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大型鋼包焊接結(jié)構(gòu)失效機(jī)理分析 . F+ _% D; d1 `. X) _# v
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2008.09.22 作者:廖禮寶,徐 宏 關(guān)鍵詞:焊接,失效分析 閱讀：100次
( @( y* l) q- _! Z* k) Y$ | 摘要： 通過(guò)新舊鋼包結(jié)構(gòu)對(duì)比、應(yīng)力分析和顯微組織及金相等進(jìn)行對(duì)比分析，得出鋼包失效的主要原因是裂紋所致，進(jìn)而研究裂紋的特征及類(lèi)型，并由此分析產(chǎn)生熱疲勞裂紋的機(jī)理及其影響因素。 " |, f/ a! E, D# j4 B% w5 O' N
關(guān)鍵詞：鋼包 焊接結(jié)構(gòu) 裂紋機(jī)理 分析/ I3 B7 `6 O; o( X! |+ ^
0 前言' U0 {1 t. m$ P: I+ ^9 q+ w- e9 _- U
寶鋼目前在用鋼、鐵包總數(shù)為78臺(tái)，其中鋼水包為63臺(tái)，鐵水包為15臺(tái)。第一批鋼包、鐵包全部由日本進(jìn)口。通過(guò)對(duì)這些服役過(guò)的鋼水包進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口的鋼包壽命比國(guó)產(chǎn)的長(zhǎng)，但均少于15年。二者主要缺陷是裂紋。6 Y' D' C; J' N0 M7 m/ O9 U
1 新舊鋼包焊接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
. o" d; d6 T8 s, e& ?- L {' X 寶鋼一二期工程中曾大量使用的日本鋼包及國(guó)產(chǎn)仿制鋼包均為T(mén)型角焊縫平底結(jié)構(gòu)，即包壁與包底為“T”型焊接接頭。如圖1.1所示。主要結(jié)構(gòu)特征為平板底采用T型接頭與鋼包筒體相連。這種老式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在明顯缺陷，在鋼包工作過(guò)程中，鋼包筒體與平板底連接處的內(nèi)壁將產(chǎn)生非常大的附加拉伸應(yīng)力，其主要原因?yàn)閯傂詷O大的平底與剛性較小的筒體在連接處的變形不協(xié)調(diào)。因而開(kāi)裂從鋼包內(nèi)壁開(kāi)始，老式鋼包，往往在裂紋擴(kuò)展較深后才被發(fā)現(xiàn)。
' s" A! [* U4 U+ \ 圖1.1 老式鋼包結(jié)構(gòu)及其開(kāi)裂部位4 l% c' i$ B) u( h" I0 V- `9 B
新型鋼包的最大結(jié)構(gòu)改進(jìn)為將平底板改為帶圓弧折邊的平底，將T型角焊縫焊接結(jié)構(gòu)改為對(duì)接焊接結(jié)構(gòu)。新型鋼包結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。
5 j1 u: r: g- k* e- H 圖1.2 新鋼包結(jié)構(gòu)局部示意圖) Q8 B% A4 X- I* w
1.1 新鋼包外表裂紋$ y8 I/ _* _$ {% e5 N
一煉鋼5＃鋼包為新型鋼包。于2000年1月投入使用，累計(jì)運(yùn)行約3500爐次，2004年2月初在鋼包配重一側(cè)，筒體與平底圓弧過(guò)渡段對(duì)接焊接焊縫處發(fā)現(xiàn)斷續(xù)淺表面裂紋，其中焊縫上熱影響區(qū)裂紋斷續(xù)長(zhǎng)約30mm，焊縫下熱影響區(qū)裂紋總長(zhǎng)約2800mm。開(kāi)裂部位示意圖見(jiàn)圖1.3。7 G. Y e0 G" y% _2 k. T" F8 }! h' q
圖1.3 裂紋復(fù)膜金相照片（放大后裂紋形貌）
- S' s( U/ V- E+ g2 P6 J/ B 2 鋼包裂紋類(lèi)型判別6 [) q' V y E+ V0 y M
新型鋼包開(kāi)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(huán)焊縫縱向發(fā)展。/ Y' i: Y% B! ?' v# I4 \3 O
老式鋼包開(kāi)裂是因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致在鋼包筒體內(nèi)表面與平板底T型焊縫處產(chǎn)生大應(yīng)變低周疲勞開(kāi)裂失效——應(yīng)變疲勞。疲勞開(kāi)裂主要原因有二，一為鋼包局部存在較大的附加應(yīng)力，二為鋼包的工作是間斷性的，這兩者相結(jié)合使得鋼包局部產(chǎn)生較大的周期性應(yīng)力波動(dòng)，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(yīng)力計(jì)算結(jié)果。8 v( C8 W0 D$ `- j& W
圖2.1 老式鋼包T型焊縫外表面上方應(yīng)力
6 N) ^2 s% u+ v 新型鋼包經(jīng)局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)，大大降低了鋼包內(nèi)表面的循環(huán)應(yīng)力幅，但其筒體與底封頭連接處外表面的軸向應(yīng)力卻有可能由負(fù)值變?yōu)檎怠?font class="jammer">7 d0 f' V I; v
