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DIWA353鍋筒縱縫接頭外側焊趾處裂紋的產生原因和預防措施

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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俘擄生產應用
DIWA353鍋筒縱縫接頭外側焊趾處
裂紋的產生原因和預防措施
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鍋爐鍋筒外側縱縫焊趾處微裂紋的產生原因進行分析，發(fā)現(xiàn)該焊趾處裂
紋是溫校圓過程中產生的。認為裂紋產生原因是由于在溫校圓過程中，焊接產生的殘余應力與筒節(jié)校圓過程產生
的應力疊加后合應力過大，且焊趾處存在嚴重的幾何不連續(xù)，導致鍋筒筒節(jié)外側縱縫接頭的焊趾處產生裂紋。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
紋的產生。
關鍵詞： DIWA353鍋簡縱縫焊接接頭焊趾處裂紋產生原因 預防措施
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
內牌號13MnNiMoR)板材，8=90 mm。該材料為德國
狄林根鋼廠研制生產的低合金高強鋼，具備較好的力
學性能，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。在多年的生產中
沒有發(fā)現(xiàn)在鍋筒縱縫焊趾處產生微裂紋，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。
由于該裂紋是經常的多發(fā)性的產生，不是個別案例，有
一定的普遍性。因此，需對D1wA353鍋筒外側縱縫焊
趾裂紋的產生原因進行分析，以便采取預防措施就顯
得異常重要和迫切。
裂紋存在縱縫焊接接頭外側焊縫的焊趾處，而在
縱縫焊接接頭內側焊縫的焊趾處，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)，其化學成
分見表1，力學性能要求見表2。
表1 化學成分(質量分數(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
48 2016年第1期
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側焊接。
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生產應用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的化學成分(質量分數(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壁V坡口，內部坡口焊
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
接接頭產生焊趾裂紋與材料和焊接工藝關系不大。
1．3 鍋筒縱縫焊接接頭焊趾裂紋產生的時機分析試驗
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，應立即進行消氫處理。消
氫處理后，對外側焊趾部位的焊縫和母材進行MT檢
查。檢查后未在相關部位發(fā)現(xiàn)裂紋。
(2)將消氫處理后的筒體，放置24 h后，對外側焊
縫焊趾部位的焊縫和母材進行MT檢查。檢查后未在
相關部位發(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。結果在外側焊縫焊趾處發(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
中產生的。
2 校圓的過程中在縱縫焊趾處產生裂紋的原因分析
從鍋筒外縱縫焊接接頭焊趾處裂紋的產生時機分
析試驗可以知道，DIWA353鍋爐簡體縱縫外側焊趾處
裂紋不是在焊接過程產生的，而是校圓過程產生的。
通過查閱筒節(jié)縱縫在焊趾部位產生裂紋的鍋筒檢
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)
裂紋產生，這進一步說明縱縫在焊趾部位產生裂紋與
校圓溫度有關。
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)的內應力較小。同時筒節(jié)
的環(huán)向方向兩端200～300 mm長度范圍內由于為平板
(因設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，卷制產生的殘余應力基本沒有。在縱縫焊接過程，
在焊縫環(huán)向會產生很大的焊接殘余拉應力。但在高溫
校圓前的加熱過程，焊接殘余拉應力絕大部分被消除。
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
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圖3 筒節(jié)卷制后待焊縱縫平板(200—300 mm)
生應力也較小，合成應力比溫校圓小很多，因此焊趾處
產生無應力裂紋產生。
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)的內應力也較大。
同樣在沒有被卷制的200—300 mm長度范圍內，卷制
產生的殘余應力也基本沒有。在縱縫焊接過程，焊縫
環(huán)向會產生很大的焊接殘余拉應力，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
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)外側校圓過程產生較大的拉應
