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 【学术前沿】浅谈阀门焊接裂纹原因分析及防治方法

 

1.概述

阀门应用于各行各业,包括石油、化工、光伏、氢能、海工、风电项目、造船、航天航空、汽车等。阀门焊接常见的焊接缺陷有气孔、夹渣、未熔合、未焊透和裂纹等,其中裂纹对结构的影响最大。焊接裂纹容易引起结构断裂、介质泄漏,甚至发生爆炸,也影响疲劳寿命,如导管架平台疲劳裂纹形成,这些都会造成严重的后果,为了保障焊接稳定可靠性,在焊接前,也根据相关标准做了焊接工艺评定,但还不能完全避免焊接裂纹的产生。

阀门焊接接头特点有位置受限、壁厚不均、部分位置拘束度大、T形接头多、壁厚大和材质种类多等。主要焊接部位有阀体的焊接、夹套阀焊接、密封面的堆焊阀门、耐磨堆焊、耐腐蚀堆焊等。阀门焊接方法有氩弧焊、手工电弧焊、埋弧焊、火焰喷焊、等离子焊、激光焊、超音速喷焊等。焊接质量控制尤为重要,关于焊接裂纹根据形成原因分析,主要可以分为冷裂纹、热裂纹、层状撕裂和再热裂纹四大类。虽然裂纹出现的原因和机理都有大量的研究和方法,但是实际施工现场、安装现场环境和安装方式,人员素质、材料等各方面的影响因素,都会影响焊接结果,形成裂纹。理论和实际结合才能更好找到原因,从根源上解决问题,制定相关方案。

2.裂纹原因分析

对于阀门的焊接,以上四种裂纹,在工厂或现场焊接时一般是以冷裂纹和层状撕裂较为普遍。发现裂纹怎样去分析鉴定尤为重要,找准具体原因再采取措施,但鉴定时干扰因素很多,怎样去排除干扰因素尤为重要,焊接过程跟踪是分析裂纹产生原因的一个重要基础条件。通过裂纹类型和形成原因分析。一般出现裂纹时,需要从人、机、料、法、环五个方面入手,分析人员需要有丰富的经验,首先要了解不同裂纹形成的机理,还要了解现场焊接过程,容易造成裂纹形成的因素。不同结构焊接裂纹产生原因的分析方法不一样。

比较成熟的工艺和结构在焊接中突然发现裂纹,先判断是哪一类裂纹,看开裂纹形态,是焊后还是焊接过程中形成的。一般从人和材料的原因出发,人员对工艺不熟悉,或看整个焊接过程的控制,了解焊接工艺是否用对,是否按要求预热后热,油漆是否打磨干净,焊前是否清理油污等。材料分析要全方位,母材和焊材都要检查。焊材方面,焊材是否用错,焊材是否按要求烘烤储存,焊工是否按要求领用或使用焊材。分析母材材料性能是否满足要求,母材是否用错等。对于不能判断的裂纹类型,也可以通过微观金相检查组织,质谱分析开口处的化学成分,通过组织和实际情况结合分析其原因。

对于新结构或者复杂的结构,这种分析就比较复杂,人为原因造成的因素也有,如不按照焊接顺序焊接、未按要求预热、焊后未保温、焊接过程未按技术要求执行等;机具的影响一般相对较小,设备故障引起的裂纹比较小,一般设备故障焊工都能及时察觉;材料也要全面检测,比如T形厚壁接头,材料是否具有Z向性能,材料强度是否满足要求。考虑焊接工艺和方法是否正确,所有的焊接开始前都是按照要求进行了相关工艺处理,一般不会有问题,但也有特殊情况,焊接工艺时未考虑结构的拘束度、应力等会影响焊缝。比如在阀门夹套焊接架焊接时,复杂的结构安装顺序等情况,也要考虑焊缝设计是否合理,如交叉焊缝处形成焊趾裂纹等,部分结构交叉焊缝时未设置过焊孔。环境的影响,防风、防雨措施不当,焊接条件不当,焊接前未清理焊缝等。在内应力拘束度分析时,可以借用软件对焊接接头裂纹的形成进行模拟。