無(wú)論是老式鋼包還是新型鋼包，由于其載荷都是周期循環(huán)的，鋼包各處應(yīng)力也是周期波動(dòng)的，從空鋼時(shí)的應(yīng)力近似為零到盛滿鋼水后的最大應(yīng)力，又回到空鋼包應(yīng)力近似為零，因而新型鋼包同樣存在疲勞壽命問(wèn)題，對(duì)于特定的材料和工作溫度，只要鋼包中應(yīng)力波動(dòng)幅度達(dá)到某一值，就可能引起疲勞裂紋的萌生，并擴(kuò)展為宏觀裂紋直至鋼包開(kāi)裂失效。
" p+ K2 m3 b. l F, y 從圖2.2、2.3可見(jiàn)，因新鋼包表面裂紋為多源裂紋，與老式鋼包內(nèi)表面裂紋形態(tài)具有明顯不同，所以，新型鋼包外表面裂紋不是機(jī)械疲勞或至少可以說(shuō)不是單純的機(jī)械疲勞，屬于熱疲勞裂紋或機(jī)械疲勞與熱疲勞聯(lián)合作用的結(jié)果。
7 V% }- Y" Q5 _1 M 圖2.2 5＃鋼包外表面多源裂紋形貌# U! s+ I- F- ]# a* }) v
圖2.3 5＃鋼包外表面裂紋放大形貌; t# r' d. q5 Q# _
3 鋼包底部連接部位有限元應(yīng)力分析
- b/ J2 y( L8 r 為探明鋼包出現(xiàn)裂紋的力學(xué)原因，利用有限元法對(duì)鋼包底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值應(yīng)力分析。依鋼包實(shí)情，采用國(guó)際通用有限元分析ANSYS軟件對(duì)鋼包各部位進(jìn)行應(yīng)力分析，并采用分析設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)對(duì)鋼包底部焊縫部位進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力計(jì)算。有限元分析過(guò)程略。其結(jié)論與上述分析基本一致。: \& U* M- a0 d* C/ J& M
4 5#鋼包外表裂紋綜合分析
- y( r) w2 y" ]9 Y8 k3 n) h 4.1 熱疲勞裂紋的進(jìn)一步判別
2 F0 l1 \# l$ E 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》
+ ~1 v" P+ g- X! F# @ 圖4.1 5＃鋼包裂紋高倍顯微組織形貌9 Q+ D1 p% b8 f5 z
中的熱疲勞裂紋比較，發(fā)現(xiàn)裂紋為穿晶擴(kuò)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(jìn)行對(duì)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。 n. U |' t3 A$ D
4.2 5＃鋼包熱疲勞裂紋產(chǎn)生原因初步分析% e! w! P' {& d+ Y' L9 t- m6 H9 F
4.2.1 新型鋼包的優(yōu)點(diǎn)+ y. ?1 S5 x% \/ \9 Z/ C4 o
有限元對(duì)新鋼包應(yīng)力分析結(jié)果表明，不考慮溫度的影響，僅機(jī)械載荷發(fā)生作用下，在鋼包內(nèi)表面環(huán)焊縫處的最大軸向應(yīng)力降到48.76MPa，僅為老式鋼包的最大應(yīng)力的1/10，從受力和最大應(yīng)力角度考慮，新型鋼包結(jié)構(gòu)比老式鋼包結(jié)構(gòu)更為合理，可有效避免由于局部機(jī)械應(yīng)力過(guò)大引起材料發(fā)生低周疲勞失效，消除了老式鋼包內(nèi)壁T型接頭上部機(jī)械疲勞開(kāi)裂的隱患。
) r' e: C! a7 C T型角焊結(jié)構(gòu)是老式鋼包另一結(jié)構(gòu)缺陷。因平底厚度達(dá)80mm，難以保證焊接質(zhì)量，焊接接頭的疲勞強(qiáng)度也較低。新型鋼包將T型角焊縫改為對(duì)接焊縫，大大提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。+ e; J0 `7 l: M+ t9 g; N5 ] J
4.2.2 新型鋼包之不足
" n4 ?/ K8 Z/ u. n% D6 I& R （1） 新型鋼包采用帶圓弧折邊過(guò)渡的平板底結(jié)構(gòu)是合理了，但由于平底厚度達(dá)80mm，折邊加工極為困難，制造廠采用分段加熱半機(jī)械化折彎方法，難以保證加工質(zhì)量。
! T' O3 | }2 A! E （2） 為了與厚僅為32mm的鋼包筒體對(duì)接焊，新型鋼包折邊由80mm過(guò)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(zhǎng)度應(yīng)大于3×（80-32）/2=72mm，5#鋼包雙面削薄長(zhǎng)度接近該最小削薄長(zhǎng)度，局部應(yīng)力集中較大，且焊縫緊靠削薄處，這種結(jié)構(gòu)對(duì)焊縫疲勞極為不利。
5 _ e, {1 [8 n! d' @ （3） 新型鋼包還有一個(gè)十分不利的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(huì)使鋼包傾倒一側(cè)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(qū)和熱影響區(qū)熱疲勞損傷，萌生裂紋，縮短鋼包使用壽命。5#鋼包外表面環(huán)焊縫有幾處掛渣也說(shuō)明此處確實(shí)有受到高溫影響的可能性。
