压力管道探伤孔裂纹分析

王海强　李孟良　赵华　李海　郭洪宁　郑志东

摘要：境外某超临界火电机组工程在水压期间，压力管道的探伤孔焊缝发生多处裂纹并泄露。文章针对这些裂纹的产生原因进行了分析，并制定了相应的防范措施，为今后类似工程项目提供参考和借鉴。

关键词：压力管道；探伤孔；裂纹分析；热处理；火电机组 文献标识码：A

中图分类号：TU81 文章编号：1009-2374（2016）08-0055-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.08.029

1 概述

本次水压期间压力管道的探伤孔焊缝共11处发生裂纹，分别为P91材质的蒸汽管道4只、P12材质的蒸汽管道6只和WB36/SA-105材质的给水管道1只。经过打磨挖出来进行VT和PT检验发现所有堵头裂纹都是从焊缝根部开始往横、纵方向裂开。探伤孔插塞均为螺纹旋紧后再用角焊缝密封固定的结构，设计要求探伤孔插塞安装旋紧后的角焊缝为10mm（如图1所示），施工技术合同规定焊前预热和焊后热处理按照ASME标准第I卷中的相关要求执行。ASME标准第I卷PW-39规定，对于这样的连接方式，焊缝厚度在不超过10mm、Cr含量不超过6%并且焊前预热的情况下可不进行焊后热处理。所有插塞中，除了P91材质的插塞Cr含量超过6%外，其余的Cr含量均低于6%。所以P91材质的插塞即需要焊前预热，也需要焊后热处理；P12和WB36/SA-105的插塞在焊前按标准要求预热的情况下，不需要焊后热处理。

2 探伤孔插塞焊缝的焊接工艺措施

2.1 压力管道材质为P91的探伤孔插塞

探伤孔插塞的材质和管道相同，焊前电加热预热到200℃，热电偶测温，使用手工电弧焊工艺进行焊接，焊后升温进行焊后热处理，然后进行100%渗透检测。

2.2 压力管道材质为P12的探伤孔插塞

探伤孔插塞的材质和管道相同，焊前火焰预热到120℃，测温笔测温，使用手工电弧焊工艺进行焊接，焊后缓冷；根据设计图纸施工，焊脚尺寸未超过10mm，执行ASME标准规定焊后未进行热处理；然后进行100%渗透检测。

2.3 压力管道材质为WB36的探伤孔插塞

探伤孔插塞的材质为碳钢A105，焊前火焰预热到100℃，测温笔测温，使用手工电弧焊工艺进行焊接，焊后缓冷；根据设计图纸施工，焊脚尺寸未超过10mm，执行ASME标准规定焊后未进行热处理；然后进行100%渗透检测。

3 发生裂纹的原因分析

3.1 焊接工艺方面

3.1.1 对于P91材质的探伤孔插塞焊缝，由于焊前执行的是电加热预热工艺，所以可以排除预热温度不均匀；经查预热和焊后热处理曲线符合工艺要求，排除了热处理工艺的问题。焊条均有合格证明，存储、烘培和发放过程均有记录，可以排除焊材的因素。由于热电偶测温点的位置只能绑扎在管子上而不能绑扎在插塞上，加上插塞露出部分25mm厚，当热电偶显示满足温度要求时，插塞本身的温度可能没达到，于是在焊接插塞和管子连接处的角焊缝时产生了根部微小的冷裂纹；在随后的热处理过程中裂纹逐渐扩展，再加上没有完全消除的残余应力，在水压压力的作用下逐渐扩展到焊缝表面，引起泄露。

3.1.2 对于不需要进行焊后热处理的P12和WB36/SA-105的探伤孔插塞焊缝，焊条均有合格证明，存储、烘培和发放过程均有记录，可以排除焊材的因素。由于执行的是焊前火焰预热和焊后缓冷的热处理工艺，可能会出现焊前预热温度不均匀或个别未预热的现象，在焊接插塞和管子连接处的角焊缝时产生了根部微小的冷裂纹；加上焊接残余应力的作用，使裂纹逐渐扩展到表面，在水压时发生泄漏。

3.2 安装工艺方面

3.2.1 在对探伤孔插塞打磨的过程中，发现泄露的插塞中大部分未终紧，去除焊缝金属后用手能够轻易地拧开，于是怀疑大部分插塞仅为手工安装，未使用专用工具终紧，这就造成了插塞的松动。当开始焊接时，焊条熔化的高温开始使插塞受热升温，在电弧向前移走后的瞬间，熔化的焊缝金属（熔池）立即凝固收缩，此时高温的电弧还在向前移动，根部第一层的焊接还没有结束，对插塞的热传导还在进行，插塞由于未终紧，受热向外膨胀。由于插塞的膨胀阻碍了焊缝的凝固收缩（如图2所示），从而在焊缝根部出现微小裂纹，这些微小裂纹在未完全消除的焊接残余应力和打水压压力的作用下逐渐扩展延伸，直到焊缝表面，造成泄漏。

