大型钢包焊接结构失效机理分析

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　　通过新旧钢包结构对比、应力分析和显微组织及金相等进行对比分析，得出钢包失效的主要原因是裂纹所致，进而研究裂纹的特征及类型，并由此分析产生热疲劳裂纹的机理及其影响因素。

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　　关键词：钢包 焊接结构 裂纹机理 分析

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　　0前言

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　　宝钢目前在用钢、铁包总数为78台，其中钢水包为63台，铁水包为15台。第一批钢包、铁包全部由日本进口。通过对这些服役过的钢水包进行分析，发现进口的钢包寿命比国产的长，但均少于15年。二者主要缺陷是裂纹。

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　　1新旧钢包焊接结构简介

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　　宝钢一二期工程中曾大量使用的日本钢包及国产仿制钢包均为T型角焊缝平底结构，即包壁与包底为“T”型焊接接头。如图1.1所示。主要结构特征为平板底采用T型接头与钢包筒体相连。这种老式结构设计上存在明显缺陷，在钢包工作过程中，钢包筒体与平板底连接处的内壁将产生非常大的附加拉伸应力，其主要原因为刚性极大的平底与刚性较小的筒体在连接处的变形不协调。因而开裂从钢包内壁开始，老式钢包，往往在裂纹扩展较深后才被发现。

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　　新型钢包的最大结构改进为将平底板改为带圆弧折边的平底，将T型角焊缝焊接结构改为对接焊接结构。新型钢包结构如图1.2所示。

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　　1.1 新钢包外表裂纹

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　　一炼钢5＃钢包为新型钢包。于2000年1月投入使用，累计运行约3500炉次，2004年2月初在钢包配重一侧，筒体与平底圆弧过渡段对接焊接焊缝处发现断续浅表面裂纹，其中焊缝上热影响区裂纹断续长约30mm，焊缝下热影响区裂纹总长约2800mm。

　　2 钢包裂纹类型判别

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　　新型钢包开裂部位与老式钢包有明显不同，但两者的裂纹走向均为沿环焊缝纵向发展。

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　　老式钢包开裂是因结构设计不合理导致在钢包筒体内表面与平板底T型焊缝处产生大应变低周疲劳开裂失效——应变疲劳。疲劳开裂主要原因有二，一为钢包局部存在较大的附加应力，二为钢包的工作是间断性的，这两者相结合使得钢包局部产生较大的周期性应力波动，大大降低了材料的抗疲劳性能。

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　　新型钢包经局部结构改进，大大降低了钢包内表面的循环应力幅，但其筒体与底封头连接处外表面的轴向应力却有可能由负值变为正值。

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　　无论是老式钢包还是新型钢包，由于其载荷都是周期循环的，钢包各处应力也是周期波动的，从空钢时的应力近似为零到盛满钢水后的最大应力，又回到空钢包应力近似为零，因而新型钢包同样存在疲劳寿命问题，对于特定的材料和工作温度，只要钢包中应力波动幅度达到某一值，就可能引起疲劳裂纹的萌生，并扩展为宏观裂纹直至钢包开裂失效。

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　　因新钢包表面裂纹为多源裂纹，与老式钢包内表面裂纹形态具有明显不同，所以，新型钢包外表面裂纹不是机械疲劳或至少可以说不是单纯的机械疲劳，属于热疲劳裂纹或机械疲劳与热疲劳联合作用的结果。

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　　3 钢包底部连接部位有限元应力分析

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　　为探明钢包出现裂纹的力学原因，利用有限元法对钢包底部结构进行数值应力分析。依钢包实情，采用国际通用有限元分析ANSYS软件对钢包各部位进行应力分析，并采用分析设计的观点对钢包底部焊缝部位进行详细的应力计算。有限元分析过程略。其结论与上述分析基本一致。

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　　4 5#钢包外表裂纹综合分析

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　　4.1 热疲劳裂纹的进一步判别

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　　5＃钢包外表面裂纹显微组织形貌可以看出，其外表面裂纹具有典型热疲劳(腐蚀热疲劳)裂纹特征。中的热疲劳裂纹比较，发现裂纹为穿晶扩展，端部尖锐，与腐蚀热疲劳裂纹金相组织形貌几乎一致。钢包外表裂纹与典型热疲劳裂纹金相显微形貌进行对比，可知，其外表裂纹确为热疲劳裂纹，裂纹显微组织形貌中热疲劳裂纹特征明显。

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　　4.2 5＃钢包热疲劳裂纹产生原因初步分析

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　　4.2.1 新型钢包的优点

　　有限元对新钢包应力分析结果表明，不考虑温度的影响，仅机械载荷发生作用下，在钢包内表面环焊缝处的最大轴向应力降到48.76MPa，仅为老式钢包的最大应力的1/10，从受力和最大应力角度考虑，新型钢包结构比老式钢包结构更为合理，可有效避免由于局部机械应力过大引起材料发生低周疲劳失效，消除了老式钢包内壁T型接头上部机械疲劳开裂的隐患。

