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摘要： 球形罐体焊接后产生的环形焊缝会影响到罐体的安全性。就设备在安装过程中出现的球形罐体环形焊缝裂纹的产生原因作深入研究和探讨。并提出防止球形罐体环形焊缝产生焊接裂纹的一些措施。经过现场施工的验证，这些措施都能较好的解决问题，从而保证球形罐体的制造质量，也大大降低事故发生率。
关键词： 球形罐体；环形焊缝裂纹；对策研究
中图分类号：TG441文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510090－01
0 引言
球形罐体环形焊缝裂纹大部分产生于近缝区及焊缝金属中，大多是通过微观裂纹的形式产生于焊缝和近缝区内部，但是，有时从宏观上也可以观察到这种裂纹。通过实践可知，宏观裂纹存在时微观裂纹也必存在，一般而言，裂纹的开口位移很长且均有尖锐端头，是一种阔比率很高的非连续性断裂型裂纹。裂纹问题特别复杂，即使产生形态一样，其产生的机理也未必相同。一般按环形焊缝裂纹产生的机理来分，主要可分为热裂纹和冷裂纹。本文重点分析了环形焊缝热裂纹和冷裂纹产生的原因。
1 环形焊缝热裂纹的产生原因
焊缝热裂纹是高温下在焊缝热影响区和焊缝金属中产生的一种沿晶裂纹。焊接时，合金元素发生成分偏析或存在低溶共晶体化合物都会导致热裂纹的产生。高温下热裂纹的形成判断准则是：观察裂纹的断口表面有无光泽，是否呈氧化色。 其产生原因一般有以下几个方面。
1.1 焊缝中金属成分存在的影响
钢材中大量存在C、S、P、H等元素，它们形成低溶共晶体化合物易导致结晶偏析，在焊缝中呈不均匀分布，在焊缝金属的结晶过程中通常会聚集于最后的凝固部位及焊缝的中心，通过液相薄膜的形成而最终保留下来，通过焊接收缩应力的作用，液相薄膜被拉开，导致裂纹产生。
1.2 各种工艺因素的影响
1.2.1 焊接速度。焊接时如果焊接速度过慢产生的后果有：增加高温停留时间；增加热影响区的宽度；增大变形量；使焊的接头的晶粒变粗，机械性能随之下降。若焊接速度过快会导致熔池温度不够高，因而会造成未熔合、未焊透、焊缝成型不良。若焊接的线能量一定，焊接速度提高，裂纹产生几率也随之提高。这是由于焊接速度提高之后，熔池长度也随之提高，而焊缝宽度会随之减少，因此，焊缝深度和宽度的比在变大，焊缝形状系数也在变化，从而提高裂纹产生几率。
1.2.2 装配间隙。不同的球形罐体其组装方法也不尽相同，这会导致球形罐体环形焊缝在对接时的间隙大小不一。环形焊缝在焊接过程中其坡口下侧温度会低于上侧，这将削弱焊缝中心的吸热作用，并加大熔池中心部位的焊缝金属凝固时间；在装配过程中，由于卡具部位产生的附加拘束应力作用，焊缝会在最热和最薄的断面处应力发生集中；在结晶过程中，环形焊缝从焊根间隙的某处开裂开始，经焊缝的表面向其内部逐渐扩展。
1.2.3 焊接顺序。焊接顺序在很大程度上会影响着焊接结构的变形。如果焊接顺序正确则焊接变形即可通过自由收缩而相互抵消；若焊接顺序不正确，则焊接变形将会发生互相叠加现象。因此，为了减少焊接变形，最好选用对称焊接，从而使由焊缝引起的变形能够相互抵消。
1.2.4 装配卡具。卡具安装在球形罐体的实际施焊过程中同样非常重要。在施工过程中经常采用点固焊及装配卡具等一些刚性拘束来完成球形罐体环形焊缝的组装工作。而当焊接工作开始后，若点固焊发生遇热变形而突然失效是，将增大热裂纹的产生几率。
1.2.5 焊缝系数。图1为X形坡口示意图。球形罐体环形焊缝对接一般采选用X形的对称坡口，其小坡口一般在内侧，而大坡口在外侧。因而，可以在焊完大坡口之后，进而对小坡口进行焊接和清根着色。
2 环形焊缝冷裂纹的产生原因
环形焊缝冷裂纹一般发生的温度区间是：焊接完成后温度下降到马氏体转变点（即Ms）左右200～300℃以下。由于其产生存在时间性，有可能在焊接完成后立马产生，也可能潜伏数小时、数天、甚至更长的时间才产生，因而，又称延迟裂纹。下面重点分析其产生原因。
2.1 线能量。焊接线能量是焊接过程中发生的各种热现象的一个重要影响因素。其一般通过影响峰值温度的分布、冷却速度和凝固时间等从而影响金属焊接接头的某些冶金特性和力学性能。
