壓力管道焊接裂紋產(chǎn)生機理分析及預(yù)防

王 剛

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 江陰分院，江蘇 江陰 214400）

壓力管道焊接裂紋產(chǎn)生機理分析及預(yù)防

王 剛

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院 江陰分院，江蘇 江陰 214400）

現(xiàn)代工業(yè)體系中壓力管道應(yīng)用比例不斷升高，在生產(chǎn)中對安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性有著重要的影響。而焊接裂紋是壓力管道常見的失效形式之一，這一缺陷產(chǎn)生的因素較多，被視為工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的一項重要威脅。因此，有必要對壓力管道進行焊接裂紋產(chǎn)生機制進行分析。文章結(jié)合幾種常見的焊接裂紋形式展開研究，分別闡明其成因及預(yù)防措施，以供廣大焊接、質(zhì)檢技術(shù)人員參考。

壓力管道；焊接裂紋；成因；預(yù)防

0 引言

廣義上所說的“壓力管道”是指具有承受內(nèi)外壓力性能的管道，根據(jù)我國《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》以及《特種設(shè)備目錄》的明文規(guī)定，“利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點的液體介質(zhì)，且公稱直徑大于50mm的管道”。將壓力管道視為“特種設(shè)備”的原因有兩個，其一是它的應(yīng)用范圍很廣，尤其在現(xiàn)代工業(yè)體系中，絕大多數(shù)氣體、液體具有易燃、易爆、腐蝕性、毒性等特征，壓力管道在運行的過程中必須確保自身的安全性和穩(wěn)定性，避免造成危害物質(zhì)的泄露或爆炸。其二是壓力管道自身所處的生產(chǎn)環(huán)境特殊，從概念上說，“壓力管道”依然屬于管道的范疇，它發(fā)揮了不同設(shè)備、組件之間的物質(zhì)運輸傳遞功能，或者可視為一個完整工業(yè)生產(chǎn)體系的連接部分，一旦管道環(huán)節(jié)發(fā)生問題，必然會導(dǎo)致整個系統(tǒng)陷入停運或危險狀態(tài)；對于壓力管道而言，焊接裂紋是一種嚴(yán)重的技術(shù)性缺陷，焊接過程中對管道材質(zhì)造成的破壞以及新界面產(chǎn)生形成的間隙，是導(dǎo)致壓力管道發(fā)生危險的重要原因。

1 壓力管道焊接裂紋概述

作為特種設(shè)備，壓力管道在生產(chǎn)、運輸、安裝和運行的過程中都有嚴(yán)格的要求，盡管如此，在任何一個環(huán)節(jié)仍可能出現(xiàn)質(zhì)量問題。以材料為例，鋼材生產(chǎn)的過程需要經(jīng)過多個環(huán)節(jié)，包括軋制、沖壓、機加工等，而鋼材本身就具有疏松、縮孔等問題，因此最后產(chǎn)生的缺陷更多。在生產(chǎn)壓力管道的過程中忽略了對材質(zhì)本身的質(zhì)量控制，成品出現(xiàn)問題是必然的。

相對而言，壓力管道安裝中的焊接裂紋現(xiàn)象更加普遍，焊接裂紋的出現(xiàn)與金屬材質(zhì)、焊接工藝等具有密切的聯(lián)系。一方面，焊接線能量會直接導(dǎo)致接頭的化學(xué)組織性能出現(xiàn)“質(zhì)變”，通過破壞原有組織微觀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)管道的連接。但是，這種不連續(xù)也會導(dǎo)致接頭的應(yīng)力集中，從而破壞管道的耐腐蝕性和強度。另一方面，焊接過程中接頭以及熱影響區(qū)會產(chǎn)生氣孔、裂紋等一系列缺陷，而這種現(xiàn)象是無法徹底規(guī)避的。基于焊接工藝本身來說，裂紋不只會在焊接過程中直接出現(xiàn)，還會因為某些干擾因素或破壞機制，經(jīng)過一定“潛伏期”才會凸顯出來，也就是所謂的延遲裂紋。例如，在輸送腐蝕性液體、氣體的過程中，管道承受內(nèi)壓會加速焊接裂紋的擴展，或者壓力管道使用時進入壓力臨界值、溫度變化劇烈等極限工況中，焊接裂紋也會衍生擴展。

2 壓力管道焊接裂紋的類型、成因及及預(yù)防

壓力管道焊接裂紋是一種備受關(guān)注的工藝缺陷，構(gòu)成因素復(fù)雜，并呈現(xiàn)出多種表現(xiàn)形式，以下筆者選擇兩類主要的裂紋為例展開分析。

2.1 熱裂紋

顧名思義，熱裂紋是由于高溫形態(tài)出現(xiàn)而產(chǎn)生的，這對于焊接工藝而言基本上是無法避免的。焊接過程中，高溫現(xiàn)象伴隨發(fā)生，沿奧氏體晶界產(chǎn)生裂紋，可形成結(jié)晶裂紋、多邊化裂紋及液化裂紋3種類型。

熱裂紋的產(chǎn)生機理并不復(fù)雜，母材在焊接過程中，金屬基于熱脹冷縮的物理原理發(fā)生變化，但焊縫周邊的冷金屬部分變化幅度較小，對膨脹部分產(chǎn)生阻礙作用，焊縫在周邊熱區(qū)的影響下出現(xiàn)壓縮應(yīng)力，并隨著焊接時間的延長、熱點不斷前移，焊縫位置的溫度下降比中心點明顯，焊縫兩側(cè)金屬收縮速度不同步，由此產(chǎn)生熱裂紋。

