热风炉炉壳焊缝为何易开裂?如何预防?

时间:2017-07-31 13:35 来源:未知 作者:admin 点击:次

刘力铭

  最近,河南省豫兴热风炉工程技术有限公司董事长刘世聚以及其他热风炉专家,对我国高炉热风炉炉壳焊缝易开裂、腐蚀的情况进行了认真分析研究,找出了主要原因,并制订出一系列有效的可避免和减少热风炉炉壳焊缝开裂、腐蚀的具体控制措施,取得了明显的成效,受到业内人士的关注。

  热风炉炉壳焊缝开裂的原因

  专家们指出,我国热风炉炉壳焊缝往往受化学成分、金相组织、炉内压力、腐蚀、环境与大气等多种原因影响,出现开裂。

  就化学成分的影响来说,热风炉炉壳中含碳量高,影响钢的耐大气腐蚀能力;磷偏析严重,降低钢的塑性和韧性,导致钢的冷脆现象,对焊接性能也有不良影响;硫在钢中偏析严重,恶化钢的质量,在高温下降低钢的塑性,而且若钢中含硫量偏高,焊接时由于SO2的产生,将在焊接金属内形成气孔和疏松。

  就金相组织的影响来说,热风炉炉壳焊缝焊接接口的金相组织包括宏观组织和显微组织,其中,宏观组织的接口一般具有粗大的柱状晶组织外,还可能由于各种原因产生裂缝、气泡、夹渣、偏析等缺陷。

  就炉内压力的影响来说,如果在焊接过程中出现了气泡、疏松、夹渣、焊缝热裂等缺陷,在热风炉运行过程中,炉壳内又存在周期性的交变负荷应力,那么在交变负荷应力作用下,焊缝出现缺陷形成微裂纹。微裂纹尖端处必然存在应力集中,从而形成应力场。当应力场的应力值增大到临界值时,就能使裂纹尖端附近的内应力达到焊缝的断裂强度,从而导致裂纹扩展,最终使焊缝开裂。

  就腐蚀的影响来说,钢的腐蚀类型大概有以下几种:一是一般腐蚀,为了避免或减少这种腐蚀,大部分企业都选择涂抹防腐涂料,降低腐蚀速度。二是晶间腐蚀,这种腐蚀危险性很大,不锈钢炉壳在焊接时应特别注意预防焊接过程中出现晶间腐蚀。三是点腐蚀,阻止水和氧与金属接触就可以尽可能避免点腐蚀。四是应力腐蚀与腐蚀疲劳,它们是应力与介质两种因素共同作用下所产生的破坏形式,破坏一般是穿过晶粒的(即穿晶腐蚀)。

  就环境的影响来说,其主要包括:相对湿度的影响,钢的临界相对湿度约为70%;温度的影响,当相对湿度达到临界值时,温度的影响明显加剧,温度升高10℃,锈蚀速度提高2倍;大气其他物质的影响,大气中含有盐雾、二氧化硫、硫化氢和灰尘时,会加速腐蚀。针对这些影响,应该根据热风炉加工、焊接、安装的具体位置,当下的气候环境条件进行具体分析,采取措施加以避免。

  综合上述热风炉炉壳焊缝开裂的原因分析,专家们认为,热风炉炉壳焊缝开裂首先是由多种原因造成焊接缺陷,然后在热风炉运行过程中,炉壳内同时存在周期性的交变负荷压力,导致焊接缺陷处应力集中,形成微裂纹,待腐蚀介质侵袭后,才有可能发生炉壳焊缝开裂,甚至炉壳拱顶与壳体分离的危险情况。

  防止热风炉焊缝开裂的措施

  专家们提出了5种预防热风炉炉壳焊缝开裂的措施:

  一是防止冷裂纹。其措施包括:选用合理的焊接工艺;采用低氢型焊条,经严格烘干,保存温度为350℃~400℃,随取随用。

  二是防止结晶裂纹。结晶裂纹的产生与防止焊缝结晶的设计有关,为防止产生结晶空穴,应使设计的焊缝截面能得到残留溶液填补空穴。焊缝的宽度与深度之比控制在1∶1~1.4∶1。为此,可通过调整焊接速度和焊接电流来达到所要求的宽深比。在某些情况下,对接接头须要设计斜坡口接头,以改善宽深比。为了保证焊接的宽深比,避免产生裂纹,宁可采取凹面焊缝,也不用凸面焊缝。窄焊道易产生中心裂纹。

  三是防止出现气孔。碱性焊条按规定在350℃~400℃下烘干1.5小时~2.5小时。酸性焊条按规定在200℃~250℃下烘干1小时~1.5小时。焊接的地方保持干净清洁,焊接过程中,焊接电流要适当,避免焊接速度过快。熔池内气体要完全放出,一旦余存气体就可能影响焊接质量。焊接过程产生的气孔主要有CO、N2、H2气孔。CO气孔出现,主要和焊接材料的含C量有一定的关系。解决办法是在焊丝中添加合金元素。N2气孔出现,主要是由于空气的扰动现象所致。解决办法是在焊接时,给操作区域增加一个挡风屏障。H2气孔出现,主要是焊接面可能有水或者油污。解决办法是严格控制CO2气体纯度。

  四是防止出现焊缝夹渣。焊缝夹渣的主要原因是坡口地方不干净或者尺寸不合适,清渣不彻底,焊缝散热速度太快,使用焊条药皮成分不对,熔渣难以上浮等。

  五是防止未焊透。未焊透的主要原因是坡口和间隙的尺寸不合适,焊条偏心度大,焊接根处及层间清理不当。防治办法是焊接时,使用较大的线能量。

  总之,要想防止热风炉炉壳焊缝开裂,应该选择合适的原材料,创造合适的环境条件,编制合理的热加工工艺,编制合理的安装、焊接工艺及去应力处理工艺,调用高空焊接作业经验丰富的技术工人,加工出既没有焊接缺陷又没有应力集中的热风炉炉壳,从而减少和避免各种腐蚀的发生,延长炉壳的使用寿命。

  重视低碳钢焊接与炉壳材料选择

  专家们强调道,在热风炉炉壳焊接过程中,通常采用低碳钢焊条弧焊。低碳钢的含碳量≤0.2%,可焊性良好。低碳钢的弧焊工艺应保证接头与母材等强度,接头应具有较低的脆性转变温度,避免超过允许尺寸的缺陷,以提高结构的工作可靠性。

  低碳钢弧焊焊缝一般具有较高的抗热裂能力。但当母材含碳量为0.21%~0.25%时,遇下列情况时应注意在工艺上避免窄而深的焊缝,否则可能出现热裂缝:一是角焊缝,二是对接多层焊的第一道,三是整个板厚焊透的单面焊缝,四是大间隙对接焊的第一道焊缝。采用碱性低氢焊条亦有助于避免热裂缝。

  低碳钢弧焊的各种规范对热影响区的性能无明显影响,但仍应避免接头严重过热。

  沸腾钢含氧量较高,钢板厚度中心有显著偏析带,焊接时易产生裂缝,厚板焊接还有层状撕裂倾向,其时效倾向也较大,焊接接头的脆性转变温度较高,故一般不宜用作承受动载或在严寒下工作的重要结构。

  此外,要避免热风炉炉壳焊缝出现裂纹,必须高度重视炉壳材料的选择。根据我国2008年9月1日实施的《GB713-2008锅炉和压力容器用钢板》的新分类,16Mng和16MnR、19Mng合并为Q345R。Q345R是普通低合金结构钢,是锅炉和压力容器常用钢材。

  建议选择不锈钢制作热风炉炉壳。其优点是焊接性能好,抗氧化能力强。其缺点是含铬量高,焊接过程中(在450℃~850℃范围内)易出现晶间腐蚀倾向,材料价格昂贵。

  总之,Q345R、Q345LK和不锈钢都是制作热风炉炉壳的好材料。

编辑:宋玉琤     来源:中国冶金报-中国钢铁新闻网