阀门焊接过程焊接裂纹产生的原因,也要根据原材料,如材料是卷管还是无缝钢管,是锻钢还是铸钢,复合管材等,裂纹的类型,是层状撕裂还是冷裂纹,层状撕裂一般是母材冶金原因或者板材Z向性能等,是否是交叉焊缝处。复合材料堆焊问题,再次受热而产生裂纹。焊接阀体一般从母材和焊材入手,再从焊接工艺方面调查。夹套焊接一般先分析焊缝的分布,再从材料方面,最后从人员焊接方法和顺序入手。

对于热裂纹和再热裂纹,一般做工艺时,就能采取相应的措施去避免,现场焊接一般不会出现,这个时候就要考虑到实际应用的母材是否有问题,硫磷含量是否超标,是否含杂质太多。如焊接前油漆未清理干净,由于焊缝受到油漆里面的化学成分影响焊接的冶金性能,而导致开裂。同时也要考虑是否是由于热输入过大和材料化学成分偏析造成热裂纹。

3.焊接裂纹的预防措施

针对阀门焊接时,不同类型的缺陷,可以根据其形成机理和实际焊接过程相结合,采取相应的措施,具体措施可以从以下几个方面考虑。

3.1 材料方面

对于不同结构和材料具体分析,在做焊接工艺时,要考虑材料的厚度,化学成分选择硫磷含量低的钢材,焊接裂纹倾向小的材料。通过碳当量的计算,选择合适的钢材,合适的预热温度。预热能减小冷裂纹的发生,但并不适用于所有的焊缝,当拘束度过大时采用预热的方法来避免冷裂纹不一定能有效果。由于氢也是产生冷裂纹的原因,故选择低氢焊材,焊接材料按要求烘烤,现场按要求保温等。

3.2 设计方面

夹套阀门焊接时受到拘束度影响时,在焊缝设计时考虑应力较小的焊缝,能用对接代替搭接的就用对接。焊缝的坡口角度设计也要合适,避免焊缝坡口过大或过小。焊缝的排版,焊接顺序,交叉焊缝过渡,焊缝分布合理性,避免焊接接头应力集中。复杂结构焊接结构设计时,可以采用相关的软件模拟其受力状态,进行有限元分析,温度场和应力集中模拟,模拟焊缝受力情况。对于交叉焊缝处的结构,焊接接头的过渡,设计时可以采用过焊孔的方式。

3.3 工艺方面

要多方面考虑,评估焊接质量。根据不同的焊缝条件,选择合适的焊接材料,考虑材料的综合力学性能,强度和韧性平衡,根据材料的厚度、种类选择合适的预热、后热温度和预热方法,焊接过程严格参照焊接工艺,焊后热处理及时性,焊接线能量的控制。还可以通过试验斜Y形坡口焊接测试其冷裂倾向,通过预热和焊后热处理也能达到消氢的作用,避免氢致裂纹。同时也要结合产品实际结构,考虑其拘束度,适当的提高焊材强度。选着合适的焊接顺序,特别是复杂结构,一般应力比较集中,在焊接时采用分段退焊,对称焊,先焊接拘束度大的焊缝。目前很多焊接相关的规范上取消了普通碳钢的预热,当厚度超过规定厚度强调的就是必须采用分层分道焊,其原理就是以热焊道的形式对前一道焊缝后热,也叫回火焊道。当厚度超过规定时,如不通过热处理或者后热来避免裂纹出现,要通过CTOD(裂纹尖端张开位移)试验验证材料和焊接接头抗断裂性能。

3.4 焊接质量控制体系的执行 

焊接过程控制,控制焊材的使用,焊接过程中预热和焊后的后热温度控制,是否满足要求,避免人为原因造成的焊接裂纹。组对检查母材是否正确、坡口角度等是否满足要求、焊缝清洁度是否有油漆、水等容易造成裂纹的因素。提高焊接质量人员过程监督和控制,焊接环境,保证合适的焊接条件,焊接防护措施,防风防雨、除锈、防穿堂风等。焊接过程中热输入的控制,焊材的存储和保温措施,焊接工艺的执行情况等。对冷裂倾向大的材料,是否按要求立即热处理或后热。由于制造或加工企业,钢材一般都是外购材料,要从材料源头控制,材料的选择都极为重要,材料入场的校验,材料内的夹杂含量及分布状态有关,钢板的轧制方向,在下料时避开焊缝,在原材料设计排版,应避免Z向应力集中。锻件和铸件的检查,采用相关的无损检查方法,如UT/RT/PT/MT等,避免母材缺陷造成裂纹。

  • --------来源于《阀门公众号》