曾晓虹，杨同莲，罗晓军，周瑾
（1.兰州石油机械研究所，甘肃 兰州730050；2.山东省化工规划设计院，山东济南250013；3.兰州炼油厂，甘肃 兰州730060）
摘要：分析了16MnR+405复合钢板筒节纵向焊接接头断裂的原因，介绍了采取的改进工艺措施及其效果。
关键词：复合钢板；断裂；换热器
某厂500万t/a常减压蒸馏装置中有20台换热器壳体材料选用（16MnR+405）复合钢板制造。其基层材料为16MnR，复层不锈钢为德国产405（相当于我国的材料牌号0Cr13Al）。在该批换热器的制造过程中，先后有4个筒节纵向焊接接头断裂，其中规格为φ1200mm×(16+3)mm的2节，φ800mm×(22+3)mm和φ900mm×(24+3)mm的各1节。断裂均在基层焊接完成后校圆时发生。文中分析了断裂原因，并介绍了采取的改进工艺措施及效果。
1 材料化学成分及力学性能
基层与复层材料的化学成分见表1，其力学性能：基层Rm=550MPa，Rel=325MPa，0℃的冲击功AKA=31J；复层Rm=450MPa，Rel=250MPa冲击功AKA=8J。
2 断裂原因分析
该批换热器所用不锈钢复合钢板的基层材料厚度分别为12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm及30mm共8个规格，复层厚度均为3mm。
不锈钢复合钢板按文献［1］BⅡ级要求，采用爆炸复合，质量等级为Ⅱ级。制造时筒节纵向焊接接头型式及尺寸见图1。
2.1 断口形貌
完全断开的筒节见图2。断开的****宽度为150mm，断开位置绝大部分位于将复合层刨削后的坡口根部，只有很少部分断口位于母材，可以看出，裂纹已扩展至母材深处，这说明在校圆过程中产生了很大的应力，且材料的的脆性较大。图3为其断口形貌，下端为复层一侧，断口光亮，呈现典型的穿晶（解理）脆性断裂特征。从断口看，其剪切唇的厚度约为1mm（上端灰色层）。经检验，未断开筒节的裂纹同样位于复合层刨削后的坡口根部，裂纹长度几乎与纵向焊接接头长度相等，其外露断口特征与图3相同。
2.2 硬度检验及化学成分分析
经检验，母材最高硬度177HB，最低硬度136HB，材料的硬度值合格，因此，可排除母材含有硬脆相的可能。
对其中(个断裂筒节的基层取样进行化学成分分析，结果见表2。与表1对照可知，其化学成分与供应值非常接近，S、P含量也非常低。
2.3 力学性能及金相检验
对断裂的4个筒节各取1块试板制备试样进行力学性能检验，结果见表3。
由于筒节断裂是在基层焊接完成后的校圆阶段发生，当时20台换热器的筒节全部卷制完成。因此，进一步的检验只能在筒体两端的开孔位置取样，筒体上开孔的****直径为φ250mm，故无法进行完整的力学性能试验。取样前重新调整排版图，以便对不同的材料检号取样。
按不同材料检号及规格，共进行了18组试样的冲击试验。结果表明，与断裂的2个筒节具有相同材料检号的另外4个筒节的冲击功全不合格，单值最高为42J，最低为17J。18组试验中有10 组合格，8组不合格，其中数量****的（16+3）mm和（12+3）mm两批钢板试样的冲击功有合格的也有不合格的。此外，对厚度为（16+3）mm和（24+3）mm复合钢板在不同部位取样做冲击试验发现，同一张钢板板头位置试样的横向平均冲击功几乎是板中间部位试样的3倍。对同一部位的纵、横向冲击韧性进行比较试验，结果表明，纵向平均冲击功大约比横向平均冲击功高1倍。
