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大型鋼包焊接結構失效機理分析
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2008.09.22 作者:廖禮寶,徐 宏 關鍵詞:焊接,失效分析 閱讀：100次
/ x. L3 T+ e- W/ G6 ~ 摘要： 通過新舊鋼包結構對比、應力分析和顯微組織及金相等進行對比分析，得出鋼包失效的主要原因是裂紋所致，進而研究裂紋的特征及類型，并由此分析產生熱疲勞裂紋的機理及其影響因素。 ) N8 ~5 q8 \: ~& }
關鍵詞：鋼包 焊接結構 裂紋機理 分析1 x& p5 m- |1 Z+ v. U+ U
0 前言
, z$ D* H- K% I5 M* z5 g! B: o% M3 g 寶鋼目前在用鋼、鐵包總數為78臺，其中鋼水包為63臺，鐵水包為15臺。第一批鋼包、鐵包全部由日本進口。通過對這些服役過的鋼水包進行分析，發現進口的鋼包壽命比國產的長，但均少于15年。二者主要缺陷是裂紋。2 h8 M$ [; H# v) Q( R- Q, c
1 新舊鋼包焊接結構簡介2 d% b2 d( N) x/ |
寶鋼一二期工程中曾大量使用的日本鋼包及國產仿制鋼包均為T型角焊縫平底結構，即包壁與包底為“T”型焊接接頭。如圖1.1所示。主要結構特征為平板底采用T型接頭與鋼包筒體相連。這種老式結構設計上存在明顯缺陷，在鋼包工作過程中，鋼包筒體與平板底連接處的內壁將產生非常大的附加拉伸應力，其主要原因為剛性極大的平底與剛性較小的筒體在連接處的變形不協調。因而開裂從鋼包內壁開始，老式鋼包，往往在裂紋擴展較深后才被發現。/ o" c. f) ~! C- i1 y
圖1.1 老式鋼包結構及其開裂部位
$ `/ f( s7 m1 t& S0 r 新型鋼包的最大結構改進為將平底板改為帶圓弧折邊的平底，將T型角焊縫焊接結構改為對接焊接結構。新型鋼包結構如圖1.2所示。. r. B6 i# s* m% a
圖1.2 新鋼包結構局部示意圖& o, B" N* p3 {3 P8 o9 _
1.1 新鋼包外表裂紋
# x4 g5 r: A! a# i4 |6 ]5 V- P 一煉鋼5＃鋼包為新型鋼包。于2000年1月投入使用，累計運行約3500爐次，2004年2月初在鋼包配重一側，筒體與平底圓弧過渡段對接焊接焊縫處發現斷續淺表面裂紋，其中焊縫上熱影響區裂紋斷續長約30mm，焊縫下熱影響區裂紋總長約2800mm。開裂部位示意圖見圖1.3。
2 C d& z* l! J9 s 圖1.3 裂紋復膜金相照片（放大后裂紋形貌）
9 c5 f. E* u* P( O7 W 2 鋼包裂紋類型判別% O8 r9 i8 W/ E' }9 \& d
新型鋼包開裂部位與老式鋼包有明顯不同，但兩者的裂紋走向均為沿環焊縫縱向發展。
% S: {4 o/ K" f/ { M 老式鋼包開裂是因結構設計不合理導致在鋼包筒體內表面與平板底T型焊縫處產生大應變低周疲勞開裂失效——應變疲勞。疲勞開裂主要原因有二，一為鋼包局部存在較大的附加應力，二為鋼包的工作是間斷性的，這兩者相結合使得鋼包局部產生較大的周期性應力波動，大大降低了材料的抗疲勞性能。圖2.1為老式鋼包在T型焊接接頭上方鋼包筒體應力計算結果。
, O* J/ B% K* `( Q, }- T* _$ C 圖2.1 老式鋼包T型焊縫外表面上方應力
. s- y) R/ l# @8 O, e 新型鋼包經局部結構改進，大大降低了鋼包內表面的循環應力幅，但其筒體與底封頭連接處外表面的軸向應力卻有可能由負值變為正值。
' B' [7 P$ H# C1 } 無論是老式鋼包還是新型鋼包，由于其載荷都是周期循環的，鋼包各處應力也是周期波動的，從空鋼時的應力近似為零到盛滿鋼水后的最大應力，又回到空鋼包應力近似為零，因而新型鋼包同樣存在疲勞壽命問題，對于特定的材料和工作溫度，只要鋼包中應力波動幅度達到某一值，就可能引起疲勞裂紋的萌生，并擴展為宏觀裂紋直至鋼包開裂失效。
