輸油壓力管道焊接熱接缺陷成因及影響區(qū)裂紋擴(kuò)展研究

郭敬超

摘要：如今，壓力管道幾乎都是焊接結(jié)構(gòu)。由于焊接工藝不當(dāng)或材料選擇的問題，在管道投用的過程中，管道被焊接的部分常常會(huì)產(chǎn)生各種不同的焊接裂紋缺陷。再加上內(nèi)部壓力的影響，可能會(huì)使得這些裂紋的擴(kuò)散速率加快，最終使得管道破裂。管道焊接時(shí)會(huì)存在一種焊接殘余應(yīng)力，焊接應(yīng)力是焊接過程中焊件體積變化受阻而產(chǎn)生的，當(dāng)已凝固的填充金屬在冷卻過程中，因垂直焊縫方向上各處溫度差較大，高溫區(qū)金屬收縮會(huì)受到低溫區(qū)金屬的拘束，致使兩部分金屬中均引起內(nèi)應(yīng)力，這種力會(huì)隨著裂紋的走勢和形狀產(chǎn)生不同的影響，并且與裂紋所處的位置也有著很大的關(guān)系，通常在焊縫兩側(cè)200～300mm以外就基本不會(huì)存在殘余應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：壓力管道;焊接熱影響;裂紋擴(kuò)展

管道面臨最嚴(yán)重的一個(gè)問題便是裂紋，裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)散使得管道強(qiáng)度不能滿足使用要求的狀態(tài)，并且容易造成管道的破裂，給人類造成極大的損失與危害，所以解決管道裂紋問題是當(dāng)前比較重要的一個(gè)問題。我國國內(nèi)的管道運(yùn)輸飛速發(fā)展，焊接技術(shù)的應(yīng)用也逐漸廣泛，如航空航天、交通運(yùn)輸、機(jī)器制造等幾乎所有的工業(yè)化領(lǐng)域。壓力管道的運(yùn)輸與管道的安全檢測成為當(dāng)前的重中之重，對于壓力管道的維修和安裝有著重要的影響，對壓力管道焊接的質(zhì)量提升起到了關(guān)鍵作用。

1導(dǎo)致壓力管道焊接缺陷的原因

壓力管道焊接缺陷主要是因?yàn)楹附拥募夹g(shù)水平不夠?qū)I(yè)，致使在壓力管道的焊接過程中的操作不當(dāng)，使得壓力管道的焊接點(diǎn)出現(xiàn)問題，焊接點(diǎn)是有關(guān)壓力管道安全性極其重要的一部分，如果壓力管道的焊接點(diǎn)存在著缺陷，則容易產(chǎn)生泄漏的問題以至于引發(fā)事故。焊接表面有裂紋、未熔合、氣孔、夾渣和飛濺、咬邊、錯(cuò)邊和角變形等嚴(yán)重問題。這些問題都是造成壓力管道焊接缺陷的主要原因。

1.1錯(cuò)邊和角變形

錯(cuò)邊和角變形是由于焊接時(shí)操作出現(xiàn)問題，錯(cuò)邊和角變形主要出現(xiàn)在壓力管道的組裝過程，焊接面參差不齊，壓力管道的邊緣粗糙及角變形是不可避免的，但是錯(cuò)邊和角變形造成壓力管道的強(qiáng)度下降。錯(cuò)邊和角變形會(huì)致使壓力管道的承壓集于一點(diǎn)，嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)使得壓力管道出現(xiàn)安全事故[1]。

1.2焊接面夾渣

夾渣是因?yàn)槟承┰腥墼瓷细≈寥鄢氐谋砻娑鴼埓嬗诮Y(jié)晶的焊縫中而產(chǎn)生，由于壓力管道焊接時(shí)的工藝不當(dāng)及操作不謹(jǐn)慎造成的夾渣，被稱為偶爾夾渣，有的夾渣是由于熔渣直接殘存而產(chǎn)生的，壓力容器的焊接面夾渣會(huì)大幅度降低焊縫強(qiáng)度及致密性等[2]。

