压力容器焊接中常见裂纹产生原因及预防措施

摘 要：在压力容器焊接过程中，因为种种因素的影响，导致其中常常出现一些缺陷，出现裂纹等而使压力容器的质量受到影响，其隐避性和危害性最为严重。因此，对压力容器焊接中裂纹出现的原因进行分析，提出预防措施具有重要的意义和价值。本文首先介绍了压力容器焊接中常见的裂纹，之后分析了压力容器焊接中常见裂纹产生的原因，最后提出了预防压力容器焊接中裂纹出现的措施。

关键词：压力容器；焊接裂纹；原因；预防措施

在石油化工行业中，压力容器是其中较为主要的储存类设备。而在压力容器的制造过程中，焊接则是其中最为重要的工序，其实际质量对设备的运用安全性不但具有较高的要求，而且对其同样有着十分重要的影响，是压力容器强度和致密性受到影响的重要因素，同时也是对压力容器安全运行以及使用寿命并起决定性的因素之一。然而，在压力容器焊接过程中，因为种种因素的影响，导致其中常常出现一些缺陷，出现裂纹等而使压力容器的质量受到影响，其隐避性和危害性最为严重。因此，对压力容器焊接中裂纹出现的原因进行分析，提出预防措施具有重要的意义和价值。

1压力容器焊接中的常见裂纹

裂纹是压力容器焊接过程中最常见的一类，也是最危险的一类缺陷。裂纹是焊接接头在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。它具有尖锐的缺口和大的长宽比的特征。裂纹型可分为热裂纹、冷裂纹、应力腐蚀裂纹及其它裂纹等。其中，最为常见的为冷裂纹和热裂纹。

1.1冷裂纹

焊接冷裂纹大多是在近缝区或焊缝上出现的，它和金属相变过程中复杂的应力状态以及力学性能急剧变化具有重要的关系，冷裂纹主要出现在那些易于淬化的金属材料中，特别是在焊接条件下近缝区的加热温度高，使奥氏体组织晶粒明显变大，而晶粒粗大的奥氏体非常的容易淬火，同时也十分容易转变成粗大的马氏体组织，让近缝区金属性变坏，而导致塑性降低而増加出现冷裂。此外，在焊接时的高温作用下，部分含氢的化合物分辨析出原子状态的氢也会随着熔池温度的不断降低，而使大量的氢溶在金属当中，而氢在金属中的溶解度会由于温度的降低降而降低，这样在近缝区就会汇集大量的氢，此时氢就会以气态进到金属的细微孔隙中，使局部金属出现很大的应力，从而形成冷裂纹。

1.2热裂纹

热裂纹的出现主要是因为工艺因素和冶金因素所导致的。冶金因素主要是硫、磷元素造成的杂质偏析，从而造成出现热裂纹，然而该材料已在多次工程中使用其焊接性能良好，同时硫、磷元素复验数据控制在标准的范围当中，所以可将材料因素排除而主要考虑工艺的因素。

2压力容器焊接中常见裂纹产生的原因分析

2.1冷裂纹产生的原因

压力容器焊接中冷裂纹的产生主要有，产生冷裂纹的原因有金属的脆化和焊接应力的作用两个方面的原因。

2.1.1淬火作用而导致的金属脆化产生冷裂纹

近缝区或焊缝上所形成的冷裂纹与金属相变过程中力学性能的急剧变化和复杂的应力状态有关。冷裂纹主要发生在中碳钢、高碳钢和高强度钢中。这类钢的主要特点是易于淬火，形成脆硬的马氏体组织。尤其是在焊接条件下近缝区的加热温度很高，熔合线附近则在1350℃以上，使奥氏体严重过热，晶粒明显变大。由金属学能够看出，晶粒粗大的奥氏体更加容易淬火，转变为粗大的马氏体组织，使近缝区金属性能变坏，尤其是塑性下降，脆性增加。这时在复杂的焊接应力的作用下，就会出现冷裂纹。

2.1.2氢的作用导致焊接应力而形成冷裂纹

在焊接高温下，一些含氢的化合物分辨析出原子狀态的氢，大量的氢溶解于熔池金属中。随着熔池温度的降低，氢在金属中的溶解度也会明显的下降。然而焊接熔池的冷却速度较快，氢来不及逸出而残留在焊缝金属中。氢在奥氏体和铁素体中的溶解度及扩散能力也有显著差别。一般来说，常焊缝金属的碳当量与母材相比都会低一些，所以在较高温度下焊缝就会出现奥氏体分解，这时近缝区还没有出现奥氏体转变。因为焊缝金属中氢的溶解度突然下降，扩散能力提高，氢就向近缝区的奥氏体中扩散。这样就使近缝区聚集了大量的氢。随着温度的下降，近缝区的奥氏体发生转变时，温度已经很低，氢的溶解度更低，同时扩散能力也已很微弱。于是氢便以气体状态进到金属的细微孔隙中并导致出现较大的压力，使局部金属出现很大的应力，进而出现冷裂纹。

