論壓力管道焊接裂紋產(chǎn)生機理分析及預(yù)防

李昕，曲直

（盤錦市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，遼寧 盤錦 124010）

壓力管道是一種管狀設(shè)備，通過利用一定的壓力來輸送液體或者氣體。它的范圍規(guī)定公稱直徑≧50mm的管道，介質(zhì)是氣體、液化氣體或者最高工作溫度高于或等于標準沸點的液體，它們的最高工作壓力≧0．1MPa，它們的特點是易爆、有毒、可燃、腐蝕性強。壓力管道按級別劃分可分為長輸管道（長距離輸送）、公用管道（公用工程）、工業(yè)管道（化工裝置）、動力管道（火力發(fā)電廠）四種。在化工生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)的連貫性，經(jīng)常把具有一定壓力的腐蝕性介質(zhì)通過管道從一個裝置傳輸?shù)搅硪粋€裝置之中，介質(zhì)的腐蝕性會造成壓力管道局部或者整體的壁厚變薄，降低了它的承受能力使管道泄漏開裂從而導(dǎo)致爆炸事件的發(fā)生。

1 壓力管道所產(chǎn)生的裂紋

壓力管道在加工中產(chǎn)生的線型裂紋是當原材料進行機加工時金屬材料自身的缺陷，比如疏松、夾渣等，由沖壓、卷制等過程所致。因為裂紋產(chǎn)生的位置不固定，可能在內(nèi)部，也可能在表面，但一般對管材的使用采取抽樣調(diào)查，因此當采購時出現(xiàn)這種裂紋要遵循國家相關(guān)行業(yè)標準以及工況條件，對其制造商、生產(chǎn)許可證等方面要嚴格檢查，要對腐蝕性較強的壓力管道在必要情況下進行嚴格試驗，比如其抗腐蝕性以及該管材的化學(xué)分析、機械的性能等方面。

2 壓力管道焊接裂紋

焊接裂紋是怎么產(chǎn)生的呢？當壓力管道在補焊或者組焊時就會產(chǎn)生焊接裂紋，除了在焊縫熱影響區(qū)易出現(xiàn)外，還存在于角焊縫表面缺陷的地方、丁字焊縫、焊縫附近等。就它的產(chǎn)生機理而言可以分為幾大類，有冷裂紋、熱裂紋、再熱裂紋（熱處理裂紋）、應(yīng)力裂紋及應(yīng)力腐蝕裂紋等。

3 典型焊接裂紋產(chǎn)生的機理及預(yù)防

3.1 熱裂紋

（1）熱裂紋的產(chǎn)生機理。熱裂紋多產(chǎn)生于高溫條件下，它們是由沿晶界發(fā)生開裂，它們大部分產(chǎn)生于焊縫金屬內(nèi)，常見的熱裂紋有三種，它們分別是結(jié)晶裂紋、液化裂紋以及多變化裂紋。而三種裂紋中最普遍的則是結(jié)晶裂紋，結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生是在焊接時被加熱受到焊接熱源的影響到一定溫度后發(fā)生膨脹，焊接熔池的冷卻速度非常快，存在于焊縫周圍的冷金屬會阻礙其膨脹，冷壓縮應(yīng)力會影響到焊縫受熱區(qū)，焊縫上某點的溫度會隨著焊接熱源向前移動而下降，此時因為冷卻收縮不均勻而導(dǎo)致的拉伸變形多于允許值時，沿晶界開裂，就會產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。除此之外，當?shù)腿埸c的共晶物凝固，它的速度小于焊縫金屬應(yīng)變速度時，也會造成結(jié)晶裂紋。

（2）結(jié)晶裂紋的預(yù)防針對措施。①對焊縫中C、S、P及其他有害雜質(zhì)的含量加以嚴格控制，細化晶粒，C、S、P元素和其他低熔點共晶的雜質(zhì)元素含量越低時會加大焊縫金屬的抗裂紋能力。如果焊縫中C＞0．16%，S＞0．05%時裂紋就有出現(xiàn)的可能。②改變接頭形式，形式不一的接頭會使剛度、散熱條件和結(jié)晶特點也不一樣，接頭的部位要注意，對應(yīng)力集中應(yīng)盡量避免。③在設(shè)計和工藝方面要盡量減少拉伸變形。碳鋼管材在不高于五攝氏度的溫度下施焊時要及時采取保暖緩冷的措施，當焊件的溫度不高于零攝氏度時要保證焊縫在施焊處120mm這個范圍中預(yù)熱到大于16℃。④在焊接順序方面要注意為了分散應(yīng)力和盡可能的減少裂紋要采用對稱施焊的焊接方式，同時要在幾乎沒有外力或者外力較小的條件下施焊。

3.2 冷裂紋

（1）冷裂紋的產(chǎn)生機理。當焊接處于不利條件時，氫在焊接熔池中被溶解，大部分氫快速過飽和溶劑和焊縫金屬中。經(jīng)過焊接殘余應(yīng)力的影響，氫慢慢朝應(yīng)變集中的熱影響區(qū)靠攏。如果氫的濃度上升到某一臨界值，對于變脆的金屬，它承受不了即使是微小的應(yīng)變從而導(dǎo)致開裂，發(fā)展成宏觀裂紋。其特點主要是具有延遲性，并不會在焊接后立即出現(xiàn)裂紋。而常見的冷裂紋以延遲裂紋較為典型。

（2）延遲焊縫的幾種形態(tài)。①焊趾裂紋：它產(chǎn)生在有強烈應(yīng)力集中的地方，裂紋通常和焊道相平行并朝母材進一步擴展，多存在于母材與焊縫的交界。②焊道下裂紋：此裂紋取向和熔合線呈平形狀，多存在于焊接熱影響區(qū)，且含氫量高以及淬硬傾向大。③根部裂紋：當焊條的含氫量比較高、溫度預(yù)熱不夠的條件下會導(dǎo)致最大應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂紋。