2.2 焊缝金属的含氢量。焊接过程中焊缝金属吸附外界的氢和焊缝母材中原有的氢是焊接冷裂纹产生的主要因素，其与坡口表面和附近的锈蚀、油污，焊接环境，焊接材料的类型和干燥条件等均有很大关系，焊接工艺也会影响到焊缝金属的含氢量。
2.3 后热。厚截面较大的球形罐体环形焊缝在焊接工作完成之后应考虑后热。采取后热的温度不够、没有采取适当的后热措施或后热保温不佳，都会在多道多层焊缝中产生横向裂纹。
2.4 焊接顺序。焊接的理想顺序应该是：前层焊道彼此重叠，次层焊道的热循环基本上能覆盖到前层焊道的过热区。因此，在进行分层焊时，若不严格控制后热的配合或层间温度，氢会逐层积累，根部焊缝的应力应变会发生集中，将会提高延迟裂纹的发生几率。
2.5 预热温度。焊前预热非常重要，是防止低合金钢球形罐体环形焊缝裂纹的最有效的措施之一。预热的主要目标是使焊缝的冷却速度减慢，从而改变热影响区组织，消除（减少）焊缝中的扩散氢含量，最终降低母材和焊缝的温度梯度，减少拘束应力。然而，在实际的生产过程中，预热温度高低不一、不能持续完成环形焊缝焊接工作、重新焊时不能采取正确的措施，都将会造成预热温度高于层间温度，从而产生淬硬组织，导致冷裂发生几率增大。
3 球形罐体环形焊缝产生焊接裂纹的预防措施
① 尽力降低氢的来源；② 最好选用对热裂纹和冷裂纹不敏感的材料，即采用质量优良的母材；③ 选用合适的后热时间及后热温度；④ 选用合适的焊前预热温度及预热范围；⑤ 选用适当的线能量；⑥ 在焊接过程中保持合适的层间温度；⑦ 采用正确的焊接顺序；⑧ 降低错边和角变形的发生几率，努力避免产生工艺缺陷。
4 结论
通過以上球形罐体环形焊缝的热裂纹和冷裂纹产生原因的深入探讨，提出了若干防止球形罐体环形焊缝产生焊接裂纹的措施。通过采取以上措施，各方面协调一致，严把焊接工序关，不但可达到球形罐体的使用要求，同时也大大降低了事故发生率，从而能获得满意的球形罐体使用的安全性。
参考文献：
[1]李志刚、夏兰亭，浅析球罐环焊缝裂纹产生的原因及防止措施[J].安装，1998年，第四期.
[2]刘振干、周红普、胡彬彬，在用球罐的裂纹分析及修复[J].石油工程建设，2009年，第2期.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词： 球形罐体；环形焊缝裂纹；对策研究
中图分类号：TG441文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510090－01
0 引言
球形罐体环形焊缝裂纹大部分产生于近缝区及焊缝金属中，大多是通过微观裂纹的形式产生于焊缝和近缝区内部，但是，有时从宏观上也可以观察到这种裂纹。通过实践可知，宏观裂纹存在时微观裂纹也必存在，一般而言，裂纹的开口位移很长且均有尖锐端头，是一种阔比率很高的非连续性断裂型裂纹。裂纹问题特别复杂，即使产生形态一样，其产生的机理也未必相同。一般按环形焊缝裂纹产生的机理来分，主要可分为热裂纹和冷裂纹。本文重点分析了环形焊缝热裂纹和冷裂纹产生的原因。
1 环形焊缝热裂纹的产生原因
焊缝热裂纹是高温下在焊缝热影响区和焊缝金属中产生的一种沿晶裂纹。焊接时，合金元素发生成分偏析或存在低溶共晶体化合物都会导致热裂纹的产生。高温下热裂纹的形成判断准则是：观察裂纹的断口表面有无光泽，是否呈氧化色。 其产生原因一般有以下几个方面。
1.1 焊缝中金属成分存在的影响
钢材中大量存在C、S、P、H等元素，它们形成低溶共晶体化合物易导致结晶偏析，在焊缝中呈不均匀分布，在焊缝金属的结晶过程中通常会聚集于最后的凝固部位及焊缝的中心，通过液相薄膜的形成而最终保留下来，通过焊接收缩应力的作用，液相薄膜被拉开，导致裂纹产生。
1.2 各种工艺因素的影响
1.2.1 焊接速度。焊接时如果焊接速度过慢产生的后果有：增加高温停留时间；增加热影响区的宽度；增大变形量；使焊的接头的晶粒变粗，机械性能随之下降。若焊接速度过快会导致熔池温度不够高，因而会造成未熔合、未焊透、焊缝成型不良。若焊接的线能量一定，焊接速度提高，裂纹产生几率也随之提高。这是由于焊接速度提高之后，熔池长度也随之提高，而焊缝宽度会随之减少，因此，焊缝深度和宽度的比在变大，焊缝形状系数也在变化，从而提高裂纹产生几率。
