【文章內(nèi)容簡介】 延遲裂紋、低塑性裂紋等。所謂氫致延遲裂紋，就是由于氫氣的存在而發(fā)生的具有延遲特征的裂紋，這種延遲可以在焊后幾分鐘至幾天后發(fā)生，可以在晶內(nèi)，也可以在晶界發(fā)生。產(chǎn)生氫致延遲裂紋的影響因素有三點，即焊接接頭的淬硬性、焊縫金屬的擴散氫含量、焊接接頭的拘束應(yīng)力，也就是所謂的產(chǎn)生氫致延遲裂紋的三要素，這三要素缺一不可。其防止氫致延遲裂紋的工藝措施有：焊條電弧焊時，焊條應(yīng)嚴格按照說明書的要求烘干及保存；增大焊接熱輸入或提高預(yù)熱及層間溫度以延長冷卻時間；在焊接接頭冷卻到200℃以上，就進行緊急焊后熱處理；選擇能夠降低拘束應(yīng)力的焊接順序?？傊?，為防止氫致延遲裂紋的產(chǎn)生，要從材料和工藝上綜合考慮，還要考慮這些措施的經(jīng)濟性、可行性及可靠性等[11]。 低溫儲罐焊接工藝方法一般來說，低溫鋼在焊接方法與普通低碳鋼的方法一樣，可以應(yīng)用各種熔焊、壓焊、釬焊等各種焊接方法，但是，最常見的還是焊條電弧焊、埋弧焊、熔化極氣體保護焊、鎢極氬弧焊、CO2氣體保護焊[12]。目前主要以焊條電弧焊為主，其次是埋弧焊與鎢極氬弧焊。焊條電弧焊的焊接效率比較低，熔化極氣體保護焊為保證質(zhì)量一般采用脈沖電流來進行焊接。埋弧焊是一種效率較高的焊接方法。鎢極氬弧焊能保證焊接接頭具有較高的質(zhì)量，生產(chǎn)率低，成本較高[13]。在大規(guī)模的實際工程中，焊接工藝方面的影響因素一般包括焊前準備、焊接過程、焊后熱處理等幾個方面。在焊前準備中又主要以坡口設(shè)計為主，其中最為常見的坡口形式包括X形、Y形，局部地區(qū)用到I形和U形兩種。坡口角度大小實際反映了熔敷金屬填充量的大小，所以改變坡口角度也就是改變焊道數(shù)目。%Ni鋼單面焊返修工藝為例，說明坡口角度對于焊縫低溫沖擊韌性的影響，具體影響見表213。表213 坡口角度對于焊縫低溫沖擊韌性的影響破口型式角度焊縫中心沖擊吸收(J)(100℃)V型帶鈍邊60?75?90?105?由表213可以看出隨著坡口角度的逐漸增大,焊縫低溫沖擊韌性隨之增大,直到坡口角度為90176。時達到最大值,以后隨坡口角度增大，焊縫金屬的低溫沖擊韌性減小。另外坡口加工方法對焊縫低溫沖擊韌性并無明顯影響,一般碳弧氣刨比直接砂輪打磨焊縫低溫沖擊韌性低。這主要是因為留下的滲碳體進入焊縫,促使碳偏析而使Mn和C比例失調(diào),導致C與Fe結(jié)合形成碳化物,增加了鋼的脆性[14]。表214 預(yù)熱、層間溫度對焊接接頭低溫性能的影響溫度(℃)預(yù)熱室溫50～80100～120100～120層間室溫50～80100～120250～350沖擊吸收功(J)(100℃)焊接過程中又主要以焊前預(yù)熱、焊接過程中的層間溫度控制、焊接熱輸入控制為主，焊后熱處理主要指焊接完成以后的局部熱處理。一般預(yù)熱及層間溫度過低，焊縫低溫性能會受到影響，同樣層間溫度過高，焊縫低溫沖擊韌性損失也比較大。100～150℃的預(yù)熱溫度及層間溫度對保證焊接接頭低溫性能比較有利。預(yù)熱、層間溫度對焊接接頭低溫性能的影響見表214，焊接熱輸入對低溫韌性的影響見表215。表215 焊接熱輸入對低溫韌性的影響焊接熱輸入(J/cm)電流(A)電壓(V)線速度(cm/min)沖擊吸收功(J)(100℃)140241452415025由表214可知較小的熱輸入下焊接接頭的低溫沖擊韌性比較高。不同的焊后熱處理工藝對改變焊縫部位低溫韌性有不同的效果，其中625℃加熱1小時后空冷可使低溫性能最好，而625℃。具體數(shù)據(jù)可見表216。