从断裂的筒节上取样进行金相检验，基层16MnR的金相组织除带状组织明显外，未见其它异常，晶粒度为8级。冲击试样的金相组织观察表明，其珠光体呈网状分布，这说明母体组织不均匀，表现为冲击功相差较大（表3）。在扫描电镜下观测到的断口形貌见图4和图5。
从断口的低倍形貌可以看出，裂纹起源于图4中的右侧表面，即复层刨削后的坡口根部位置。从图" 中也可看到这一点，且裂纹起始阶段有明显的撕裂现象，其微观形貌为韧窝特征。其它区域主要为裂纹的快速扩展区，其微观形貌为解理特征，宏观上表现为如图3中的光亮区域。
能谱分析结果也表明，裂纹起源于复层，扩展过程中又从复层穿入基层，最终导致断裂。
2.4 制造工艺
对制造过程的调查分析认为：①筒节校圆时复层尚未焊接，制造工艺要求复层施焊前应将基层坡口两侧大于等于10mm范围内的复层完全剔除，但在实际加工过程中，由于各方面的原因，剔除深度总是很难达到要求，一般小于3mm，最小的不足2mm。剔除宽度也往往达不到要求，一般为4~7mm，该宽度正好处于埋弧焊的焊接热影响区，这一区域组织粗大，性能较差。此外，由于复层剔除深度和宽度不够，导致局部结构尺寸变化大，使坡口根部存在应力集中，电镜观察结果也证明了这一点。②施焊时的环境温度控制不严，可能使材料产生脆性。
综上所述，复合钢板断裂的主要原因是：①材料不合格。分析认为，冲击功不合格与钢板爆炸复合后的热处理工艺以及执行热处理工艺过程中出现的某些偏差有关，如恒温温度或冷却速度不均匀等，表现为其金相组织不均匀，有的区域珠光体呈正常的块状分布，而有的区域珠光体则呈网状分布。相对于铁素体，珠光体相的塑性韧性较低，若其连成网状，则会降低母材组织的冲击韧性。②校圆时复层未焊，复层剔除深度和宽度不够，坡口根部存在应力集中。③施焊时的环境温度较低，增加了材料的脆断敏感性。
3 改进措施及效果
通常情况下，不合格的材料将被判报废。由于该批材料不合格的主要原因是爆炸复合后的热处理工艺及其热处理过程不当，其力学性能中仅0℃冲击功不合格，金相组织观察也未发现过烧等组织缺陷，因此，采用重新进行热处理的办法恢复其组织与性能。
正火是将材料重新加热到完全奥氏体化后空冷的热处理工艺，热处理后可获得新的先共析铁素体和珠光体组织，能切断材料原有组织的遗传性，消除原材料中的粗大组织。为此，进行了正火热处理试验。试验结果表明，采用正火热处理极大地改善了材料的冲击韧性，其各项性能均满足标准要求。
为使正火热处理不降低405复层的耐腐蚀性能，在恒温后的冷却过程中，可使其快速通过敏化温度区间。
由于复层材料405中碳元素的质量分数最高为0.037%，因此，在整个正火过程中，复层不发生相变，其组织性能也不会发生太大的变化。
根据试验结果，对所有进行冲击试验不合格的筒节以及无法进行检验的筒节均进行了正火热处理，正火热处理的工艺参数曲线见图6。
考虑到在正火热处理试验后，材料的抗拉强度已达到标准要求的最低抗拉强度。因此，在制定热处理工艺时，将恒温阶段的温度降低了15℃，以确保材料的强度符合标准要求。
对换热器筒节的正火处理共进行了4炉，每炉带2块母材试板，试板从断裂的筒节上切取。根据由随炉试板制备的试样所做的冲击试验结果，经正火处理后筒节材料的冲击功提高了2~5倍，取得了良好的效果。
4 结语
按以上措施处理后的筒节，在校圆过程中未发生断裂或开裂现象。该20台换热器已如期在现场安装并投产，运行半年来，设备经受住了耐压试验的检验和开工初期压力波动的冲击。
根据文中试验结果，建议将（16MnR+405）复合钢板的交货状态改为正火状态。在复合钢板爆炸焊接中，应严格按标准规范要求执行。用复合钢板制造各种设备时，刨削复合层要彻底。控制焊接环境温度，使其超过5℃，以避免材料产生低温脆断。 |