& X0 l. p0 m3 Y0 ]* |: U/ X, A 4.2.3 5#鋼包熱疲勞裂紋產(chǎn)生原因( h1 m O7 l% |
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(fā)生明顯變化，金相組織分析照片中珠光體區(qū)域已難以找到，材料發(fā)生了極為嚴(yán)重的珠光體球化，說(shuō)明鋼包環(huán)焊縫外表面經(jīng)常達(dá)到較高溫度，大大超過(guò)老式鋼包一般認(rèn)為的360℃。這一結(jié)論也可從鋼包裂紋部位硬度測(cè)試結(jié)果得到佐證，測(cè)得的硬度值明顯低于20g鋼正常硬度。說(shuō)明該部位材料珠光體球化較為嚴(yán)重，研究表明，20g鋼珠光體球化將會(huì)明顯降低材料的強(qiáng)度和硬度。其球化等級(jí)可參考圖4.3和表4.1。( f; b1 v6 `/ q! C' j6 {2 m
圖4.2 5#鋼包外表裂紋部位顯微組織形貌1 E% ^1 g# \, ^- s" i T$ P' P6 Y
表4.1 20號(hào)鋼珠光體球化參考級(jí)別
3 |; b6 I% B. R; ` 項(xiàng)名 球化級(jí)別 組織特征
F! @' }7 p/ p |9 N 完全球化 第五級(jí) 珠光體形態(tài)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(yán)重球化 第六級(jí) 晶界及鐵素體基體上的碳化物已逐漸長(zhǎng)大，分散度大4 O8 I y5 O! T
完全球化（第五級(jí)） 嚴(yán)重球化（第六級(jí)）
% `3 O+ {6 H4 ~% Z 圖4.3 20鋼珠光體球化參考級(jí)別（680×）
) o) m- P' v+ {3 k 根據(jù)前述對(duì)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(qiáng)度，因而5#鋼包外表面材料嚴(yán)重珠光體球化，將會(huì)使其熱疲勞壽命大大縮短。
1 n: Y! G H: J$ T" F 4.2.4 焊縫先于母材萌生裂紋的原因
5 R" s. [0 H; D 5#鋼包外表產(chǎn)生裂紋部位有兩大特征，環(huán)向特征為裂紋均產(chǎn)生在傾倒鋼水一側(cè)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(guān)。
7 P. _- l6 A4 H% y6 ]3 { 高度方向特征為裂紋均產(chǎn)生在焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)，且以焊縫下部居多，這與焊接過(guò)程中引起的材料組織劣化和性能退化有密切關(guān)系，而且焊縫下側(cè)熱影響區(qū)又處于鋼包筒體與平底折邊壁厚不等之過(guò)渡處，該處無(wú)論是機(jī)械應(yīng)力還是熱應(yīng)力都存在較大應(yīng)力集中或邊緣附加應(yīng)力。
1 z% ^* V7 D. B 5 結(jié)論 i ^! J4 d) }1 T; @3 V2 N
5＃新型鋼包筒體裂紋產(chǎn)生在外表面環(huán)焊縫處為熱疲勞裂紋，與老式鋼包表面開(kāi)裂位置完全不同，具有較大的隱蔽性，無(wú)損檢測(cè)難以發(fā)現(xiàn)，本次是采用現(xiàn)場(chǎng)復(fù)膜金相技術(shù)發(fā)現(xiàn)的。
" ]$ G( w) d# j' F3 }) {3 [* B6 R 產(chǎn)生熱疲勞裂紋的主要原因有：
! v! U w' F; a （1） 筒體內(nèi)外表面溫差較大，在筒體外壁處產(chǎn)生的拉伸熱應(yīng)力具有循環(huán)波動(dòng)特征；
4 Q# P+ G8 q( R: @ （2） 開(kāi)裂焊縫上部筒體外側(cè)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(guò)削薄過(guò)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(chǎn)生附加拉伸熱應(yīng)力。
6 i2 t5 g" c/ a1 B( _* ^- Z （3） 熾熱鋼水傾倒時(shí)對(duì)鋼包筒體有高溫?zé)彷椛溆绊懀瑢?dǎo)致無(wú)配重阻隔的鋼包筒體材料組織發(fā)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(jī)械疲勞強(qiáng)度和熱疲勞強(qiáng)度，促進(jìn)了鋼包熱疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。
$ y- l8 ^) h% R$ B/ Y/ U （4） 由于焊縫熔合區(qū)及熱影響區(qū)材料晶粒粗大，性能脆化，且筒體環(huán)焊縫處于筒體與不同厚度平底折邊過(guò)渡段之連接處，因而發(fā)現(xiàn)的細(xì)小熱疲勞裂紋多在焊縫下熔合區(qū)及熱影響區(qū)。$ [) Y. ~7 x* x( E
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發(fā)表于 2008-10-7 17:44:11
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