表216 焊后預(yù)熱PWHT對焊接接頭低溫性能的影響焊后熱處理焊態(tài)550℃空冷625℃空冷625℃爐冷100℃的沖擊吸收功(J)由于外加磁場和電流本身產(chǎn)生的磁場作用，在進行9%Ni鋼焊接過程中一般會出現(xiàn)磁偏吹現(xiàn)象，磁偏吹力的大小受到外加磁場和電流本身產(chǎn)生磁場的電磁力影響，同時還決定于母材的剩磁強度大小。在進行9%Ni鋼焊接過程中，磁偏吹是引起未焊透、未熔合、咬肉等缺陷的主要原因。消除磁偏吹應(yīng)做到以下幾點：焊接母材從鋼廠運到工地的過程中要避免磁化的可能，不準許用磁力起重機。焊接過程中合理的連接地線和焊接電纜，注意電纜的走向和布線方式，同時電纜線不要和工件表面接觸，可以采用絕緣支架的形式架離表面。在焊完一層焊道后，測量焊縫的各點剩磁強度，若超過規(guī)定指標則應(yīng)采取去磁措施。常用的去磁措施一般包括永久磁鐵相反極性去磁、焊縫后面墊加臨時低碳鋼板短路去磁。盡量采取交流短弧焊接[15]。 低溫儲罐用鋼焊接條件的選擇低溫儲罐用鋼焊接要在防止發(fā)生裂紋的前提下，確保焊接接頭不發(fā)生脆性破壞。焊接冷裂紋及焊接接頭脆性的共同影響因素是焊接熱循環(huán)，而焊接熱循環(huán)的重要參數(shù)是焊接接頭的冷卻時間，而影響冷卻時間的因素有板厚、焊接形式、坡口形式、焊接區(qū)氣體、環(huán)境溫度、焊接方法、預(yù)熱和層間溫度、焊接參數(shù)等。其中最重要的是預(yù)熱和層間溫度及焊接參數(shù)等[16]。 控制焊接熱輸入焊接熱輸入的數(shù)學表達式為： (21)式中，E為電弧電壓(V)；I為焊接電流(A)；V為焊接速度(cm/min)[17]?？刂坪附訜彷斎氲闹灰康氖欠乐购附恿鸭y及焊接接頭脆化。對防止焊接裂紋要確定一個焊接熱輸入的下限值，實際上是確定一個臨界冷卻時間；而為防止焊接接頭脆化，則要確定一個焊接熱輸入的上限值。當然，還要確保焊接接頭的抗拉強度及伸長率。其焊接熱輸入就是要控制在上述下限之上與上限之下。焊接熱輸入的控制就是要根據(jù)不同焊接方法來考慮用調(diào)整焊接工藝條件及預(yù)熱溫度的方法來調(diào)節(jié)冷卻時間，這個我們可以利用臨界冷卻時間的數(shù)學表達式：來估算。該式的t8/5即為臨界冷卻時間。對于防止焊接冷裂紋，兩個冷卻時間是很重要的，一個是影響擴散氫擴散析出的自電弧通過到冷卻至100℃的冷卻時間t100，另一個是影響淬硬性組織的從800℃冷卻到500℃的冷卻時間t8/5。對于防止焊接接頭脆化的評估，可以利用SHCCT圖。但是，實際上，焊接接頭進行多層焊的情況比較多，這時的焊接接頭受到多次熱循環(huán)作用，由于焊接順序安排及層間間隔時間的不同，其焊接熱循環(huán)也很不同，因而，對焊接接頭脆化的影響也是很復雜。不過，多層焊時，如果焊接順序安排及層間間隔時間安排妥當，也可以收到既能防止焊接裂紋又能防止焊接接頭脆化的雙重效果。根據(jù)SHCCT圖我們能夠希望得到焊接熱輸入與焊接接頭缺口韌性之間的關(guān)系，以確定采用焊接方法及焊接熱輸入。 預(yù)熱和后熱為了防止焊接冷裂紋，采用預(yù)熱和后熱措施是很重要的。預(yù)熱和后熱使用的熱源，由于其強度不同，若要達到相同的預(yù)熱和后熱溫度，其加熱速度、加熱時間及加熱寬度則是不同的，同時也就影響力焊接熱循環(huán)。預(yù)熱和后熱的加熱方式有氣體加熱、紅外線加熱器加熱、電阻加熱及感應(yīng)加熱等[18]。表217給出了預(yù)熱和后熱所使用的熱源的加熱速度的研究結(jié)果。表217 預(yù)熱和后熱所使用的熱源的加熱速度熱源種類氣體加熱電阻加熱紅外線加熱器加熱加熱速度(℃/s)～～～關(guān)于預(yù)熱對焊接接頭冷卻時間的影響，還受到預(yù)熱方法、預(yù)熱范圍、預(yù)熱速度、預(yù)熱溫度和保持時間、板厚等的制約。