分享：换热器筒体法兰焊缝开裂原因

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  中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司，哈尔滨 150028

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  抚顺机械设备制造有限公司，抚顺 113121

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  抚顺市特种设备监督检验所，抚顺 113006

换热器是石油石化工业生产中最常见的热量传递设备，其通过对冷热流体进行换热，来满足工艺生产的要求[1]。随着强化传热等技术的发展，换热器的制造技术和传热性能也不断提高，成为石油、化工、核电领域最常用的通用设备。然而，由于部分关键设备的设计与使用管理经验有所欠缺，因此也会发生设备损伤、失效等现象，甚至可能导致燃爆事故[2-3]。 

近年来，换热器设备的钢材强度提高，钢材的延迟断裂敏感性也随之增大，经常发生氢脆引发的失效事故。氢脆是在一定氢环境下，应力诱导氢元素扩散至缺陷处，从而导致材料性能降低并发生氢致延迟断裂现象。研究表明，焊接过程中，氢在高温下大量熔于焊缝金属中，导致氢含量过高，随着温度的降低，奥氏体转变为溶氢能力低的马氏体，使得氢以饱和状态存在于焊缝中，增大了过热区的内应力，从而促进氢脆的发生[4-5]。氢脆一旦产生，就不能消除。因此，必须在尚未产生微裂纹的情况下，通过长时间脱氢处理来降低钢中的氢浓度[6]。ZHU等[7-8]研究认为回火热处理可以降低扩散氢的含量，减小残余应力，降低氢致裂纹的发生概率；焊接前预热能降低接头的应力，也有利于氢的排出。此外，高强钢在焊接去应力热处理过程中容易产生再热裂纹，可通过Gleeble再热裂纹试验判断钢材的再热裂纹敏感性，从而确定裂纹的开裂性质[9]。 

某设备制造厂换热器管箱筒体与反向法兰焊接后，发现环焊缝接头部位发生多处开裂，裂纹均沿筒体纵向分布，多数裂纹在内壁显示，裂纹横跨打底焊缝，少量裂纹穿透外壁。 

换热器筒体为Ⅳ级锻件，材料为12Cr2Mo1V钢；法兰为Ⅳ级锻件，材料为12Cr2Mo1V钢；填充焊材型号为US-521H/PF-500，焊丝直径为4.0 mm；打底焊缝材料为CM-A106HD焊条，直径为5.0 mm。焊接时采用火焰加热的方式进行预热，预热温度为200~250 ℃，采用火焰加热方式进行温度控制，利用接触式测温仪同步测温，保证道间温度不低于预热温度。笔者采用一系列理化检验方法分析焊缝开裂的原因，以确定裂纹开裂性质，并提出改进措施及建议。 

1.   理化检验

1.1   化学成分分析

在填充焊缝、法兰、筒体处截取试样，用直读光谱仪对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：法兰、筒体的化学成分满足NB/T 47008—2017《承压设备用碳素钢和合金钢锻件》对12Cr2Mo1V钢的要求，填充焊缝与两侧母材的化学成分接近。 

Table  1.  填充焊缝、法兰、筒体试样的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	S	P	Cr	Mo	V	Nb	Ti	Ni	Cu
填充焊缝实测值	0.084	0.130	1.10	0.001 2	0.003 6	2.45	1.00	0.36	0.013	<0.001	0.024	0.130
筒体实测值	0.140	0.070	0.49	0.002 3	0.006 1	2.38	1.05	0.30	0.026	<0.001	0.150	0.066
法兰实测值	0.140	0.065	0.46	0.001 9	0.005 0	2.39	1.05	0.28	0.026	<0.001	0.150	0.072
标准值	≤0.15	≤0.1	0.3~0.6	≤0.005	≤0.010	2.00~2.50	0.90~1.10	0.25~0.35	0.070	≤0.030	≤0.3	≤0.2

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1.2   硬度测试

在焊接接头横截面上的打底焊缝及1/2壁厚填充位置处截取试样，用显微维氏硬度计对试样进行硬度测试，结果如表2所示。由表2可知：打底焊缝各区的硬度均高于1/2壁厚处；焊缝宽度方向上，焊接接头各区发生明显淬硬现象，焊缝及热影响区的硬度显著高于母材，其中焊接过热区的硬度较高。 

Table  2.  焊接接头显微维氏硬度测试结果

项目	硬度
	筒体母材	筒体正火区	筒体过热区	焊缝区	法兰过热区	法兰正火区	法兰母材
打底焊缝处实测值	213	376	436	349	415	387	223
1/2壁厚处实测值	211	360	404	357	391	331	227

