的焊接,因钢管槽内相对湿度大,昼夜温差大,所以焊缝的施焊工艺要求高。①δ=60mm(60kgf/mm2)焊缝的焊接必须保证预热500℃~80℃,层温不低于预热温度,且不超过230℃,焊后立即进行消氢处理,且焊缝外观及内部质量合格后进行爆破消应;②δ=34mm(60)kfg/mm2)焊缝,当环境温度大于20℃,水蒸气分压小于25mmHg柱时,不要求预热,亦不要求后热及消应。因此,基于焊缝的焊接要求,压力钢管的焊接基本不可能出现第三种裂纹。因环缝为对接“X”型坡口,因而也不可能出现第四种裂纹。所以工地环缝如果出现裂纹,基本多为焊接延迟裂纹或焊接热裂纹。焊接延迟裂纹的基本特征是它往往在焊接完成并且当焊件冷却到200℃~150℃以下温度时发生,有时甚至可以在接头焊完并放置数小时甚至几十小时以后出现,即这种裂纹的形成有明显的延迟性。延迟裂纹除了发生在焊缝内部以外,更经常会出现在焊道层下、焊趾和焊根等部位的热影响区。焊接热裂纹基本发生在焊缝内部,它往往是沿焊缝长度方向延伸。这种裂纹有时也发生在焊缝终端的弧坑部分呈龟裂状。焊接热裂纹是在焊缝的结晶过程中生成的。

3 焊接裂纹产生原因

  形成焊接裂纹的原因是多方面的,但可以归纳为力学因素和冶金因素两方面。

3.1 力学因素

  导致裂纹产生的力学因素主要为拘束应力。压力钢管焊接时采用多层多道焊,焊接第一层焊缝时,由于焊缝截面远小于构件的截面,因此拘束应力和拘束变形将集中在截面比母材

  小很多并且变形相对容易的焊接区内,造成第一道焊缝的焊接区是最容易出现裂纹的区域。拘束度越大,焊接区域承受的拘束应力和应变越大,造成焊接裂纹的危险性也越大。焊缝在压缝完成后,特别工地环缝不可避免地会产生拘束度偏大,从而致使点焊区域承受的拘束应力和应变偏大。焊接时,由于焊接区域的温度升高,点焊区域拘束应力得以释放,易造成裂纹的产生。有时钢管丁字接头部位容易产生裂纹就是因应力过分集中造成。

3.2 冶金因素

3.2.1 冶炼杂质对高温脆性区的影响

  钢中的杂质元素如C、S、P、B会明显地扩大高温脆性区的温度范围。60kgf/mm2钢种是一种含C、S、P量很低的Cr-Mo-V系合金钢。Mn含量较高,约为1.20%~1.60%,可以减小高温脆性区,因而60kgf/mm2钢是一种可以减小高温脆性区的钢种。

3.2.2 钢的淬硬致脆倾向

  60kgf/mm2钢种碳当量Ceq=0.35%,裂纹敏感系数Pcm=0.185%,钢的淬硬致脆倾向不明显,是一种焊接性及抗裂性良好的钢种。

3.2.3 钢中氢的致脆

  氢是焊接冶金过程残留在钢中的气体杂质。由于钢中残留的氢使钢的塑性恶化而形成氢脆。

3.2.4 焊接粗晶区晶界的弱化

  由于合金结晶过程的选择作用和相临晶粒间的相位不同,使得晶界总是含有比晶粒内部多得多的杂质和缺陷:而且由于晶界很薄,因而晶界的变形能力总是远低于晶粒本身的变形能力。在正常受力下,晶粒本身承担厂主要的塑性变形,保证了合金的塑性和强度。但NK HITEN610U2钢种因含有Cr、Mo、V等成分,Cr、Mo、V元素属于强碳化物及强氮化物形成元素,它们将会使晶界弱化或相对弱化。经计算,经验公式Psr=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+10V-2,Psr<0,因而该材料不易发生晶界断裂。

