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發(fā)表于 2008-10-17 12:39:16
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大型鋼包焊接結(jié)構(gòu)失效機(jī)理分析 8 k$ }6 |7 D( C! ]
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7 }( ~* c! V0 w7 Z" \6 A8 x5 V2008.09.22 作者:廖禮寶,徐 宏 關(guān)鍵詞:焊接,失效分析 閱讀:100次 1 c; a% _+ W, X! f1 |
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。
. u2 Y9 J, ^5 Q v8 S 關(guān)鍵詞:鋼包 焊接結(jié)構(gòu) 裂紋機(jī)理 分析, O# j+ `6 k; z; z2 `% u8 [/ b# Q
0 前言4 h' R$ Z, u6 o& g# j% c( Z" Z1 I
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。" @7 \8 F- Z" _6 f/ Z
1 新舊鋼包焊接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
) X2 J% u9 m. p N, G' R1 n- Q 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)。
. ^) V$ g; Q9 z4 Y4 H% ?8 ~ j 圖1.1 老式鋼包結(jié)構(gòu)及其開(kāi)裂部位, n- P5 z- _; Z: F; ^& _1 g6 R' }2 [
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。
7 m3 O6 p& a/ ?' S$ X 圖1.2 新鋼包結(jié)構(gòu)局部示意圖
4 M7 Z" z4 J7 {7 A: W 1.1 新鋼包外表裂紋0 u& G8 Z6 N1 W% @
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。' b4 T* y. o% t# ~- ?
圖1.3 裂紋復(fù)膜金相照片(放大后裂紋形貌)
+ F' ^; w! C$ g- a$ `( X% D' ]' g 2 鋼包裂紋類(lèi)型判別! o8 \) k" E6 d0 P! ^
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。
& z; Y T$ p+ T' X; n/ N. q 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。! w; Q, J% ?( K2 p
圖2.1 老式鋼包T型焊縫外表面上方應(yīng)力3 X: a$ L, z. m/ _
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">$ F3 o6 i0 e1 |7 {9 Y5 A
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(mǎn)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。
) ]+ A6 J, b2 N8 x: J 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。* y, \9 l" n+ y3 I
圖2.2 5#鋼包外表面多源裂紋形貌
# [1 `# \6 Z }1 t. B7 Y( _; q3 y 圖2.3 5#鋼包外表面裂紋放大形貌, }* {& f; _8 P6 H
3 鋼包底部連接部位有限元應(yīng)力分析; n0 ? E. w% m3 `/ B
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。$ G8 _/ Z, T1 A. _- s4 Y5 x/ c& F2 k& @% H
4 5#鋼包外表裂紋綜合分析6 C0 v& v1 Y" v
4.1 熱疲勞裂紋的進(jìn)一步判別$ Y4 f3 s* W; d) f1 S3 T0 H
圖4.1為5#鋼包外表面裂紋顯微組織形貌??梢钥闯?,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》0 E) i. D6 l$ ^2 z; N; g e
圖4.1 5#鋼包裂紋高倍顯微組織形貌
, E6 o% j& @2 l* @ 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。# j9 Q2 I" J: {8 P9 i$ S, |/ y
4.2 5#鋼包熱疲勞裂紋產(chǎn)生原因初步分析) N3 h) b& J! P* k# i* y
4.2.1 新型鋼包的優(yōu)點(diǎn), ]! W) z2 O5 B3 p4 r
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。- f* I4 P2 @/ c$ c- K8 d! ~: \
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。
6 h$ B1 @7 r4 y: C4 ?6 C 4.2.2 新型鋼包之不足/ R/ T6 H D* F" L: {
?。?) 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。
. Q6 g% A- ^7 h/ x. r7 p (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。+ x' ]7 _ X) W9 H, n
?。?) 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。4 V& Y8 V: s& ]. n
4.2.3 5#鋼包熱疲勞裂紋產(chǎn)生原因
8 v+ C3 ~3 {. d3 q 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。
* p- ?: _! n. Z4 `" x4 F( n 圖4.2 5#鋼包外表裂紋部位顯微組織形貌
5 N9 [& E) T8 v( }1 z; U 表4.1 20號(hào)鋼珠光體球化參考級(jí)別
1 R7 o' G \% d, k/ d' B9 E( g0 T 項(xiàng)名 球化級(jí)別 組織特征& F7 u0 Q& y) Y
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 a; p( O! G+ R' J ?
完全球化(第五級(jí)) 嚴(yán)重球化(第六級(jí))
}, b1 q+ z H. }& n 圖4.3 20鋼珠光體球化參考級(jí)別(680×)- t+ N$ i3 k5 ~3 }& w' r
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。
& S* P: H) R4 `( E4 I 4.2.4 焊縫先于母材萌生裂紋的原因1 A2 e5 C3 k$ C. A
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)。
: o2 @5 j8 c1 N3 U) ~ 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。
" [" _- f& S8 _. b 5 結(jié)論
$ \% q2 `8 W6 q; ?/ E" U. D/ ` 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。; c2 {0 Z! p; b! ^
產(chǎn)生熱疲勞裂紋的主要原因有:
2 Q K% Y6 M; f$ o ?。?) 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;
" l( C( |3 O8 Z' I% R9 F. \ (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。
- o0 {- @& E8 T' x ?。?) 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。& h; P2 |2 t+ X9 c4 Y& t& }, B5 X
?。?) 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)。
9 c5 W$ Q6 ]5 Y) ~2 q本篇文章來(lái)源于 “中國(guó)金屬加工在線(xiàn)” 轉(zhuǎn)載請(qǐng)以鏈接形式注明出處 網(wǎng)址:http://www.mw1950.com/html/200809/0922/200809221118221096.shtml |
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