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DIWA353鍋筒縱縫接頭外側(cè)焊趾處裂紋的產(chǎn)生原因和預(yù)防措施

文檔作者：安培才趙虎譚巍文檔來源：北京德普新源科技發(fā)展有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年10月18日
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俘擄生產(chǎn)應(yīng)用
DIWA353鍋筒縱縫接頭外側(cè)焊趾處
裂紋的產(chǎn)生原因和預(yù)防措施
北京德普新源科技發(fā)展有限公司(100027) 安培才趙虎譚巍
摘要對制造的DIWA353，8=90 mm鍋爐鍋筒外側(cè)縱縫焊趾處微裂紋的產(chǎn)生原因進行分析，發(fā)現(xiàn)該焊趾處裂
紋是溫校圓過程中產(chǎn)生的。認為裂紋產(chǎn)生原因是由于在溫校圓過程中，焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與筒節(jié)校圓過程產(chǎn)生
的應(yīng)力疊加后合應(yīng)力過大，且焊趾處存在嚴重的幾何不連續(xù)，導(dǎo)致鍋筒筒節(jié)外側(cè)縱縫接頭的焊趾處產(chǎn)生裂紋。通
過先打磨焊縫去除焊縫余高，后校圓的工序變更，有效地避免DIWA353，艿=90 mm鍋爐鍋筒外表面縱縫焊趾處裂
紋的產(chǎn)生。
關(guān)鍵詞： DIWA353鍋簡縱縫焊接接頭焊趾處裂紋產(chǎn)生原因 預(yù)防措施
中圖分類號： TG442
0 前 言
在某工廠制造的鍋爐鍋筒，采用DIWA353(等同國
內(nèi)牌號13MnNiMoR)板材，8=90 mm。該材料為德國
狄林根鋼廠研制生產(chǎn)的低合金高強鋼，具備較好的力
學(xué)性能，有較高的高溫屈服點和較低的裂紋敏感性，同
時具備良好的焊接性能和工藝性能。在多年的生產(chǎn)中
沒有發(fā)現(xiàn)在鍋筒縱縫焊趾處產(chǎn)生微裂紋，但是近幾年
來，在對多臺鍋爐的鍋筒縱向焊接接頭的MT(磁粉)探
傷中發(fā)現(xiàn)多臺鍋爐的鍋筒縱縫焊趾處存在多個裂紋。
由于該裂紋是經(jīng)常的多發(fā)性的產(chǎn)生，不是個別案例，有
一定的普遍性。因此，需對D1wA353鍋筒外側(cè)縱縫焊
趾裂紋的產(chǎn)生原因進行分析，以便采取預(yù)防措施就顯
得異常重要和迫切。
裂紋存在縱縫焊接接頭外側(cè)焊縫的焊趾處，而在
縱縫焊接接頭內(nèi)側(cè)焊縫的焊趾處，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。裂
紋長度一般2O～40 mm，沿焊縫總縱向分布。通過打
磨發(fā)現(xiàn)，裂紋為深度l～3 mm的微裂紋，由于裂紋張
開極小，肉眼根本不能發(fā)現(xiàn)，有時采用普通的roT(磁
粉)探傷方法檢查，也不易發(fā)現(xiàn)，只有采用加反差劑的
MT探傷檢查，才能發(fā)現(xiàn)。
1 焊趾裂紋的產(chǎn)生原因分析
1．1 原材料和焊接工藝分析
鍋筒材料為DIWA353(13MnNiMo5—4)，其化學(xué)成
分見表1，力學(xué)性能要求見表2。
表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)。％)
簡體縱縫坡口為V形坡口，如圖1所示。背面有
收稿日期：2015—06—21
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墊板。焊接方法為埋弧焊。焊接順序為：先采用埋弧