力 J。而在焊接過程中也產生殘余拉應力，兩者相互
疊加，導致合應力顯著增大。
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，導致焊趾處產生幾何不連續(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生很大的應力集中 J，
所以造成焊趾處產生應力裂紋的幾率大大增加。
盡管校圓過程在焊接接頭的環(huán)向產生外應力，在
筒體厚度中心位置，外應力基本為零，在內外筒體表
面，外應力最大。但在筒節(jié)內側，該應力為壓應力，可
與焊接殘余拉應力互相抵消，使得合成應力減小。這
說明校圓過程筒節(jié)內側縱縫焊趾處不易產生裂紋。
大量生產檢驗結果表明：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
紋的產生還與鍋筒的厚度有關 同樣采用溫卷筒、溫
校圓工藝，材料的厚度越大，溫校圓過程產生外縱縫焊
接接頭焊趾裂紋的幾率越大。
50 2016年第1期
3 鍋筒縱縫焊接接頭焊趾裂紋的預防措施
綜上所述，筒節(jié)卷制產生的殘余拉應力、筒節(jié)校圓
過程筒節(jié)承受的拉應力、焊趾處的應力集中，是DI—
WA353厚度90 mm的鍋筒筒節(jié)縱縫焊接接頭外側焊
趾處裂紋產生的3個原因。
(1)筒節(jié)的厚度越厚、材料強度越高、筒節(jié)的內徑
越小、校圓的溫度越低，校圓過程外表面產生的拉應力
越大。筒節(jié)的內徑、厚度和材料強度是無法改變的，降
低拉應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。考慮采用兩種方法進行：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
力越大。為了減少焊接殘余拉應力，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，以消除焊趾處應力集中，從而預防
在焊趾處產生微裂紋，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生應力集中，
避免在校圓過程中，由于應力集中過大，在焊趾處產生
裂紋。經過上述工序調整發(fā)現(xiàn)縱縫的外側焊趾處不再
產生裂紋。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)縱縫外側焊趾處裂紋的產生，是切實可行的預防措
施。
4 結 論
(1)厚度90 mm的DIWA353(13MnNiMo5—4)鍋爐
鍋筒在縱縫焊接接頭外側焊縫的焊趾處產生的微裂紋
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是在鍋筒制造工序的校圓過程中產生的。
(2)焊趾處該微裂紋產生，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
生很大的外力有關。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，成型過程在材料內部產
生的應力越大；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
處存在很大的應力集中，在焊趾處容易產生微裂紋。
(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，以消除焊趾處應力集中，從而預防在焊趾處產生
微裂紋，該方法比較容易實施。生產中采用上述方法，
避免了裂紋的產生。
參考文獻
俘搭
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作者簡介： 安培才，1982年出生，工程師。主要從事電力
建設及鍋爐壓力容器焊接、熱處理、監(jiān)造檢驗
等相關工作。
AP1000反應堆控制棒導向筒組件焊接變形控制
中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室(成都市610213) 蔣興鈞李娜
羅英王慶田
趙偉
摘要介紹了AP1000反應堆控制棒導向筒組件的設計要求及結構，針對控制棒導向筒組件TIG焊接后較易
產生變形，提出了重新優(yōu)化設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。
關鍵詞： AP1 000反應堆控制棒導向筒組件焊接變形控制
中圖分類號： TG403
0 前 言
為加快國內核電發(fā)展，國內引進了美國西屋公司
的AP1000三代核電技術，通過消化吸收與再創(chuàng)新，不
斷提高國內核電自主化能力? 。目前，目前國內第三
代核電建設居世界之首‘2 J，在加快核電建設的同時，
不能忽視了核電的安全l3j，其中控制棒在反應堆的安
全控制方面發(fā)揮著十分重要的作用?？刂瓢魧蛲?
組件(簡稱CRGT組件)功能是為控制棒組件提供保
護和導向，減小冷卻劑橫向作用力對落棒時間的影
響。反應堆運行期間在緊急工況下，CRGT組件應能
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組件的設計要求
CRGT組件的設計必須保證驅動桿的行程范圍，讓
控制棒在CRGT組件中上下運動來實現(xiàn)功率調節(jié)，實
現(xiàn)對反應堆的控制。CRGT組件在反應堆中受到高溫、
高壓與復雜的水力載荷的作用，特別是下部導向筒組
件會受到上腔室橫向流的沖擊作用；還必須承受驅動
線運動帶來的載荷；反應堆冷卻劑的流動還會誘發(fā)堆
內構件的流致振動，會給安裝在堆內構件上的CRGT
結構帶來疲勞損傷、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
2016年第1期 51

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