厚壁12Cr1MoVG裂纹分析与控制

厚壁12Cr1MoVG钢焊接接头 裂纹及其控制 A l i d C lli f C k i W ld d J i fAnalysis and Controlling of Crack in Welded Joint of Thick Walled Steel 12Cr1MoVG 苏州热工研究院 陈忠兵博士苏州热工研究院 陈忠兵博士 1 摘要摘要 通过理化检验、电镜观察和有限元计算 研究厚壁12Cr1MoVG钢接头裂通过理化检验、电镜观察和有限元计算，研究厚壁12Cr1MoVG钢接头裂 纹性质及其原因。结果表明，裂纹起裂于热影响区粗晶区，由粗晶区向 细晶区扩展并终止于细晶区 裂纹区域可观察到宏观裂纹 微裂纹和空细晶区扩展并终止于细晶区；裂纹区域可观察到宏观裂纹、微裂纹和空 穴三种不同缺陷形貌。根据裂纹产生的时间、位置、过程和形貌特征， 可以判断该裂纹为焊接再热裂纹 三通母材混晶组织降低接头塑性储备可以判断该裂纹为焊接再热裂纹。三通母材混晶组织降低接头塑性储备 ，焊后热处理温度场不合理使接头存在较高残余应力，是该裂纹产生的 主要原因。对于厚壁12Cr1MoVG钢，优化热处理工艺以提高接头应力集 中处材料临界塑性变形能力εc，工程中采取措施降低该处的塑性变形量εp ，使εc>εp，以有效避免接头再热裂纹的产生。 关键词： 12Cr1MoVG钢；厚壁件；焊接接头；焊后热处理；再热裂纹 2 主要内容报告主要内容 厚壁12C 1M VG接头裂纹性质 厚壁12Cr1MoVG接头裂纹性质  厚壁12Cr1MoVG接头裂纹产生原因 厚壁12Cr1MoVG接头裂纹产生原因  厚壁12Cr1MoVG接头裂纹控制参量及影响因素 关键词：厚壁件，焊接接头， 12Cr1MoVG钢， 裂纹，控制参量 3 0 前言0 前言 我国火电机组材料发展动向 我国火电机组材料发展动向：  采用新型耐热钢：如T/P91、T/P92等；采用新型耐热钢 如 等；  传统耐热钢：壁厚增加，性能指标提高，成分微调。  壁厚增加对传统耐热钢的影响：  冶炼要求、加工性能、力学性能等  焊接工艺、接头性能 焊接工艺、接头性能 4 壁厚增加对焊接工艺、接头性能的影响壁厚增加对焊接工艺、接头性能的影响 残余应力大小 分布 应力状态 t 断裂 残余应力大小、分布；应力状态； t8/5；断裂 韧度；疲劳强度；扩散氢；焊接工艺；韧度；疲劳强度；扩散氢；焊接工艺；…….  不同材料，壁厚增加影响程度并不相同。 5 厚壁12Cr1MoVG接头裂纹有待进一步研究厚壁12Cr1MoVG接头裂纹有待进 步研究 6 1 裂纹特征1 裂纹特征  材料：12Cr1MoVG 材料：12Cr1MoVG， P12、P91等无  位置：三通焊缝下边缘 近熔合线母材上近熔合线母材上  起裂点与扩展方向：从 三通肩部焊缝处起裂， 向三通腹部方向扩展向三通腹部方向扩展  时间：焊后热处理后， 锅炉冲管后 7 裂纹试样截取裂纹试样截取  试样选取：裂纹具有明确产生时间与起源位置(裂纹焊后 试样选取：裂纹具有明确产生时间与起源位置(裂纹焊后 热处理后发现，位于三通肩部，取样前长120mm)。  取样方法：手持砂轮机机械挖取，取样过程中始终保持试 样温度手触不烫样温度手触不烫。 三通母材试样 接头熔合线附近试样 8 2 试样检验与分析------2.1 化学成分2 试样检验与分析 2.1 化学成分 9 2 试样检验与分析------2.2 显微硬度测量2 试样检验与分析 2.2 显微硬度测量 10 2 试样检验与分析------2.3 金相组织检查2 试样检验与分析 2.3 金相组织检查 结果：结果： 存在混晶组织； 不同区域组织存在差异； 焊缝金相组织正常。 