為了防止焊接冷裂紋，采用預(yù)熱和后熱并用的措施則更加有效，還可以降低預(yù)熱溫度，這對于焊接接頭吸收擴散氫的擴散逸出是非常有效的，圖22為后熱溫度及保溫時間對焊接接頭吸收擴散氫的擴散逸出的影響。圖22 后熱溫度及保溫時間對焊接接頭吸收擴散氫的擴散逸出的影響在多層焊的時候，若在產(chǎn)生焊接冷裂紋之前就焊接下一層，則是對上一層進行了再加熱，這就使產(chǎn)生冷裂紋的危險大大減少。由于多層焊的斷續(xù)加熱作用，而使其平均擴散氫含量比單層焊要降低40%。但由于按層積累的原因，焊層序號數(shù)越大，該道焊縫金屬中的擴散氫含量就越多。因此，最后一道焊縫金屬中的擴散氫含量最大，在該焊道下積聚的擴散氫含量也最大；而同時，由于這時的焊縫金屬厚度最大，這里的焊接殘余應(yīng)力也最大，因而其產(chǎn)生冷裂紋的危險也最大。所以，采用預(yù)熱和后熱，尤其是后熱是十分必要的。往往再焊一道回火焊道，即可以加速擴散氫的擴散逸出，有利于防止焊接冷裂紋，還可以對焊接接頭產(chǎn)生回火效應(yīng)，也有利于防止焊接接頭脆化。之后再加工去除這一回火焊道即可。測量預(yù)熱和后熱溫度可以使用溫度筆、表面溫度計、熱電偶、紅外線溫度計等。預(yù)熱和后熱溫度(包括層間溫度)都由操作者自己控制，一般將其控制在已定的上、下限溫度之間。以電阻作為熱源時，溫度的變動較小，控制的較精確，還可以使用自動控制裝置及自動記錄儀，其在脫氫的后熱處理時溫度控制較好。 焊接缺陷對接頭性能的影響 通?？偸窍Ｍ附咏宇^能夠與母材有相同性能，但是材料經(jīng)過焊接之后，無論從組織結(jié)構(gòu)上還是化學成分上，都是很難與母材完全一樣。因此，焊接接頭能夠與母材有相同性能是不可能的，更何況經(jīng)過焊接之后，還會不可避免地存在各種各樣的焊接缺陷，會產(chǎn)生應(yīng)力和變形，其中還有應(yīng)力集中和形變集中，造成材質(zhì)和力學上的不連續(xù)，從而造成性能上的不連續(xù)。低溫用儲罐是用于儲存溫度較低且壓力較大的液化氣體，因此對焊接缺陷的研究是必不可少的。 焊接缺陷的分類廣義上來說，焊接缺陷可分為如下幾類：1. 尺寸形狀的不連續(xù)：焊縫堆高、錯邊、焊縫成型不良等。2. 表面缺陷：未焊透、咬肉、皺褶、凹陷、表面裂紋等。3. 內(nèi)部缺陷：內(nèi)部裂紋、氣孔、夾雜、熔合不良等。4. 材質(zhì)不均勻：如化學成分及組織上的不均勻等，又分為宏觀和微觀兩方面。(1)宏觀的不均勻有：焊縫金屬和熱影響區(qū) 與母材在材質(zhì)上的差異、異種材料焊接接頭與包覆材料及復合材料的材質(zhì)變化、焊接熱影響區(qū)與附近地區(qū)在性能上的差異、硬化區(qū)、軟化區(qū)、脆化區(qū)等；(2)微觀的不均勻有：焊縫金屬的化學成分、雜質(zhì)的偏析、非金屬夾雜物的存在、接頭區(qū)附近焊接熱影響區(qū)的組織變化、因稀釋或擴散引起的異相共存、析出時效和應(yīng)變時效、氫脆等。5. 焊接殘留應(yīng)力和焊接變形：內(nèi)應(yīng)力、外拘束、焊接收縮、角變形等。 應(yīng)力集中的影響這些焊接缺陷對焊接接頭性能的影響是值得研究的。其中，應(yīng)力集中和變形集中對冷裂紋、液化裂紋、再熱裂紋、韌性、疲勞性能、應(yīng)力腐蝕裂紋、腐蝕疲勞、氫脆、蠕變及熱疲勞都有重要的影響。一般來說，應(yīng)力集中區(qū)的最大應(yīng)力與平均應(yīng)力之比叫做應(yīng)力集中率；無應(yīng)力集中與有應(yīng)力集中的斷裂強度之比叫做缺陷系數(shù)。應(yīng)力集中通常并不會造成強度按比例的下降，在靜載荷情況下，也不必考慮其在室溫附近對材料韌性有什么影響，但是，在承受交變載荷時，應(yīng)力集中將使強度下降，下降的程度根據(jù)材質(zhì)的不同而變化。