1.3焊接未焊透、熔合

焊縫金屬與母材間未被電弧熔化而留下的空隙叫做未焊透，熔焊金屬與基體母材或與相鄰焊道間及焊縫層間的局部殘留間隙叫做未熔合。未焊透及未熔合都是嚴(yán)重的壓力管道焊接缺陷，這種缺陷使得焊縫的焊接強(qiáng)度下降產(chǎn)生壓力容器的裂紋，因而引發(fā)安全事故。造成這個(gè)缺陷的主要原因是焊接電流過小及焊接電弧過長等，通常出現(xiàn)于管道內(nèi)壁側(cè)與管道外表的距離較遠(yuǎn)[3]。

1.4焊接面裂紋

焊接裂紋是常見的壓力管道焊接缺陷，也是最為嚴(yán)重的一種焊接缺陷，會(huì)對管道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。焊接裂紋的一般情形有：液體性質(zhì)、熱應(yīng)力性質(zhì)、延遲性性質(zhì)等形式。焊接裂紋一般包括熱裂紋和冷裂紋。裂紋原因有：環(huán)境潮濕，管道水分較多，未先行烘烤干，焊接的高溫致使焊縫區(qū)產(chǎn)生微量氫內(nèi)部殘余，焊后快速的降溫收縮過程致使其內(nèi)部應(yīng)力加大產(chǎn)生裂紋。焊工責(zé)任心差，焊后未及時(shí)自檢，發(fā)現(xiàn)問題未及時(shí)處理。連續(xù)大面積管段且厚度小時(shí)，焊接散熱快，短時(shí)焊接后降溫迅速，造成局部應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋等等。

2 對貫穿裂紋擴(kuò)展的影響

2.1穿透裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子

受到焊接殘余應(yīng)力的影響，應(yīng)力強(qiáng)度因子將會(huì)變的非常大。焊接殘余應(yīng)力會(huì)使得裂紋的擴(kuò)展速率加快，在進(jìn)行熱處理之后，焊縫四周的殘余應(yīng)力會(huì)大幅度的降低，相對的尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子也會(huì)降低。靠近焊縫中心的裂紋，在熱處理之后所受到的力也就越小，應(yīng)力強(qiáng)度因子減小的幅度越大。

2.2穿透裂紋擴(kuò)展分析

隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，會(huì)逐漸穿透管道，使得管道發(fā)生破裂。受到焊接的殘余應(yīng)力影響，管道內(nèi)的壓力逐漸增大，使得裂紋的長度變長，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定程度之后，增長速率也會(huì)逐漸增大。對于焊接殘余應(yīng)力下不同長度的貫穿裂紋，內(nèi)壓增大的曲線變化規(guī)律基本一致，但是裂紋的長度越短，其尖端所靠近焊縫區(qū)域所受到的力也越大[4]。

2.3 表面裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子

管道的裂紋在僅受到內(nèi)壓的作用時(shí)，應(yīng)力的強(qiáng)度因子將會(huì)隨著裂紋長度與深度的變大而變大，并且變化將會(huì)趨于穩(wěn)定。在熱處理之后，應(yīng)力強(qiáng)度因子將會(huì)減小，這會(huì)使得裂紋擴(kuò)展的速率減慢。隨著裂紋深度與長度的不斷增大，焊接的環(huán)向殘余應(yīng)力對管道的影響也會(huì)逐漸的減小，從而導(dǎo)致與僅受內(nèi)壓作用的應(yīng)力強(qiáng)度因子的差值降低。

2.4 表面裂紋擴(kuò)展分析

當(dāng)焊縫的地方出現(xiàn)表面裂紋時(shí)，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，它四周的焊接殘余應(yīng)力將會(huì)出現(xiàn)重分布的情況。當(dāng)表面裂紋逐漸的擴(kuò)展時(shí)，斷面上的應(yīng)力會(huì)減小，并且裂紋區(qū)域的焊縫表面的殘余應(yīng)力將會(huì)產(chǎn)生大幅度的降低。在裂紋尖端處，遭受著最大的殘余應(yīng)力，并且熱影響區(qū)的表面裂紋會(huì)朝著徑向的方向擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到一定程度之后，在朝著軸向擴(kuò)展，在擴(kuò)展的過程中，基本上保持著半橢圓形態(tài)。