為了有效地預(yù)防這一現(xiàn)象出現(xiàn)，首先要從鋼材質(zhì)量方面入手，增加合金元素含量，降低硫、磷等雜質(zhì)的比例，在焊接過程中減少低熔點共晶物的產(chǎn)生。同時，選擇合適的焊接工藝參數(shù)，調(diào)整焊接線能量，降低熱輸入，減少焊接應(yīng)力。其次，加強焊接工藝的改進，例如低碳鋼要在≤5℃的環(huán)境下焊接應(yīng)采取預(yù)熱措施；強調(diào)焊接順序的合理性，要盡量避免外力作用的拘束狀態(tài)焊接作業(yè)。

2.2 冷裂紋

焊接接頭冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度即Ms線附近，在氫、拘束應(yīng)力以及淬硬組織的共同作用下產(chǎn)生冷裂紋。最常見的是延遲裂紋，特點是裂紋的形成有一定的延時性，其原因在于擴散氫的富集需要時間，在生產(chǎn)中易被忽視，容易造成重大危害。

為避免冷裂紋的產(chǎn)生，在焊接過程中，要降低焊縫中氫含量，去除母材表面銹跡和油污，采用低氫焊條，嚴(yán)格烘干焊材；對焊縫進行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，必要時采取焊后緩冷；合理選擇金屬材料，避免淬硬組織出現(xiàn)；降低殘余應(yīng)力，避免應(yīng)力集中，減少焊縫拘束度。

2.3 應(yīng)力腐蝕開裂

應(yīng)力腐蝕開裂是壓力管道最主要的失效形式之一，對管道的運行有重大影響，是由于管道布置結(jié)構(gòu)不合理，造成局部應(yīng)力不均勻或者長時間溫度、壓力變化波動等多方面因素，在特定的腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的破裂。包括點蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕和全面腐蝕。其特點是拉應(yīng)力以及特定的介質(zhì)，且裂紋擴展速率緩慢，釋脆性斷裂。

在預(yù)防措施上，一方面要合理安排管道的設(shè)計、安裝，避免管道在同一區(qū)域過度集中，減少與不相干系統(tǒng)之間的約束關(guān)系，穩(wěn)定溫度變化，避免系統(tǒng)設(shè)備頻繁停開；另一方面根據(jù)介質(zhì)的腐蝕性，合理選擇管件材質(zhì)，使用過程中，運行清洗吹掃等避免接觸應(yīng)力腐蝕介質(zhì)，例如，硫化氫、氫等。

3 裂紋實例分析

某石化公司煉油廠制氫裝置投產(chǎn)5年的轉(zhuǎn)化爐入口Cr5Mo法蘭與HK-40爐管焊接處先后出現(xiàn)4處泄漏。法蘭與爐管為異種鋼焊接，采用對接焊、鎢極氬弧焊，焊絲為ERNiCrFe-5，焊前預(yù)熱100-120℃，焊后保溫緩冷。法蘭與爐管工作溫度430℃，外壁溫度約為250℃，管內(nèi)介質(zhì)為石腦油和蒸汽。停工檢修，對裂紋產(chǎn)生原因作了檢查和分析。

裂紋起源于焊縫根部沿熔合線擴展進入母材焊縫區(qū)域，后又折回熔合線，面上裂紋未完全穿透壁厚。焊縫余高超標(biāo)。因此在根部熔合線處產(chǎn)生應(yīng)力集中，易引發(fā)裂紋產(chǎn)生。作顯微觀察，裂紋斷口未見夾雜，斷口充滿灰色氧化物，說明在高溫下產(chǎn)生，同時有珠光體球化現(xiàn)象，主裂紋邊緣晶粒被拉長、變形，說明焊縫承受較大應(yīng)力。

4 結(jié)語

綜上所述，裂紋是在430℃高溫下長期服役產(chǎn)生的，珠光體在高溫下球化使鋼的抗蠕變能力和持久強度下降，為裂紋產(chǎn)生和擴展創(chuàng)造了條件。焊后未進行消應(yīng)力熱處理以及焊縫余高超標(biāo)，使焊縫存在較大殘余應(yīng)力，根部嚴(yán)重應(yīng)力集中是裂紋產(chǎn)生的主要原因。

[1]張犁.壓力管道產(chǎn)生焊接裂紋的分析[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2011（24）：43.

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[3]耿彬.壓力管道裂紋產(chǎn)生原因分析及預(yù)防措施[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（4）：236.

Analysis and prevention of welding crack in pressure pipeline

Wang Gang
(Jiangyin Branch of Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Jiangyin 214400, China)

The application of proportional pressure pipeline modern industrial system continues to rise, in the production of safety, has an important in fl uence on the stability and economy. While the welding crack is one of the most common form of pressure pipeline failure, there are many factors resulting in the defects, is regarded as an important threat to industrial production system. Therefore, it is necessary for welding cracks mechanism analysis of pressure pipeline welding crack form is studied. Combined with several common, clarify its causes and preventive measures, in order to provide the welding quality inspection and technical personnel for reference.

pressure pipeline; welding crack; cause; prevention

王剛（1988— ），男，漢族，江蘇江陰人，助理工程師；研究方向：特種設(shè)備的監(jiān)督檢驗和定期檢驗。