焊方法焊外側(cè)坡口焊縫，坡口焊縫完成后，采用電弧氣
刨去除墊板，然后采用埋弧焊進行內(nèi)側(cè)焊接。
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生產(chǎn)應(yīng)用r蜉搭
圖1 筒體縱縫坡口
埋弧焊焊接材料為S101+H08Mn2MoA，焊絲
H08Mn2MoA的化學(xué)成分見表3。
焊劑$101中硫和磷的含量要求如下：P≤0．080％，
S≤0．060％ ，焊縫熔敷金屬在(600±15)℃／6 h焊后
熱處理狀態(tài)下，力學(xué)性能要求：抗拉強度R I>570 MPa，
屈服強度ReLI>390 MPa，斷后伸長率A≥18％ ，(0 oC)
≥31 J ，
表3 焊絲H08Mn2MoA的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)。％)
1．2 與環(huán)縫焊接工藝的比較
由于在鍋筒環(huán)縫的焊接接頭焊趾處沒有發(fā)現(xiàn)裂
紋，有必要將縱、環(huán)縫的焊接工藝進行對比，分析是否
由于焊接工藝不同而造成縱縫焊趾處產(chǎn)生裂紋。鍋筒
筒節(jié)的環(huán)縫焊接，是采用V+u形坡口，坡口如圖2所
示。
圖2 環(huán)縫坡口幽
焊接方法為焊條電弧焊+埋弧焊。焊接順序為：
先采用焊條電弧焊方法焊接內(nèi)壁V坡口，內(nèi)部坡口焊
接完成后，再采用埋弧焊方法焊接外坡口。盡管縱縫
和環(huán)縫的坡口不相同，焊接方法也不相同，但是由于縱
縫裂紋是在焊縫的外壁的焊趾處，而縱縫和環(huán)縫在外
壁的焊接方法時一樣的，焊接工藝(除坡口不同，焊接
材料、預(yù)熱要求、焊接規(guī)范、焊接過程控制、焊后消氫和
焊后熱處理工藝)是完全相同的。這說明鍋筒縱縫焊
接接頭產(chǎn)生焊趾裂紋與材料和焊接工藝關(guān)系不大。
1．3 鍋筒縱縫焊接接頭焊趾裂紋產(chǎn)生的時機分析試驗
根據(jù)筒體的制造工藝流程：完成縱縫焊接，接著對
簡體進行消氫處理，又對筒節(jié)進行校圓后，先對簡體縱
縫打磨，然后對打磨后的縱縫焊接接頭進行MT探傷。
為了確定鍋筒縱縫焊接接頭焊趾處裂紋的產(chǎn)生時機，
分別在筒體縱縫焊完消氫后、放置24 h后、筒節(jié)校圓后
各個階段對焊趾部位的焊縫和母材進行MT檢查。
(1)在縱縫焊接完成后，應(yīng)立即進行消氫處理。消
氫處理后，對外側(cè)焊趾部位的焊縫和母材進行MT檢
查。檢查后未在相關(guān)部位發(fā)現(xiàn)裂紋。
(2)將消氫處理后的筒體，放置24 h后，對外側(cè)焊
縫焊趾部位的焊縫和母材進行MT檢查。檢查后未在
相關(guān)部位發(fā)現(xiàn)裂紋。
(3)根據(jù)工藝要求，縱縫焊接后，對筒節(jié)要進行校
圓，校圓后，對焊趾部位的焊縫和母材熱影響區(qū)進行
MT檢查。結(jié)果在外側(cè)焊縫焊趾處發(fā)現(xiàn)裂紋。
以上研究表明縱縫焊趾處的裂紋是在校圓的過程
中產(chǎn)生的。
2 校圓的過程中在縱縫焊趾處產(chǎn)生裂紋的原因分析
從鍋筒外縱縫焊接接頭焊趾處裂紋的產(chǎn)生時機分
析試驗可以知道，DIWA353鍋爐簡體縱縫外側(cè)焊趾處
裂紋不是在焊接過程產(chǎn)生的，而是校圓過程產(chǎn)生的。
通過查閱筒節(jié)縱縫在焊趾部位產(chǎn)生裂紋的鍋筒檢
驗記錄，發(fā)現(xiàn)以上鍋筒的筒節(jié)校圓均采用溫校工藝，而
采用高溫校圓的鍋筒筒節(jié)，在縱縫焊趾處均沒有發(fā)現(xiàn)
裂紋產(chǎn)生，這進一步說明縱縫在焊趾部位產(chǎn)生裂紋與
校圓溫度有關(guān)。
采用熱卷筒、熱校圓工藝，需要將鍋爐鋼板加熱到