2.5外載荷作用下殘余應(yīng)力的重分布分析

給焊接之后沒有裂紋的管道施加內(nèi)壓然后在取消，將會(huì)大幅度的減輕它的殘余應(yīng)力。并且隨著內(nèi)壓荷載的逐漸增大，焊縫附近的殘余拉應(yīng)力的釋放量也在逐漸的變大。這主要是因?yàn)橥廨d荷所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與焊縫處的力所疊加，從而使得塑性變形區(qū)域的殘余應(yīng)力逐漸釋放，當(dāng)載荷越大時(shí)，所受的殘余應(yīng)力也就越小。隨著載荷的不斷增大，內(nèi)表面的軸向殘余應(yīng)力會(huì)逐漸減小。

3 疲勞載荷下焊接熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展研究

3.1錯(cuò)邊及角變形對策

我們知道錯(cuò)邊和角變形是不可避免的，要想對其進(jìn)行消除是非常復(fù)雜及困難的。因此，我們只能預(yù)先實(shí)施措施并進(jìn)行防范，壓力管道安裝和施工的時(shí)候嚴(yán)格執(zhí)行壓力管道的相關(guān)制造標(biāo)準(zhǔn)，確保每道對口的錯(cuò)邊及角變形始終限制在制造條件允許的范圍之內(nèi)，杜絕其誤差累積，以此來做到即使壓力管道錯(cuò)邊及角變形會(huì)形成較高的應(yīng)力，但不會(huì)對壓力管道承壓的能力產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，不會(huì)對壓力管道的安全性產(chǎn)生問題。

3.2焊接面夾渣對策

對于壓力管道焊接面夾渣的解決方法以及對策，焊接保證裝配質(zhì)量坡口的角度和鈍邊尺寸符合設(shè)計(jì)要求，采用低氫鈣系堿性的焊條，在對壓力管道焊接的過程中，我們要保證熔池清晰、熔渣與液態(tài)中的金屬分離良好;按照焊接工藝規(guī)程對焊接規(guī)范進(jìn)行選擇，對坡口及兩側(cè)油污清除徹底，選擇工藝優(yōu)良，符合要求的焊條，接頭過程中先清渣，收弧時(shí)要填滿弧坑。

3.3未焊透、未熔合對策

對于未焊透、未熔合，我們?yōu)楸ＷC焊接質(zhì)量，預(yù)防安全隱患，在焊接時(shí)出現(xiàn)這種問題，最好割口重新對接。對于這種缺陷，對焊接電流的大小要求以及焊接的速度需要嚴(yán)格選擇，對于工作環(huán)境的選擇要做到便于操作、適應(yīng)無損檢測要求等原則選用。

3.4焊接面裂紋對策

管道施工過程中質(zhì)量控制最為重要的一個(gè)問題就是焊接面裂紋問題，其對管道的危害性很大，對于這種缺陷的發(fā)生我們一般采取如下幾種方法來解決：

①淺表層存在的裂紋可以用砂輪打磨，用磨平的方法處理。

②焊接面的裂紋過小，我們可以用這個(gè)裂紋來研究其發(fā)展規(guī)律，觀察并記錄到它的發(fā)展走勢，對防止?jié)撛诘陌踩珕栴}具有很大的作用。就此，我們需要在焊前認(rèn)真組裝，對組裝質(zhì)量是否合格進(jìn)行檢測。盡量選擇小電流多層多道焊以防止焊縫中心產(chǎn)生裂紋，按照工藝規(guī)程選擇優(yōu)良的焊接程序。

3.5疲勞裂紋擴(kuò)展研究

焊接殘余應(yīng)力對管道的疲勞壽命有很大的影響，焊接殘余應(yīng)力相比較于管道母材上的裂紋來說，使其的壽命降低了更多。裂紋在進(jìn)行擴(kuò)展的前半個(gè)階段，外表面的裂紋疲勞擴(kuò)展的速率比內(nèi)表面的高，隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，內(nèi)表面的擴(kuò)展速率逐漸加大，總的來說內(nèi)表面的壽命要低于外表面。裂紋這樣擴(kuò)展主要是因?yàn)楹附拥臍堄鄳?yīng)力造成的，殘余應(yīng)力朝著壁厚的方向，從內(nèi)到外逐漸增大，外表面的比較淺的裂紋所受到的力也大，所以擴(kuò)展速率會(huì)加快。