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　　T型角焊结构是老式钢包另一结构缺陷。因平底厚度达80mm，难以保证焊接质量，焊接接头的疲劳强度也较低。新型钢包将T型角焊缝改为对接焊缝，大大提高了焊接接头的疲劳强度。

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　　4.2.2 新型钢包之不足

　　(1)新型钢包采用带圆弧折边过渡的平板底结构是合理了，但由于平底厚度达80mm，折边加工极为困难，制造厂采用分段加热半机械化折弯方法，难以保证加工质量。

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　　(2)为了与厚仅为32mm的钢包筒体对接焊，新型钢包折边由80mm过渡到焊缝处的32mm采用双面削薄处理，按照GB159-98《钢制压力容器》要求，削薄长度应大于3×（80-32)/2=72mm，5#钢包双面削薄长度接近该最小削薄长度，局部应力集中较大，且焊缝紧靠削薄处，这种结构对焊缝疲劳极为不利。

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　　(3)新型钢包还有一个十分不利的结构设计，就是钢包外表面焊缝易受高温钢水的烘烤，钢水的高温辐射会使钢包倾倒一侧外筒体壁温急剧升高，加速材料的高温老化，尤其容易引起焊缝熔合区和热影响区热疲劳损伤，萌生裂纹，缩短钢包使用寿命。5#钢包外表面环焊缝有几处挂渣也说明此处确实有受到高温影响的可能性。

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　　4.2.3 5#钢包热疲劳裂纹产生原因

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　　5#钢包外表裂纹部位显微组织形貌如图4.2，裂纹处20g钢钢包材料组织已发生明显变化，金相组织分析照片中珠光体区域已难以找到，材料发生了极为严重的珠光体球化，说明钢包环焊缝外表面经常达到较高温度，大大超过老式钢包一般认为的360℃。这一结论也可从钢包裂纹部位硬度测试结果得到佐证，测得的硬度值明显低于20g钢正常硬度。说明该部位材料珠光体球化较为严重，研究表明，20g钢珠光体球化将会明显降低材料的强度和硬度。

　　表4.1 20号钢珠光体球化参考级别

　　项名 球化级别 组织特征

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　　完全球化 第五级 珠光体形态已消失，球状化碳化物分布在晶界及铁素体基体上，分散度较大严重球化 第六级 晶界及铁素体基体上的碳化物已逐渐长大，分散度大

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　　完全球化(第五级) 严重球化(第六级)

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　　根据前述对热疲劳的影响因素分析可知，碳化物的析出，尤其在晶界上的聚集将降低材料的热疲劳强度，因而5#钢包外表面材料严重珠光体球化，将会使其热疲劳寿命大大缩短。

　　4.2.4 焊缝先于母材萌生裂纹的原因

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　　5#钢包外表产生裂纹部位有两大特征，环向特征为裂纹均产生在倾倒钢水一侧的具有配重部位，前已述及这很可能与炽热钢水辐射造成钢包材料损伤有关。

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　　高度方向特征为裂纹均产生在焊缝熔合区和热影响区，且以焊缝下部居多，这与焊接过程中引起的材料组织劣化和性能退化有密切关系，而且焊缝下侧热影响区又处于钢包筒体与平底折边壁厚不等之过渡处，该处无论是机械应力还是热应力都存在较大应力集中或边缘附加应力。

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　　5 结论

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　　5＃新型钢包筒体裂纹产生在外表面环焊缝处为热疲劳裂纹，与老式钢包表面开裂位置完全不同，具有较大的隐蔽性，无损检测难以发现，本次是采用现场复膜金相技术发现的。

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　　产生热疲劳裂纹的主要原因有：

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　　(1)筒体内外表面温差较大，在筒体外壁处产生的拉伸热应力具有循环波动特征；

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　　(2)开裂焊缝上部筒体外侧焊有与筒体等厚的配重，焊缝下部是带折边的平底，折边厚度从筒体壁厚2倍通过削薄过渡到与筒体等厚，使筒体焊缝附近的冷却速度差别大，焊缝附近垂直方向分布不均匀，在焊缝产生附加拉伸热应力。

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　　(3)炽热钢水倾倒时对钢包筒体有高温热辐射影响，导致无配重阻隔的钢包筒体材料组织发生劣化及性能退化，大大降低了受影响的筒体焊接接头部位的机械疲劳强度和热疲劳强度，促进了钢包热疲劳裂纹的萌生与扩展。

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　　(4)由于焊缝熔合区及热影响区材料晶粒粗大，性能脆化，且筒体环焊缝处于筒体与不同厚度平底折边过渡段之连接处，因而发现的细小热疲劳裂纹多在焊缝下熔合区及热影响区。【MechNet】

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