换热器膨胀节_关于换热器膨胀节裂纹的原因分析
时间：2019-04-11 03:20:11 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要：本文通过对某换热器膨胀节制造过程中产生裂纹的原因分析:在没有外载的情况下,膨胀节产生裂纹的主要原因是制造过程中没有很好地执行工艺,同时也说明了对膨胀节制造过程应加强质量控制的必要性。
关键词：换热器 膨胀节 裂纹 质量控制
1、引言
某单位制造了一台带有膨胀节的换热器,在膨胀节与筒体连接的对接焊缝焊完后不久,即在焊缝热影响区发现了一条300mm长的贯穿裂纹。在修补该裂纹时,裂纹又沿着周向扩展到大约960mm长。针对该膨胀节的焊缝产生裂纹的现象,我们做了必要的试验并对可能造成裂纹产生的各个环节进行了分析。
2、试验与分析
2.1 膨胀节的材料
经过审查膨胀节壳体材料的质量证明书和检验记录,确定其材料为Q345R,经过具体的理化性能试验看出,原材料质量证明书上的化学成份与复验的化学成份基本相同,说明材料没有用错,但是材料的力学性能出入较大,尤其是冲击功数据。
2.2 硬度测定
对膨胀节的母材及焊缝热影响区做了硬度（HB）测定,结果显示,焊缝热影响区的硬度大于母材的硬度,说明焊缝热影响区由于淬火作用而发生硬化,这使得初始裂纹顶端附近的断面韧性下降,对断裂强度影响很大。
2.3 膨胀节的压型制造
该膨胀节的成型方法是用一个圆环整体压制而成。制造工艺过程要求:先将圆环加热,翻内孔（即φ819mm的孔）,然后把下模翻转,下面朝上,冷压圆环外孔（即φ1186mm的孔）,成型后进行正火处理。
经核查,该膨胀节制造时没有完全执行制造工艺,而是先冷压,在压制过程中胎具破裂,就直接用火焰加热压制,由于火焰加热的时间及温度很难控制,压制后又没有经过正火处理,致使其产生了较大的热应力、组织应力和内应力,这些残余应力应是导致裂纹产生的主要原因。
2.4 膨胀节的焊接工艺
膨胀节与筒体组焊的焊接工艺为:采用手工电弧焊,焊条为E5015（结507）、φ3.2mm,焊接电流为90～130A,焊接电压为22～28V,焊接速度控制在150～250mm/min[3]。
2.5 断口分析
裂纹产生在膨胀节上,距焊缝熔合线2mm左右,断口附近的材料没有明显的变形,断口平齐,具有明亮的光泽,呈晶状断口,这表明为脆性断裂。
2.6 金相分析
经对膨胀节裂纹处进行金相分析。其金相组织为珠光体和少量的铁素体,晶粒度为5级,并有0.5级硫化物及1.5级氧化物夹杂物。从显微组织可以看出,该处是过热组织,晶粒有长大倾向,并产生少量魏氏体组织,该组织的出现使材料的塑性和韧性显著下降,根据cottrell理论[1]提出的临界条件:
σf≥2μrd-1/2/ksy (1)
式中:σf—断裂临界应力;μ—剪切弹性模量;r—表面能;d—晶粒尺寸,晶粒度;
ksy—与晶粒度有关的材料常数,代表一个晶粒屈服之后,使邻近晶粒屈服所需增加的剪应力量。
从以上分析可以看出,当其它条件不变时,随晶粒尺寸d的增大,断裂临界应力σf下降,因而发生脆性断裂危险增加。
2.7 膨胀节焊接的残余应力分析
膨胀节的直径与壁厚之比较大,其环缝中的应力分布与平板对接相类似,即焊缝区会发生轴向缩短和周向收缩,从而引起剪力Q和弯矩M增大,其结果是使膨胀节中产生轴向的残余应力σx及周向的残余应力σt。
2.8 膨胀节的焊接变形
2.8.1 横向收缩变形
在焊接结构中,横向收缩比纵向拘束形成较大的拘束应力,导致产生裂纹。由于实际板厚B为8mm,小于临界板厚Bc,因此冷却后膨胀节的横向收缩可由下式[1]计算:
ΔW=αq/CρB （2）
式中:ΔW—横向收缩;α—线膨胀系数,取10.76×10-6mm/mm℃;
q—线能量,取16000J/cm;C—比热,取0.12J/g℃;ρ—密度,取7.85g/cm3。
将各值代入上式得:
ΔW=2.38mm 说明膨胀节焊缝冷却后的横向收缩量为2.38mm。
2.8.2 角变形
除了产生横向收缩变形外,母材还会产生角变形,由于沿板厚方向加热不均匀,塑性变形不同,横向收缩不一致,于是板件将以焊缝为轴心转动而产生角变形,其角变形可用下式[1]求得:
β=0.0176tgα/2 (3)
式中:β—角变形;α—V形坡口角度,取60°。
将该值代入上式得:β=0.01
说明膨胀节的焊缝冷却后产生了0.01弧度的角变形,其变形很小。
2.9 质量管理分析
从质量管理的角度,经调查分析,发现该膨胀节制造过程中,未能严格执行工艺纪律,车间施工人员和专职检验员也未在过程中进行跟踪督促检查或者中间环节的巡查,只是在每一个工序完成后进行完工检验;没有对工人进行定期的培训,以提高工人的质量意识、自觉性和责任感。
质量保证体系责任人员也应该深入到制造现场对质量体系的运行、产品重要零部件的组焊等重要环节,在制造过程中进行有效地监督检查,使质量保证体系在制造单位能够得到有效的贯彻并实施,真正做到:有法可依,有法必依,使产品质量得到有效地控制。
3、结语
从以上的试验与分析中可得出如下结论:该膨胀节产生裂纹的主要原因是该膨胀节在制造过程中没按照制造工艺进行制造,热成形后没有正火处理,使其具有了较大的残余应力;在焊接接头中,热影响区又存在着较高的残余拉伸应力,同时此区也是材料性能发生变化的区域,加上热应变时效脆化的影响,最终促使材料产生了脆性断裂。
综上所述,膨胀节的制造必须严格执行产品工艺及焊接工艺,同时,也充分说明了对膨胀节等重要零部件制造过程实行过程质量检验控制的必要性。
参考文献
[1] 孟广哲,贾安东.焊接结构强度的断裂.机械工业出版社,1986年.
[2]（日）铃木春义.钢材的焊接裂纹.机械工业出版社,1981年.
[3] 罗晓明.特种设备焊接技术.机械工业出版社,2008年.