（3）延遲裂紋的預(yù)防針對措施。①對焊接材料的選擇和焊接工藝的采用都要選擇低氫型。②要保證施焊用的焊條以及焊劑處于干燥通風的環(huán)境中，對于普通焊條要保溫350℃、對于超低氫焊條要保溫420～450℃，烘干要2．5h，并存放于保溫箱內(nèi)。③當管道施焊時，要預(yù)防管內(nèi)穿堂風的侵入，盡量一次性完成焊縫的處理，對于那些易產(chǎn)生此裂紋的母材進行必要的焊后預(yù)處理，從而降低存在于焊縫中的有害影響、避免氫脆的現(xiàn)象，對焊接殘余應(yīng)力也會極大地降低。

3.3 熱處理裂紋

（1）熱處理裂紋的產(chǎn)生機理。熱處理裂紋即再熱裂紋，多呈分枝狀，是一種晶間裂紋，這種裂紋的特征是晶間開裂，主要存在于有嚴重應(yīng)力集中的粗晶粒區(qū)域的焊接熱影響區(qū)中，比如低合高強鋼這些有沉淀硬化傾向的不銹鋼中，焊后要被加熱到600～800℃。含V、Mo成分比如Cr-Mo-V、Mn-Ni-Mo-V和Cr-Mo-V-B等此成分較高的低合金鋼容易發(fā)生再熱裂紋現(xiàn)象。

（2）熱處理裂紋的預(yù)防針對措施。①在對材料的選擇盡量選擇再熱裂紋敏感性較低、符合機械性能以及強度不能超過母材，在工藝方面要盡量避免近縫區(qū)的應(yīng)力集中問題。保證及時進行焊后熱處理，將管子加熱至220～320℃，將它們緩冷保溫。②對焊縫一些會使應(yīng)力集中的熱影響區(qū)充分重視，盡量避免，比如咬邊以及表面的余高等。

3.4 應(yīng)力裂紋

（1）應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生機理。應(yīng)力裂紋常常會因為不合理的管道結(jié)構(gòu)布置或者材料的缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力在局部會過高以及波動溫度的發(fā)生這些變載荷的影響下產(chǎn)生。通常情況來講，這些載荷包括風載荷、壓力載荷、動力載荷、機器震動載荷等。如果以上這些壓力管道載荷或者它局部的應(yīng)力集中到達一定程度高的應(yīng)力值時就會使管道脆性斷裂。

（2）應(yīng)力裂紋的預(yù)防針對措施。①對管道的布置要合理的安排，盡量減少應(yīng)力集中的部位，盡量避免管道各部位互相約束。②不要頻繁啟動系統(tǒng)中的設(shè)備，對溫差的應(yīng)力要適當減少。③管道的布置要考慮到管道的柔性，比如管道補償器或者彈簧支架有利于管道柔性的增加。

4 壓力管道裂紋實例分析

4.1 管道的概況

某工廠在2000年12月安裝了壓力管道，當時安裝時并沒有經(jīng)過監(jiān)督檢驗。工況條件：壓力：0．8MPa；溫度設(shè)計：210℃；輸送介質(zhì)：熱蒸汽；壁厚：10mm；材質(zhì)：0Cr18Ni9。在使用管道多處出現(xiàn)裂紋，裂紋高頻率出現(xiàn)的部位是焊縫附近的熱影響區(qū)，裂紋的取向基本是直線，幾乎與焊縫平行。

4.2 分析裂紋產(chǎn)生的原因

根據(jù)裂紋出現(xiàn)在焊接影響區(qū)，以及取向、形態(tài)等特征可以判斷此裂紋是上述的焊接熱裂紋。形成此裂紋的原因可能與它本身材質(zhì)有關(guān)。

（1）材質(zhì)0Cr18Ni9化學(xué)成分本身的特殊性與復(fù)雜性使裂紋產(chǎn)生，材質(zhì)中的合金元素鎳和其他元素組合容易形成低熔共晶產(chǎn)生熱裂紋。材質(zhì)中的磷越高焊接熱裂紋的產(chǎn)生傾向越大。

（2）由于管道在12月安裝，因為過低的溫度造成裂紋產(chǎn)生的可能，因此要盡量減少或者避免焊接工作時溫度過低的環(huán)境。

（3）除了受材質(zhì)、溫度的影響，裂紋的產(chǎn)生也受其他因素比如：結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、焊接工藝等多方面的影響。

4.3 有效措施

（1）選擇再熱裂紋敏感性較低、符合機械性能以及強度不能超過母材的材料，在工藝方面要盡量避免近縫區(qū)的應(yīng)力集中問題。

（2）使用管道的過程中要做好管道的在線檢驗，經(jīng)常對管道進行常規(guī)巡線檢查，每隔幾年就要做一次全方面的檢驗，對于劣化材質(zhì)的管道，要及時對它們進行理化檢驗，劣化的材質(zhì)比如脫碳、晶間腐蝕以及氫脆等問題，如果有大面積腐蝕管道以及減薄損傷嚴重的，進行必要的強度校核。

5 結(jié)語

綜上所述，對壓力管道焊接裂紋的機理分析都提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，裂紋的出現(xiàn)會導(dǎo)致壓力管道的事故發(fā)生，它是壓力管道的一種危險缺陷，因此我們要對焊接過程的質(zhì)量控制、焊接設(shè)備和施焊環(huán)境等方面進行嚴格控制，根據(jù)預(yù)防措施及時調(diào)整，進而減少裂紋的產(chǎn)生，最終保證壓力管道的安全使用。