11 2 试样检验与分析------2.4 裂纹光镜观察2 试样检验与分析 2.4 裂纹光镜观察 12 2 试样检验与分析------2.4 裂纹光镜观察2 试样检验与分析 2.4 裂纹光镜观察 13 2 试样检验与分析------2.5 裂纹电镜观察2 试样检验与分析 2.5 裂纹电镜观察 Element Wt% At% OK 23.63 51.87 VK 00.38 00.26 CrK 01.50 01.01 FeK 74.50 46.86 Matrix Correction ZAF 14 15 16 3 裂纹性质分析：再热裂纹3 裂纹性质分析：再热裂纹 （1）时间 该裂纹产生于焊后热处理高温过程中 （1）时间：该裂纹产生于焊后热处理高温过程中。  （2）位置与形貌：该裂纹具有典型的传统Cr-Mo- （2）位置与形貌：该裂纹具有典型的传统Cr Mo V耐热钢再热裂纹位置和形貌特征。  （3）过程：该裂纹的形成过程符合传统Cr-Mo-V 耐热钢再热裂纹生成的一般规律。 17 4 原因分析4 原因分析 1) 12C 1M VG材料本身具有较强的再热裂纹敏感 1) 12Cr1MoVG材料本身具有较强的再热裂纹敏感 性性  2) 接头母材的塑性储备较低（εc较低）  3) 接头焊后热处理过程中存在较高的残余应力， 材料的塑性变形量εp较高。 小孔法测量，应力166-189MPa. 有限元分析 满足 ε＜ε 时 接头即产生再热裂纹满足 εc＜εp 时，接头即产生再热裂纹 18 5 12Cr1MoVG接头裂纹控制参量影响因素5 12Cr1MoVG接头裂纹控制参量影响因素 控制参量 控制参量： 临界塑性变形能力ε临界塑性变形能力εc 该局部区域塑性变形量εp  裂纹产生条件： εc＜εp时，产生再热裂纹 19 应力过大导致SRC例应力过大导致SRC例 20 应力过大导致SRC例应力过大导致SRC例 6 m 21 6 结论6 结论  1）所分析裂纹，具有传统CrMoV耐热钢再热裂纹的产生时间、位置、过程与 1）所分析裂纹，具有传统CrMoV耐热钢再热裂纹的产生时间、位置、过程与 形貌的典型特征，可以确定该裂纹为焊接再热裂纹。  2）该再热裂纹产生的原因，除了12Cr1MoVG材料本身具有一定的再热裂纹 2）该再热裂纹产生的原因，除了12Cr1MoVG材料本身具有 定的再热裂纹 敏感性，接头母材混晶组织导致塑性储备较低，三通结构和焊接工艺原因使 接头焊后热处理过程中存在较高的残余应力，是导致接头裂纹的主要原因。接头焊后热处理过程中存在较高的残余应力，是导致接头裂纹的主要原因。  3）提高厚壁件材料质量，以提高该材料的临界塑性变形能力εc，采取工艺措 施降低工程中材料的塑性变形量ε ，保证ε＞ε ，是避免具有再热裂纹倾向厚施降低工程中材料的塑性变形量εp，保证εc＞εp，是避免具有再热裂纹倾向厚 壁管道接头开裂的技术关键。  4）以下问值得进一步研究： 4）以下问题值得进 步研究： 12Cr1MoVG钢热处理工艺对其临界塑性变形能力εc的影响； 三通焊接接头局部焊后热处理温度场与应力场特性三通焊接接头局部焊后热处理温度场与应力场特性。 22 三通焊接接头焊后热处理温度场、应力场三通焊接接头焊后热处理温度场、应力场 焊后热处理工艺 焊后热处理工艺： 以焊缝为中心，以焊缝为中心， 上下等功率布置加热装置， 过渡段布置辅助加热装置， 70℃/h升温至720℃恒温。 23 温度场：温度场： 24 应力场 支管径向应力、周向应力应力场____支管径向应力、周向应力 25 应力场 支管轴向应力应力场____支管轴向应力 26 应力场 等效应力应力场____等效应力 27 壁厚对温度场和应力场的影响壁厚对温度场和应力场的影响 28 陈忠兵陈忠兵 苏州热工研究院有限公司苏州热工研究院有限公司 苏州市西环路1788号, 215004苏 环 号, QQ: 1059792606 手机手机：139 1407 3512 E mail: czbing2000@hotmail comE-mail: czbing2000@hotmail.com 29