2.2热裂纹产生的原因

影响热裂纹的工艺因素主要是熔合比、成形系数、冷却速度和焊缝拘束度。

2.2.1熔合比的影响

熔深较大既熔合比较高时会使焊缝中的化学成份不均匀，导致热裂纹的出现，不过只在中、高碳钢及异种钢焊接时比较明显，因此判断熔合比的影响为次要因素。

2.2.2成形系数的影响

成形系数是指焊缝宽度与焊缝实际厚度的正值，其主要影响到焊缝枝晶的成长方向及其汇合面的偏析情况。

2.2.3成形系数的影响

首先，平焊位时，成形系数会随电流增大而减小，随电压增大而增大；其次，焊接速度増大，导致线能量减小时，焊缝截面减小，成形系数也随之减小。再次，当线能量或焊接电流一定时，增大焊接速度会增大焊缝热裂倾向，反之则能改善抗列性能。

2.2.4冷却速度的影响

冷却速度增大会导致变形速度增大，从而导致热裂纹。在低温环境下，这是热裂纹出现的主要因素。

2.2.5焊缝拘束度的影响

在封头与筒体、封头与接管及筒体与接管的焊缝，是应力高度集中的位置，且装配间隙如不均匀，焊缝凝固时晶粒发生的应变量大于焊缝晶间塑性变形能力，从而导致热裂纹的出现。

3预防压力容器焊接中裂纹出现的措施

通过上面对压力容器焊接中裂纹出现原因进行分析，我们能够看出压力容器焊接裂纹的出现，和压力容器的设计，以及施焊工艺和施焊环境有着密切关连，所以对焊接裂纹的出现进行控制，第一在对其设计和工艺进行制定时，就要从设备的选材及焊材料等方面进行控制，制定合理的组装和焊接参数及焊接顺序，确保焊前预热、焊后后热等措施的执行。其次，要改善焊接温度环境，控制焊接质量。

3.1工艺控制措施

①控制装配间隙提高装配质量，避免强制成形，使应力均匀分布，避免应力集中。

②严格执行预热工艺要求，预热温度大于等于150℃，尽量采用电加热板进行预热，使加热温度更均匀。

③适当降低焊接电流控制焊接速度，降低线能量输入，以提高焊缝的抗裂性，减少热裂纹的出现。

④焊后采取保温缓冷措施，控制温度在250-350℃，保持2-3小时，以达到消氢的目的。

3.2对局部环境的温度进行改善

3.2.1筒体直、环缝的焊接

筒体直缝与环缝的焊接，都是采用埋弧自动焊进行焊接的，因为直缝的应力较易释放，焊接过程中严格执行工艺制度，其产生裂纹的机率较小。

环缝焊接时由于筒体直径大、周长较长，焊接过程中温度下降快，层间温度不易控制，加之环境温度及焊缝受力状况的影响，容易产生裂纹，因此在环缝的焊接过程中采用电加热的形式对焊缝进行预热，并在焊接过程中把加热板置于焊缝下面，以保证施焊时的层间温度，焊接完成后对其进行后热处理，达到消氢目的控制裂纹的产生。

3.2.2封头与接管的焊接

首先，要结合封头与接管的焊缝结构特点看，其焊接应力很难得到释放，加之封头在开孔时反复受热，产生了大量的应力且断面不平整，与接管拼焊时拘束度较大，极易产生裂纹。所以在对接管进行组装时应先将断面打磨平整，对开孔尺寸进行严格的控制，使焊缝间隙小且均匀，减小拘束应力，保证焊前预热温度，并在焊接外口时，在封头内部放置两块电加热板，以控制层间温度。其次，在进行内口焊接时，将封头翻面，置于环形筒罩内，利用里面的加热板控制焊接的温度。在焊接完成后及时进行两小时的后热，并用保温棉对焊缝覆盖保温缓冷，以达到后热消氢的作用。再次，在筒体和接管的焊接时，因为筒体与接管焊接，压力容器已组装成整体，体积较大位置特殊，温度较难控制。因此采用充分预热、多人同时施焊，保持焊口温度连续施焊，一次焊接完成的方法焊接，避免焊缝重复受热及温度不均匀等问题，并利用电加热板及保温棉对其进行后热处理。

参考文献：

[1]冯星寰.压力容器焊接中常见缺陷及其产生原因和防止措施[J].工程技术，2015（44）.

[2]王启海.压力容器焊接常见缺陷产生原因及预防措施探讨[J].工程技术研究，2003（5）.

[3]曹麗娟.压力容器常见工艺缺陷产生的原因分析[J].工业，2016（8）.