論壓力管道焊接裂紋產生機理分析及預防

李昕，曲直

（盤錦市特種設備監督檢驗所，遼寧 盤錦 124010）

壓力管道是一種管狀設備，通過利用一定的壓力來輸送液體或者氣體。它的范圍規定公稱直徑≧50mm的管道，介質是氣體、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）、工業管道（化工裝置）、動力管道（火力發電廠）四種。在化工生產過程中，由于生產的連貫性，經常把具有一定壓力的腐蝕性介質通過管道從一個裝置傳輸到另一個裝置之中，介質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致爆炸事件的發生。

1 壓力管道所產生的裂紋

壓力管道在加工中產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。因為裂紋產生的位置不固定，可能在內部，也可能在表面，但一般對管材的使用采取抽樣調查，因此當采購時出現這種裂紋要遵循國家相關行業標準以及工況條件，對其制造商、生產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

焊接裂紋是怎么產生的呢？當壓力管道在補焊或者組焊時就會產生焊接裂紋，除了在焊縫熱影響區易出現外，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）、應力裂紋及應力腐蝕裂紋等。

3 典型焊接裂紋產生的機理及預防

3.1 熱裂紋

（1）熱裂紋的產生機理。熱裂紋多產生于高溫條件下，它們是由沿晶界發生開裂，它們大部分產生于焊縫金屬內，常見的熱裂紋有三種，它們分別是結晶裂紋、液化裂紋以及多變化裂紋。而三種裂紋中最普遍的則是結晶裂紋，結晶裂紋的產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，冷壓縮應力會影響到焊縫受熱區，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致的拉伸變形多于允許值時，沿晶界開裂，就會產生結晶裂紋。除此之外，當低熔點的共晶物凝固，它的速度小于焊縫金屬應變速度時，也會造成結晶裂紋。

（2）結晶裂紋的預防針對措施。①對焊縫中C、S、P及其他有害雜質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、散熱條件和結晶特點也不一樣，接頭的部位要注意，對應力集中應盡量避免。③在設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這個范圍中預熱到大于16℃。④在焊接順序方面要注意為了分散應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。經過焊接殘余應力的影響，氫慢慢朝應變集中的熱影響區靠攏。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變從而導致開裂，發展成宏觀裂紋。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。①焊趾裂紋：它產生在有強烈應力集中的地方，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，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、溫度預熱不夠的條件下會導致最大應力集中處出現裂紋。

（3）延遲裂紋的預防針對措施。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。③當管道施焊時，要預防管內穿堂風的侵入，盡量一次性完成焊縫的處理，對于那些易產生此裂紋的母材進行必要的焊后預處理，從而降低存在于焊縫中的有害影響、避免氫脆的現象，對焊接殘余應力也會極大地降低。

3.3 熱處理裂紋

（1）熱處理裂紋的產生機理。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力集中的粗晶粒區域的焊接熱影響區中，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生再熱裂紋現象。

（2）熱處理裂紋的預防針對措施。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的應力集中問題。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對焊縫一些會使應力集中的熱影響區充分重視，盡量避免，比如咬邊以及表面的余高等。

3.4 應力裂紋

（1）應力裂紋的產生機理。應力裂紋常常會因為不合理的管道結構布置或者材料的缺陷，導致應力在局部會過高以及波動溫度的發生這些變載荷的影響下產生。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力集中到達一定程度高的應力值時就會使管道脆性斷裂。

（2）應力裂紋的預防針對措施。①對管道的布置要合理的安排，盡量減少應力集中的部位，盡量避免管道各部位互相約束。②不要頻繁啟動系統中的設備，對溫差的應力要適當減少。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過監督檢驗。工況條件：壓力：0．8MPa；溫度設計：210℃；輸送介質：熱蒸汽；壁厚：10mm；材質：0Cr18Ni9。在使用管道多處出現裂紋，裂紋高頻率出現的部位是焊縫附近的熱影響區，裂紋的取向基本是直線，幾乎與焊縫平行。

4.2 分析裂紋產生的原因

根據裂紋出現在焊接影響區，以及取向、形態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有關。

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

（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境。

（3）除了受材質、溫度的影響，裂紋的產生也受其他因素比如：結構、介質、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的應力集中問題。

（2）使用管道的過程中要做好管道的在線檢驗，經常對管道進行常規巡線檢查，每隔幾年就要做一次全方面的檢驗，對于劣化材質的管道，要及時對它們進行理化檢驗，劣化的材質比如脫碳、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的預防措施，裂紋的出現會導致壓力管道的事故發生，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量控制、焊接設備和施焊環境等方面進行嚴格控制，根據預防措施及時調整，進而減少裂紋的產生，最終保證壓力管道的安全使用。