DIWA353材料的正火溫度(890—950 oC)以上。由于
高溫卷制，筒節(jié)卷制后，筒節(jié)的內(nèi)應(yīng)力較小。同時筒節(jié)
的環(huán)向方向兩端200～300 mm長度范圍內(nèi)由于為平板
(因設(shè)備能力原因兩端無法卷制成要求的彎曲半徑)，
如圖3所示。因此，在該平板200～300 mm長度范圍
內(nèi)，卷制產(chǎn)生的殘余應(yīng)力基本沒有。在縱縫焊接過程，
在焊縫環(huán)向會產(chǎn)生很大的焊接殘余拉應(yīng)力。但在高溫
校圓前的加熱過程，焊接殘余拉應(yīng)力絕大部分被消除。
由于高溫校圓，材料的高溫強度較小，筒節(jié)校圓需要的
外力較小(與筒節(jié)溫卷筒、溫校圓比較)，校圓過程的產(chǎn)
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圖3 筒節(jié)卷制后待焊縱縫平板(200—300 mm)
生應(yīng)力也較小，合成應(yīng)力比溫校圓小很多，因此焊趾處
產(chǎn)生無應(yīng)力裂紋產(chǎn)生。
采用筒節(jié)溫卷筒、溫校圓工藝，要求將鍋爐鋼板加
熱到DIWA353材料的回火溫度(650—680 cC)以下 J
(當卷板設(shè)備能力許可時，可以在環(huán)境溫度下進行冷卷
和冷校)，由于DIWA353材料強度較高，溫卷制成型需
要的卷制力較大，筒節(jié)卷制后，筒節(jié)的內(nèi)應(yīng)力也較大。
同樣在沒有被卷制的200—300 mm長度范圍內(nèi)，卷制
產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也基本沒有。在縱縫焊接過程，焊縫
環(huán)向會產(chǎn)生很大的焊接殘余拉應(yīng)力，在溫校圓時，筒節(jié)
被加熱到回火溫度以下，加熱溫度不高，焊接殘余拉應(yīng)
力僅小部分消除。由于筒節(jié)溫校過程，筒節(jié)的加熱溫
度不高，材料強度較大，需要的校圓外力比高溫校圓時
增大很多，因此在筒節(jié)外側(cè)校圓過程產(chǎn)生較大的拉應(yīng)
力 J。而在焊接過程中也產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，兩者相互
疊加，導(dǎo)致合應(yīng)力顯著增大。
此外在焊縫與母材的交界處一焊趾部位，由于存
在焊縫余高，導(dǎo)致焊趾處產(chǎn)生幾何不連續(xù)性，且DI．
WA353材料在焊接過程中，焊趾處材料組織存在一定
的淬硬性，而溫校過程該處又產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中 J，
所以造成焊趾處產(chǎn)生應(yīng)力裂紋的幾率大大增加。
盡管校圓過程在焊接接頭的環(huán)向產(chǎn)生外應(yīng)力，在
筒體厚度中心位置，外應(yīng)力基本為零，在內(nèi)外筒體表
面，外應(yīng)力最大。但在筒節(jié)內(nèi)側(cè)，該應(yīng)力為壓應(yīng)力，可
與焊接殘余拉應(yīng)力互相抵消，使得合成應(yīng)力減小。這
說明校圓過程筒節(jié)內(nèi)側(cè)縱縫焊趾處不易產(chǎn)生裂紋。
大量生產(chǎn)檢驗結(jié)果表明：采用筒節(jié)溫卷筒、溫校圓
工藝制造的厚度70 mm的DIWA353鍋筒沒有發(fā)現(xiàn)外
縱縫焊接接頭焊趾裂紋。說明外縱縫焊接接頭焊趾裂
紋的產(chǎn)生還與鍋筒的厚度有關(guān) 同樣采用溫卷筒、溫
校圓工藝，材料的厚度越大，溫校圓過程產(chǎn)生外縱縫焊