3.6裂紋長度對疲勞壽命的影響

當(dāng)裂紋的深度與殘余應(yīng)力的比值不變時(shí)，裂紋長度的不斷增大，會(huì)使得管道的壽命不斷降低。隨著裂紋長度的不斷增大，裂紋的減小速率也會(huì)降低。等裂紋達(dá)到一個(gè)極限值之后，裂紋長度對管道疲勞壽命的影響將會(huì)逐漸的降低。而且，裂紋長度的不斷增大，焊接殘余應(yīng)力對管道疲勞壽命的影響也會(huì)降低。

3.7應(yīng)力比對疲勞壽命的影響

應(yīng)力比對管道疲勞壽命也有著較大的影響。當(dāng)裂紋的長度與深度保持不變時(shí)，應(yīng)力比減小，則管道的壽命也會(huì)縮短，應(yīng)力比不斷減小，焊接殘余應(yīng)力對管道疲勞壽命的影響也會(huì)減小。在進(jìn)行過熱處理之后，管道的疲勞壽命與完好的管道幾乎一致，這主要是因?yàn)闊崽幚頃r(shí)導(dǎo)致管道內(nèi)壓發(fā)生變化，從而減輕殘余應(yīng)力對管道壽命的影響，使得裂紋擴(kuò)展的速率減慢。

3.8裂紋深度對疲勞壽命的影響

裂紋深度對管道的疲勞壽命也有著一定的影響，當(dāng)裂紋的長度與應(yīng)力比保持不變時(shí)，管道深度不斷增大，則疲勞壽命就會(huì)降低，并且隨著深度的增大，壽命降低的速率也會(huì)減慢。裂紋的深度越大，則殘余應(yīng)力對管道的影響也就越小，在熱處理之后，它的壽命同樣與完好的管道接近。這是因?yàn)樵诹鸭y不斷擴(kuò)展的同時(shí)，裂紋尖端所受到的力也就越小，并且隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，殘余應(yīng)力的影響也就越小。

總之，這種局部效應(yīng)對鋼材會(huì)帶來很大的危害，且可能會(huì)使裂紋迅速的擴(kuò)散。因此，必須對管道的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，盡可能降低焊接殘余應(yīng)力，從而采取合適的措施控制裂紋擴(kuò)展的速率，確保管道的正常運(yùn)行。本文主要探討壓力管道焊接熱影響區(qū)裂紋擴(kuò)展，希望給相關(guān)人士帶來一定的幫助。

4結(jié)語

綜上所述，在管道容器方面，焊接技術(shù)是非常重要的，對于焊接技術(shù)的要求也越來越嚴(yán)格，焊接技術(shù)的發(fā)展近年也是極為迅速，壓力管道的焊接環(huán)境非常復(fù)雜，有時(shí)還會(huì)涉及到高空作業(yè)，焊接的質(zhì)量對管道能否安全運(yùn)行有直接的影響，但是壓力管道的焊接要求操作極高。對于壓力管道而言，焊接是一個(gè)重要的工作，它的質(zhì)量和效率對工程的工期及安全性有重要的影響。為了避免壓力管道出現(xiàn)安全事故如泄漏、腐蝕等，同時(shí)在選材、安裝等環(huán)節(jié)上對質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格的檢測，并在操作規(guī)范上嚴(yán)格要求，以至壓力管道在發(fā)生安全隱患時(shí)能及時(shí)進(jìn)行解決并施加有效辦法，及時(shí)對壓力管道焊接的缺陷進(jìn)行修補(bǔ)，以此保障壓力管道的安全性。裂紋擴(kuò)展對于壓力管道的正常使用起著非常重要的作用，其直接影響到壓力管道的使用性能和壽命。在焊熱接殘余應(yīng)力的影響下，壓力管道的表面裂紋和貫穿裂紋會(huì)產(chǎn)生不同程度的擴(kuò)展，從而影響到壓力管道的使用效果。為了降低焊熱接對壓力管道裂紋擴(kuò)展的影響，相關(guān)單位必須建立健全規(guī)章制度，優(yōu)化升級焊熱接流程，保證焊接熱工作的正常進(jìn)行。同時(shí)，該單位也需要加強(qiáng)對相關(guān)工作人員的培訓(xùn)工作，加強(qiáng)培訓(xùn)和考核力度，促進(jìn)工作團(tuán)隊(duì)綜合素養(yǎng)的提高，從而保證壓力管道的正常使用。

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