3.2.2 部分管道表面厂家机加工的与插塞进行贴合的凹台结合面和探伤孔不同心，在安装时未进行修磨，使插塞在安装后不能和凹台表面紧密结合（如图3所示），导致不能拧到位，从而造成插塞帽下表面和凹台表面之间存在夹缝间隙（也就相当于焊缝未焊透），焊接后使焊缝根部存在菱角，导致应力集中，引起根部裂纹，在水压试验压力和残余应力的作用下逐渐扩展到焊缝表面。

3.2.3 由于探伤孔长时间的敞口，导致里面进入脏物和焊接飞溅，加上手工安装，使部分插塞不能拧到位，插塞帽下表面与凹台表面甚至母材表面存在夹缝间隙（也就相当于焊缝未焊透），焊接后使焊缝根部存在菱角（如图4所示），导致应力集中，从而引起根部裂纹，在水压试验压力和残余应力的作用下逐渐扩展到焊缝表面。

3.2.4 在插塞拧到位并且终紧的情况下，焊缝的主要作用为密封和进一步锁紧插塞。由于插塞未终紧和未拧到位，使焊缝根部由于膨胀外力、应力集中使根部产生微裂纹，再加上焊接残余应力和水压压力的作用，使裂纹逐渐向焊缝表面扩展，最终导致泄露。

3.2.5 对于采用火焰预热的探伤孔插塞，由于预热不均匀和不够充分，加快了焊缝的冷却速度，增加了由于插塞未拧紧而产生根部拉裂的倾向。

4 防范措施

4.1 焊接工艺方面

4.1.1 对于P91材质。由于P91材质的探伤孔插塞焊缝，按照标准规定需要进行焊后热处理。为了防止冷裂纹的产生，再采用电加热的预热的基础上，由质检员用测温笔或远红外测温仪测量插塞和焊接区域的温度，确定温度均达到200℃以上时方可开始焊接。焊后及时进行焊后热处理，如果被迫中断，要进行保温缓冷或350℃保温2小时的脱氢措施。

4.1.2 对于P12材质。为了避免加热不均匀，改火焰预热为电加热预热，并由质检员用测温笔或远红外测温仪测量插塞和焊接区域的温度，确定温度均达到120℃以上时方可开始焊接。如果探伤孔插塞焊缝的实际焊脚高度不超过10mm，则采取焊后保温缓冷措施；如果探伤孔插塞焊缝的实际焊脚高度超过10mm，则采取650℃～700℃保温2小时的热处理措施。

4.1.3 对于WB36/SA-105材质。为了避免加热不均匀，改火焰预热为电加热预热，并由质检员用测温笔或远红外测温仪测量插塞和焊接区域的温度，确定温度均达到100℃以上时方可开始焊接；如果探伤孔插塞焊缝的实际焊脚高度不超过10mm，则采取焊后保温缓冷措施；如果探伤孔插塞焊缝的实际焊脚高度超过10mm，则采取590℃～610℃保温2小时的热处理措施。

4.2 安装工艺方面

4.2.1 插塞安装前严格执行封口措施，防止管道安装过程中的脏物和管道焊接过程中的飞溅落入而堵塞探伤孔螺纹通道。

4.2.2 探伤结束后，探伤孔安装前由质检员检查探伤孔和插塞螺纹的完好情况，如发现探伤孔螺纹有飞溅等异物，要清除干净并保护好螺纹。

4.2.3 探伤孔插塞安装后要用专用工具拧紧，使插塞帽下表面与母材紧密贴合，由质检员对终紧情况进行验收，确保终紧并且插塞帽与管道之间无间隙后方能焊接。如果终紧后一侧仍有较大间隙，则应对管道母材侧进行打磨，直到消除间隙为止。

5 结语

通过以上防范措施对这11只探伤孔进行了重新安装和焊接，解决了之前的裂纹问题。机组剩余的探伤孔的安装和焊接也在原有施工工艺的基础上添加了以上的防范措施，裂纹得到了很好的控制，在后来的机组试运期间非常稳定，没有类似问题的再次发生。

总之，由于焊接质量受母材、焊材、构件类型、安装和焊接工艺的影响，焊接接头同母材相比在性能方面还存在一定的差距，是整个区域的薄弱环节。为保证焊接质量符合运行安全要求，应该具体情况具体分析，制定合适的安装和焊接工艺等措施。

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作者简介：王海强（1981-），男，陕西宝鸡人，国电库尔勒发电有限公司工程师，研究方向：金属焊接技术管理。

（责任编辑：蒋建华）