4 焊接裂纹的防止措施

  根据形成裂纹的因素,为了防止裂纹的产生,需从结构设计、材料选择以及施工工艺三方面进行控制。

4.1 结构设计

  因压力钢管的设计是比较成熟的设计模式,它的设计有国家规范为依据,焊缝的布置是合理的。

4.2 材料选择

4.2.1钢管母材的选择

  钢管母材选用日本生产的610U2及610F调质高强钢板,这是一种含C、S量很低的Cr Mo V系合金钢,有着优良的综合力学性能,抗拉强度≥610MPa,低温韧性vE 40≥330J(2mmv形缺口冲击试验),脆性断面转变温度vTs=-36℃。而碳当量Ceq=0.35%,裂纹敏感性指数Pcm=0.185%,当焊接热输入量为17kJ/cm时,热影响区的最高硬度HVmax≤300,这是一种具有很好的焊接性和抗裂性的钢种。该钢的化学成分见表1,力学性能见表2。

Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 (%)

Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10十5B (%)

4.2.2 焊材的选择

  因三峡工程工期较紧,在施工初期进行工艺评定选择焊材时,仅进行了手工电弧焊的焊接工艺评定。评定合格后,选定了两种高强钢焊条:宜昌猴王焊条厂生产的MK.J607RH焊条及四川自贡大西洋焊条厂生产的CHE62CHJt焊条。这两种焊条熔敷金属化学成分及力学性能如表3、表4。

  这两种焊条均为超低氢性焊条,扩散氢含量很低,MK.J607RH焊条扩散氢含量Hmax=1.28ml/100g,CHE62CFLH焊条扩散氢含量Hmax=2.29ml/100g,远低于国标规定的4ml/100g的标准。由这两种焊条进行的高强钢的焊接工艺经评定是合格的。焊缝的化学成分基本与母材相一致,焊缝的机械性能不低于母材,热影响区的维氏硬度不大于300,证明此焊材与母材是相匹配的。

4.3 施工工艺

  要防止焊接裂纹的产生,必须严格施工工艺,加强钢管制安过程的控制,使钢管从制作开始到安装验收完成都处于受控状态。

4.3.1 加强钢管制安过程控制

  (1)严格按引水压力钢管制作规范制作管节,必须保证出厂管节的管口平面度及椭圆度符合规范要求,防止偏心管节的出厂。偏心管节的检查通过测量管节四轴线弦长差可得。

  (2)工地环缝压缝时,保持环缝组对间隙基本一致,避免局部区域压缝内应力偏大。

  (3)控制环缝焊接顺序。环缝焊接时,必须采用8名或10名焊工对称分段退步焊,要求对称部位的焊工焊接参数基本一致。

4.3.2 加强钢管焊接过程控制

  (1)严格高强钢焊条烘烤及领用制度,严格清除环缝坡口及两侧30mm范围内铁锈、油污等杂质。

  (2)因三峡工地湿度大、温度高,当焊接环境水蒸气分压高于25mmHg柱时,应选择高于规定预热温度20℃~30℃进行预热。

  (3)高强钢的焊接,不论是δ=34mm,还是δ=60mm,尽量保证焊前预热50℃,必须保证层温不低于预热温度,且不超过230℃。尤其对于δ=60mm高强钢焊缝,必须保证预热温度为50℃~100℃。

  (4)δ=34mm、60mm强钢焊缝焊后必须进行焊后消氢处理,加热温度150℃~200℃,保温1h。其中δ=60mm高强钢焊缝必须进行消应处理,使消应后的焊缝内应力小于钢材屈服强度的一半。

  以上几方面均能降低接头冷却速度防止其产生淬硬组织,从而避免产生延迟裂纹,保证焊缝内部质量。

5 结论  通过介绍焊接裂纹分类及分析焊接裂纹产生机理,根据三峡工程的实际情况,得出以下结论:要保证焊缝质量,避免高强钢焊缝产生焊接裂纹,必须严格施工工艺,加强钢管制安过程的控制,使钢管从制作开始到安装验收完全处于质量受控状态。参考文献:

 

 

[1) 章应霖等.焊接结构工程.北京:水利电力出版社出版,1995

[2] 中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册.北京:机械工业出版社,1995

作者简介:石文龙,青云公司金属结构厂总工,助理工程师。

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