接接頭焊趾裂紋的幾率越大。
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3 鍋筒縱縫焊接接頭焊趾裂紋的預(yù)防措施
綜上所述，筒節(jié)卷制產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力、筒節(jié)校圓
過程筒節(jié)承受的拉應(yīng)力、焊趾處的應(yīng)力集中，是DI—
WA353厚度90 mm的鍋筒筒節(jié)縱縫焊接接頭外側(cè)焊
趾處裂紋產(chǎn)生的3個原因。
(1)筒節(jié)的厚度越厚、材料強度越高、筒節(jié)的內(nèi)徑
越小、校圓的溫度越低，校圓過程外表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力
越大。筒節(jié)的內(nèi)徑、厚度和材料強度是無法改變的，降
低拉應(yīng)力的唯一方法是盡可能提高校圓的溫度。但是
在溫校時，該溫度必須控制在回火溫度以下。調(diào)整的
余度很小。最好方法是通過特殊工藝，在焊接縱縫前，
將兩端原來無法被卷制的鋼板用特殊方法形成所要求
的圓弧?？紤]采用兩種方法進行：第一種是在卷板前，
用油壓機將兩端壓成需要的弧度，該方法需要一定的
設(shè)備和工裝模具，實施難度大；第二種方法是筒節(jié)鋼板
下料時，兩端留足夠長度的余量，該余量長度大于兩端
無法卷制的長度，卷制后將沒有卷成圓弧的長度切割
去除，該方法存在一定的材料浪費。
(2)縱縫焊接坡口越寬、焊接方法的熱輸出量越
大、焊縫厚度越厚、材料屈服強度越高，焊接殘余拉應(yīng)
力越大。為了減少焊接殘余拉應(yīng)力，由于焊縫厚度、材
料屈服強度無法改變，但可以通過采用窄間隙埋弧焊，
減少縱縫焊接坡口寬度，從而減少焊接熱輸出量，但需
要增加窄間隙埋弧焊設(shè)備。
(3)焊趾處焊縫余高突變越大，焊趾處焊接缺陷越
嚴重，該處應(yīng)力集中越大。在校圓前采用打磨的方法
去除焊縫余高，同時將原來焊趾處存在的表面缺陷，打
磨去除成光滑過渡，以消除焊趾處應(yīng)力集中，從而預(yù)防
在焊趾處產(chǎn)生微裂紋，該方法比較容易實施。
通過以上討論，可將以往工序順序(先校圓、后打
磨焊縫去除焊縫余高)調(diào)整為先打磨焊縫去除焊縫余
高，后校圓。這樣在校圓過程中就不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，
避免在校圓過程中，由于應(yīng)力集中過大，在焊趾處產(chǎn)生
裂紋。經(jīng)過上述工序調(diào)整發(fā)現(xiàn)縱縫的外側(cè)焊趾處不再
產(chǎn)生裂紋。實踐證明該方法不增加制造工序，僅改變
工序順序，就可以避免DIWA353厚度90 mm的鍋筒筒
節(jié)縱縫外側(cè)焊趾處裂紋的產(chǎn)生，是切實可行的預(yù)防措
施。
4 結(jié) 論
(1)厚度90 mm的DIWA353(13MnNiMo5—4)鍋爐
鍋筒在縱縫焊接接頭外側(cè)焊縫的焊趾處產(chǎn)生的微裂紋
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是在鍋筒制造工序的校圓過程中產(chǎn)生的。
(2)焊趾處該微裂紋產(chǎn)生，與熱影響區(qū)的組織淬
硬、焊趾處存在嚴重的幾何不連續(xù)性和冷成型過程產(chǎn)
生很大的外力有關(guān)。采用冷成型(或溫成型)方法卷制
大厚度高強鋼筒體，與高溫成型比較，大大節(jié)約能源，
但是成型需要的外力很大。成型時材料強度越高和厚
度越厚，成型需要的外力越大，成型過程在材料內(nèi)部產(chǎn)
生的應(yīng)力越大；又由于DIWA353材料在焊接過程，焊