1.2.2 装配间隙。不同的球形罐体其组装方法也不尽相同，这会导致球形罐体环形焊缝在对接时的间隙大小不一。环形焊缝在焊接过程中其坡口下侧温度会低于上侧，这将削弱焊缝中心的吸热作用，并加大熔池中心部位的焊缝金属凝固时间；在装配过程中，由于卡具部位产生的附加拘束应力作用，焊缝会在最热和最薄的断面处应力发生集中；在结晶过程中，环形焊缝从焊根间隙的某处开裂开始，经焊缝的表面向其内部逐渐扩展。
1.2.3 焊接顺序。焊接顺序在很大程度上会影响着焊接结构的变形。如果焊接顺序正确则焊接变形即可通过自由收缩而相互抵消；若焊接顺序不正确，则焊接变形将会发生互相叠加现象。因此，为了减少焊接变形，最好选用对称焊接，从而使由焊缝引起的变形能够相互抵消。
1.2.4 装配卡具。卡具安装在球形罐体的实际施焊过程中同样非常重要。在施工过程中经常采用点固焊及装配卡具等一些刚性拘束来完成球形罐体环形焊缝的组装工作。而当焊接工作开始后，若点固焊发生遇热变形而突然失效是，将增大热裂纹的产生几率。
1.2.5 焊缝系数。图1为X形坡口示意图。球形罐体环形焊缝对接一般采选用X形的对称坡口，其小坡口一般在内侧，而大坡口在外侧。因而，可以在焊完大坡口之后，进而对小坡口进行焊接和清根着色。
2 环形焊缝冷裂纹的产生原因
环形焊缝冷裂纹一般发生的温度区间是：焊接完成后温度下降到马氏体转变点（即Ms）左右200～300℃以下。由于其产生存在时间性，有可能在焊接完成后立马产生，也可能潜伏数小时、数天、甚至更长的时间才产生，因而，又称延迟裂纹。下面重点分析其产生原因。
2.1 线能量。焊接线能量是焊接过程中发生的各种热现象的一个重要影响因素。其一般通过影响峰值温度的分布、冷却速度和凝固时间等从而影响金属焊接接头的某些冶金特性和力学性能。
2.2 焊缝金属的含氢量。焊接过程中焊缝金属吸附外界的氢和焊缝母材中原有的氢是焊接冷裂纹产生的主要因素，其与坡口表面和附近的锈蚀、油污，焊接环境，焊接材料的类型和干燥条件等均有很大关系，焊接工艺也会影响到焊缝金属的含氢量。
2.3 后热。厚截面较大的球形罐体环形焊缝在焊接工作完成之后应考虑后热。采取后热的温度不够、没有采取适当的后热措施或后热保温不佳，都会在多道多层焊缝中产生横向裂纹。
2.4 焊接顺序。焊接的理想顺序应该是：前层焊道彼此重叠，次层焊道的热循环基本上能覆盖到前层焊道的过热区。因此，在进行分层焊时，若不严格控制后热的配合或层间温度，氢会逐层积累，根部焊缝的应力应变会发生集中，将会提高延迟裂纹的发生几率。
2.5 预热温度。焊前预热非常重要，是防止低合金钢球形罐体环形焊缝裂纹的最有效的措施之一。预热的主要目标是使焊缝的冷却速度减慢，从而改变热影响区组织，消除（减少）焊缝中的扩散氢含量，最终降低母材和焊缝的温度梯度，减少拘束应力。然而，在实际的生产过程中，预热温度高低不一、不能持续完成环形焊缝焊接工作、重新焊时不能采取正确的措施，都将会造成预热温度高于层间温度，从而产生淬硬组织，导致冷裂发生几率增大。
3 球形罐体环形焊缝产生焊接裂纹的预防措施
① 尽力降低氢的来源；② 最好选用对热裂纹和冷裂纹不敏感的材料，即采用质量优良的母材；③ 选用合适的后热时间及后热温度；④ 选用合适的焊前预热温度及预热范围；⑤ 选用适当的线能量；⑥ 在焊接过程中保持合适的层间温度；⑦ 采用正确的焊接顺序；⑧ 降低错边和角变形的发生几率，努力避免产生工艺缺陷。
4 结论
通過以上球形罐体环形焊缝的热裂纹和冷裂纹产生原因的深入探讨，提出了若干防止球形罐体环形焊缝产生焊接裂纹的措施。通过采取以上措施，各方面协调一致，严把焊接工序关，不但可达到球形罐体的使用要求，同时也大大降低了事故发生率，从而能获得满意的球形罐体使用的安全性。
参考文献：
[1]李志刚、夏兰亭，浅析球罐环焊缝裂纹产生的原因及防止措施[J].安装，1998年，第四期.
[2]刘振干、周红普、胡彬彬，在用球罐的裂纹分析及修复[J].石油工程建设，2009年，第2期.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文