1 J7 F/ j( d9 |) j; ]! J( P& I 從圖2.2、2.3可見，因新鋼包表面裂紋為多源裂紋，與老式鋼包內表面裂紋形態具有明顯不同，所以，新型鋼包外表面裂紋不是機械疲勞或至少可以說不是單純的機械疲勞，屬于熱疲勞裂紋或機械疲勞與熱疲勞聯合作用的結果。
- r2 a+ A. Z& K9 M 圖2.2 5＃鋼包外表面多源裂紋形貌
9 f. G5 w, B7 C+ Q/ C6 y, w 圖2.3 5＃鋼包外表面裂紋放大形貌
' S8 B+ A; T; s6 v" c/ \' |) @ 3 鋼包底部連接部位有限元應力分析9 r; M1 [* G/ c3 n }0 g1 f
為探明鋼包出現裂紋的力學原因，利用有限元法對鋼包底部結構進行數值應力分析。依鋼包實情，采用國際通用有限元分析ANSYS軟件對鋼包各部位進行應力分析，并采用分析設計的觀點對鋼包底部焊縫部位進行詳細的應力計算。有限元分析過程略。其結論與上述分析基本一致。
+ P7 G. Z+ {5 Y5 Y! s/ Y 4 5#鋼包外表裂紋綜合分析/ J1 H f* R% X
4.1 熱疲勞裂紋的進一步判別
& C: K% }" ? { 圖4.1為5＃鋼包外表面裂紋顯微組織形貌。可以看出，其外表面裂紋具有典型熱疲勞（腐蝕熱疲勞）裂紋特征。與《金相圖譜》' E; D4 g/ T8 L9 g) K: \2 {% T
圖4.1 5＃鋼包裂紋高倍顯微組織形貌
; q. ]: V8 a% A 中的熱疲勞裂紋比較，發現裂紋為穿晶擴展，端部尖銳，與腐蝕熱疲勞裂紋金相組織形貌幾乎一致。鋼包外表裂紋與典型熱疲勞裂紋金相顯微形貌進行對比，可知，其外表裂紋確為熱疲勞裂紋，裂紋顯微組織形貌中熱疲勞裂紋特征明顯。
' k, U) ~# l) A( S- w) Q3 q$ q 4.2 5＃鋼包熱疲勞裂紋產生原因初步分析 C0 D3 J% y9 Y& i8 L2 d* s
4.2.1 新型鋼包的優點
4 h: j' M$ g+ x# A' }. b 有限元對新鋼包應力分析結果表明，不考慮溫度的影響，僅機械載荷發生作用下，在鋼包內表面環焊縫處的最大軸向應力降到48.76MPa，僅為老式鋼包的最大應力的1/10，從受力和最大應力角度考慮，新型鋼包結構比老式鋼包結構更為合理，可有效避免由于局部機械應力過大引起材料發生低周疲勞失效，消除了老式鋼包內壁T型接頭上部機械疲勞開裂的隱患。
0 ]$ b& p3 f' N& A! r5 {+ D. k T型角焊結構是老式鋼包另一結構缺陷。因平底厚度達80mm，難以保證焊接質量，焊接接頭的疲勞強度也較低。新型鋼包將T型角焊縫改為對接焊縫，大大提高了焊接接頭的疲勞強度。
1 v0 \6 e7 b3 p: q% _2 n$ [* i 4.2.2 新型鋼包之不足
! [& `) B9 G" l6 ? （1） 新型鋼包采用帶圓弧折邊過渡的平板底結構是合理了，但由于平底厚度達80mm，折邊加工極為困難，制造廠采用分段加熱半機械化折彎方法，難以保證加工質量。4 L0 x* r/ u3 m3 w: _
（2） 為了與厚僅為32mm的鋼包筒體對接焊，新型鋼包折邊由80mm過渡到焊縫處的32mm采用雙面削薄處理，按照GB159-98《鋼制壓力容器》要求，削薄長度應大于3×（80-32）/2=72mm，5#鋼包雙面削薄長度接近該最小削薄長度，局部應力集中較大，且焊縫緊靠削薄處，這種結構對焊縫疲勞極為不利。4 t$ N4 E% K' G; J. Q! d
（3） 新型鋼包還有一個十分不利的結構設計，就是鋼包外表面焊縫易受高溫鋼水的烘烤，鋼水的高溫輻射會使鋼包傾倒一側外筒體壁溫急劇升高，加速材料的高溫老化，尤其容易引起焊縫熔合區和熱影響區熱疲勞損傷，萌生裂紋，縮短鋼包使用壽命。5#鋼包外表面環焊縫有幾處掛渣也說明此處確實有受到高溫影響的可能性。. k# n1 p, l( R$ g' G* b" F. I* i