而對與低溫儲罐長期在低溫條件工作其壓力較大，會對焊接部位形成長期的壓應(yīng)力，造成壓力集中。因此在制造過程中應(yīng)盡量減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。 焊接缺陷的影響缺陷的尺寸大到一定程度時，在低溫下就會引起低應(yīng)力脆性斷裂，缺陷對材料強度影響的程度受到材料的尺寸、缺陷的尺寸、形狀和位置、材質(zhì)、工作溫度、負載條件、環(huán)境條件的影響。在這里，首先要求出應(yīng)力集中率，然后從表面缺陷與使用性能之間關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)來推定，在根據(jù)對性能的要求及對缺陷檢查出來的能力來決定容許缺陷的臨界尺寸。在液化丙烷(LPG)、液化天然氣(LNG)以及液氮的貯藏和運輸過程中一旦有低應(yīng)力脆性斷裂的發(fā)生將造成整個儲罐的爆炸，從而造成人員和財產(chǎn)的損失。由于焊接缺陷的尺寸、形狀、位置及分布狀態(tài)復雜多樣，氣孔等三維缺陷和焊接裂紋等二維缺陷用非破壞試驗方法及其他適當?shù)姆椒ǖ臋z出能力有限，而且從負載條件、環(huán)境條件對使用性能的影響上也有限。此外，焊接缺陷在耐壓試驗或設(shè)備運轉(zhuǎn)中有發(fā)生新的裂紋及擴展的可能性，特別是焊接裂紋及設(shè)備運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的疲勞裂紋等二維缺陷，通常，尖端曲率半徑極小的缺陷，在受到與其平面垂直方向的拉伸載荷時，強度明顯下降，容易引起低應(yīng)力脆性斷裂。因此我們在制造和使用儲罐的過程中都應(yīng)該嚴格的按照參考標準來使用。第3章 低溫儲罐用鋼焊接試驗 試驗用鋼及其化學成分和力學性能本次實驗采用的是國產(chǎn)09MnNiDR鋼板，交貨狀態(tài)為正火。組織為鐵素體+少量珠光體，最低使用溫度為70℃。表31和表32分別是09MnNiDR低溫鋼的化學成分和力學性能。表31 09MnNiDR低溫鋼的化學成分鋼材CSiMnSPNiNbAl標準值≤～～≤≤～≤≤實測值表32 09MnNiDR低溫鋼的力學性能技術(shù)標準板厚/mmσs/MPaσb/Mpaδ5(%)AKV70/J冷彎180?GB 353119966～16300440～5702370℃，≥27D=2a16～36280430～5602336～60260430～56023 試驗用鋼09MnNiDR的焊接性試驗鋼材的焊接性，是指在一定的條件下獲得良好焊接接頭性能的難易程度。對于新鋼種,就是要研究其能否獲得和如何獲得良好的焊接接頭性能以滿足焊接結(jié)構(gòu)的使用要求。評定鋼材焊接性的試驗方法很多,本課題采用以下幾種試驗對該鋼種的焊接性進行研究。 09MnNiDR的焊接性09MnNiDR低溫鋼為低碳低合金低溫用鋼，由于其碳及合金元素含量都很低，因而塑性良好，屈強比不高，淬硬傾向不大，各種裂紋傾向也不大(各種焊接性評價參數(shù)：CE=；Pcm=；HCS=；Psr=，按國標化學成分計算，各參數(shù)最大值則為：CE=；Pcm=；HCS=；Psr=)，焊接性良好，一般不需要預(yù)熱。但若碳含量較高或結(jié)構(gòu)厚大、拘束度太大，可以預(yù)熱，但預(yù)熱溫度應(yīng)該控制在較低的水平(100～150℃)，多層焊焊道間溫度也要保持在低水平(150℃左右)。否則將因冷卻太慢導致焊接接頭(包括焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)過熱區(qū))晶粒粗大，而危害低溫韌性。由于是低溫鋼，防止結(jié)構(gòu)的低溫脆性斷裂是最重要的要求，因此，其低溫缺口韌度也就是最重要的使用性能，而且