趾處焊縫的熱影響區(qū)的組織存在較大的淬硬性和焊趾
處存在很大的應(yīng)力集中，在焊趾處容易產(chǎn)生微裂紋。
(3)在校圓前采用打磨的方法去除焊縫余高，同時
將原來焊趾處存在的表面缺陷，打磨去除，焊趾處光滑
過渡，以消除焊趾處應(yīng)力集中，從而預(yù)防在焊趾處產(chǎn)生
微裂紋，該方法比較容易實施。生產(chǎn)中采用上述方法，
避免了裂紋的產(chǎn)生。
參考文獻
俘搭
[1] 楊浩，曲錦波．熱循環(huán)對13MnNiMoR鋼焊接熱影響區(qū)
顯微組織和韌性的影響[J]．機械工程材料，2015，39
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潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報，1996(1)：86—91．
[3] 張毅，黃小平，崔維成，等．對接接頭焊趾應(yīng)力集中有
限元分析[J]．船舶力學(xué)，2004(5)：9l一99．
作者簡介： 安培才，1982年出生，工程師。主要從事電力
建設(shè)及鍋爐壓力容器焊接、熱處理、監(jiān)造檢驗
等相關(guān)工作。
AP1000反應(yīng)堆控制棒導(dǎo)向筒組件焊接變形控制
中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室(成都市610213) 蔣興鈞李娜
羅英王慶田
趙偉
摘要介紹了AP1000反應(yīng)堆控制棒導(dǎo)向筒組件的設(shè)計要求及結(jié)構(gòu)，針對控制棒導(dǎo)向筒組件TIG焊接后較易
產(chǎn)生變形，提出了重新優(yōu)化設(shè)計焊接坡口及采用真空電子束焊接等幾種措施，盡可能減少焊接變形。
關(guān)鍵詞： AP1 000反應(yīng)堆控制棒導(dǎo)向筒組件焊接變形控制
中圖分類號： TG403
0 前 言
為加快國內(nèi)核電發(fā)展，國內(nèi)引進了美國西屋公司
的AP1000三代核電技術(shù)，通過消化吸收與再創(chuàng)新，不
斷提高國內(nèi)核電自主化能力? 。目前，目前國內(nèi)第三
代核電建設(shè)居世界之首‘2 J，在加快核電建設(shè)的同時，
不能忽視了核電的安全l3j，其中控制棒在反應(yīng)堆的安
全控制方面發(fā)揮著十分重要的作用?？刂瓢魧?dǎo)向筒
組件(簡稱CRGT組件)功能是為控制棒組件提供保
護和導(dǎo)向，減小冷卻劑橫向作用力對落棒時間的影
響。反應(yīng)堆運行期間在緊急工況下，CRGT組件應(yīng)能
收稿日期：2015—07—21
保證控制棒在重力作用下快速插入堆芯，以達到緊急
停堆的目的。
1 CRGT組件的設(shè)計要求
CRGT組件的設(shè)計必須保證驅(qū)動桿的行程范圍，讓
控制棒在CRGT組件中上下運動來實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，實
現(xiàn)對反應(yīng)堆的控制。CRGT組件在反應(yīng)堆中受到高溫、
高壓與復(fù)雜的水力載荷的作用，特別是下部導(dǎo)向筒組
件會受到上腔室橫向流的沖擊作用；還必須承受驅(qū)動
線運動帶來的載荷；反應(yīng)堆冷卻劑的流動還會誘發(fā)堆
內(nèi)構(gòu)件的流致振動，會給安裝在堆內(nèi)構(gòu)件上的CRGT
結(jié)構(gòu)帶來疲勞損傷、連接件松動與磨損。在正常和擾
動工況下，CRGT組件受到橫向水力載荷的作用將發(fā)生
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