4.2.3 5#鋼包熱疲勞裂紋產生原因/ f* ?/ V9 a9 u1 b8 P: V( T
5#鋼包外表裂紋部位顯微組織形貌如圖4.2，裂紋處20g鋼鋼包材料組織已發生明顯變化，金相組織分析照片中珠光體區域已難以找到，材料發生了極為嚴重的珠光體球化，說明鋼包環焊縫外表面經常達到較高溫度，大大超過老式鋼包一般認為的360℃。這一結論也可從鋼包裂紋部位硬度測試結果得到佐證，測得的硬度值明顯低于20g鋼正常硬度。說明該部位材料珠光體球化較為嚴重，研究表明，20g鋼珠光體球化將會明顯降低材料的強度和硬度。其球化等級可參考圖4.3和表4.1。% O4 c# O3 X8 U2 m" ^' j% G6 {( r
圖4.2 5#鋼包外表裂紋部位顯微組織形貌3 c4 t4 z# H" G* x7 `5 F W
表4.1 20號鋼珠光體球化參考級別/ x1 u9 q- R' H# q) U4 j8 L
項名 球化級別 組織特征) j# s3 O9 w, g2 t
完全球化 第五級 珠光體形態已消失，球狀化碳化物分布在晶界及鐵素體基體上，分散度較大嚴重球化 第六級 晶界及鐵素體基體上的碳化物已逐漸長大，分散度大+ D+ U/ ~8 Q1 Z$ }9 Z* w3 k+ K
完全球化（第五級） 嚴重球化（第六級）
4 |0 _$ Q" B( L- I 圖4.3 20鋼珠光體球化參考級別（680×）; n! h5 L2 f# b1 K
根據前述對熱疲勞的影響因素分析可知，碳化物的析出，尤其在晶界上的聚集將降低材料的熱疲勞強度，因而5#鋼包外表面材料嚴重珠光體球化，將會使其熱疲勞壽命大大縮短。2 V2 ~% e1 k) l9 c. z I/ b3 H! b
4.2.4 焊縫先于母材萌生裂紋的原因$ F8 S' Z } o4 ~* r
5#鋼包外表產生裂紋部位有兩大特征，環向特征為裂紋均產生在傾倒鋼水一側的具有配重部位，前已述及這很可能與熾熱鋼水輻射造成鋼包材料損傷有關。
$ C) ~% `7 b: k3 ~9 d 高度方向特征為裂紋均產生在焊縫熔合區和熱影響區，且以焊縫下部居多，這與焊接過程中引起的材料組織劣化和性能退化有密切關系，而且焊縫下側熱影響區又處于鋼包筒體與平底折邊壁厚不等之過渡處，該處無論是機械應力還是熱應力都存在較大應力集中或邊緣附加應力。
' j6 A: r0 N8 \9 Y: B; R5 @2 A1 Y 5 結論/ t9 \' F' O" F, V4 a; O1 ]
5＃新型鋼包筒體裂紋產生在外表面環焊縫處為熱疲勞裂紋，與老式鋼包表面開裂位置完全不同，具有較大的隱蔽性，無損檢測難以發現，本次是采用現場復膜金相技術發現的。- h, U+ e( l1 }
產生熱疲勞裂紋的主要原因有：
! j" I7 g" u+ K* g3 E, Z: N( T （1） 筒體內外表面溫差較大，在筒體外壁處產生的拉伸熱應力具有循環波動特征；, u# r0 t/ @+ w
（2） 開裂焊縫上部筒體外側焊有與筒體等厚的配重，焊縫下部是帶折邊的平底，折邊厚度從筒體壁厚2倍通過削薄過渡到與筒體等厚，使筒體焊縫附近的冷卻速度差別大，焊縫附近垂直方向分布不均勻，在焊縫產生附加拉伸熱應力。
2 y% w* L- }1 ^& a K7 N5 o7 K （3） 熾熱鋼水傾倒時對鋼包筒體有高溫熱輻射影響，導致無配重阻隔的鋼包筒體材料組織發生劣化及性能退化，大大降低了受影響的筒體焊接接頭部位的機械疲勞強度和熱疲勞強度，促進了鋼包熱疲勞裂紋的萌生與擴展。 C# b* N) W% j: l2 O
（4） 由于焊縫熔合區及熱影響區材料晶粒粗大，性能脆化，且筒體環焊縫處于筒體與不同厚度平底折邊過渡段之連接處，因而發現的細小熱疲勞裂紋多在焊縫下熔合區及熱影響區。
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發表于 2008-10-7 17:44:11
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