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1.3   金相检验

对焊接接头未裂透部位的横截面位置截取试样，取样位置分别为打底焊缝位置及1/2壁厚位置，将试样置于光学显微镜下观察，结果如图1所示。由图1可知：焊缝的显微组织为贝氏体，呈柱状晶；焊缝熔合区的显微组织为贝氏体，呈等轴晶；母材过热区显微组织为贝氏体+马氏体，形成淬硬组织；母材正火区显微组织为贝氏体+马氏体，呈细等轴晶；母材不完全正火区的显微组织为贝氏体+马氏体，由于局部晶界奥氏体化，故新转变产物沿晶粒断续分布；母材的显微组织为贝氏体+少量铁素体。1/2壁厚位置焊接接头各区的显微组织形貌与打底处焊接接头各区的显微组织形貌基本一致。 

图  1  打底焊缝各区的显微组织形貌

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焊缝裂纹微观形貌如图2所示。由图2可知：焊缝横截面未见裂纹缺陷，焊缝纵截面裂纹呈单条状[见图2（a）]，裂纹横跨焊缝及热影响区，尖端止于热影响区外缘的母材位置；在壁厚方向，裂纹由内向外扩展，止于距打底焊缝表面70 mm处，焊缝宽度方向上，裂纹垂直于焊接方向分布，轮廓形状基本与焊接热影响区吻合，具有冷裂纹特征。 

图  2  焊缝裂纹微观形貌

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裂纹区和无裂纹区均未发现夹渣、孔洞、未焊透等焊接缺陷，这两个区域的显微组织均匀且无明显差异，均为回火马氏体，晶粒尺寸适中且较均匀，裂纹处可见细小沿晶裂纹。取距打底焊缝表面0，10，30，55 mm处的剖面位置试样，并进行观察。裂纹均呈单条横向，沿晶开裂特征显著，尖端止于热影响区外缘的母材位置，距打底焊缝表面55 mm处，裂纹变短、变细，为壁厚方向的扩展尖端，裂纹形状与焊接热影响区横截面形状基本一致，自内表面向外表面方向扩展。裂纹形态符合氢致延迟裂纹特征。通过裂纹形状及空间分布，可判断内表面侧焊接部位主要承受环向拉应力。 

1.4   扫描电镜（SEM）分析

在距打底焊缝表面0~30 mm内截取试样，在乙醇溶液中用超声波清洗试样，再将试样置于扫描电镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：断口未发生氧化，未发现焊接缺陷及大尺寸夹杂物，故可以排除焊接热裂纹及原始缺陷造成的裂纹；断口表面平齐，整体表现为脆性，断口呈沿晶+穿晶混合断裂特征，以沿晶断裂为主，呈“冰糖状”，晶粒棱边尖锐，具有氢脆的基本特征。 

图  3  断口SEM形貌

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2.   综合分析

钢材的淬硬倾向取决于其碳元素含量及其合金成分的含量，换热器筒体材料为12Cr2Mo1V钢，该钢的强度较高，碳元素含量较低，但其Cr、Mo等合金元素的含量较高，具有较强的淬硬倾向，淬硬倾向越大，越容易产生裂纹。 

由上述试验结果可知，换热器材料的化学成分满足标准要求。焊缝热影响区的硬度高于母材硬度，热影响区存在马氏体组织，说明热影响区的裂纹敏感性大，且焊接过程中产生的氢增加了焊缝区域的内应力，导致接头的脆性增大，极易产生冷裂纹[10]。换热器裂纹以热影响区横截面形状为路径，自内表面向外表面沿晶扩展，也符合冷裂纹的形态特征。在应力的作用下，焊缝淬硬的热影响区产生裂纹并不断扩展，最终导致换热器筒体和法兰接头发生开裂。裂纹断口形貌整体表现为脆性，微观形貌呈“冰糖状”，沿晶特征明显，可判断开裂性质为氢致延迟开裂。氢致延迟裂纹具有隐蔽性和延迟性，其危害性较其他形式的应力破坏更严重，为避免产生氢致裂纹，应在氢含量、组织及应力方面制定合理的管控措施[11]。 

3.   结论及措施

（1）换热器筒体与法兰焊缝的裂纹性质为氢致延迟裂纹。 

（2）换热器筒体的强度较高，淬硬倾向较大是氢脆开裂的根本原因，焊接过程产生的淬硬组织、氢及应力促进了裂纹产生，并使裂纹持续扩展。 

（3）建议严格执行焊后消氢工艺，避免氢脆的发生；建议选用合适的筒体材料，设备使用期间应定期进行无损检测并制定相应的措施，以减少经济损失