论压力管道焊接裂纹产生机理分析及预防

李昕，曲直

（盘锦市特种设备监督检验所，辽宁 盘锦 124010）

压力管道是一种管状设备，通过利用一定的压力来输送液体或者气体。它的范围规定公称直径≧50mm的管道，介质是气体、液化气体或者最高工作温度高于或等于标准沸点的液体，它们的最高工作压力≧0．1MPa，它们的特点是易爆、有毒、可燃、腐蚀性强。压力管道按级别划分可分为长输管道（长距离输送）、公用管道（公用工程）、工业管道（化工装置）、动力管道（火力发电厂）四种。在化工生产过程中，由于生产的连贯性，经常把具有一定压力的腐蚀性介质通过管道从一个装置传输到另一个装置之中，介质的腐蚀性会造成压力管道局部或者整体的壁厚变薄，降低了它的承受能力使管道泄漏开裂从而导致爆炸事件的发生。

1 压力管道所产生的裂纹

压力管道在加工中产生的线型裂纹是当原材料进行机加工时金属材料自身的缺陷，比如疏松、夹渣等，由冲压、卷制等过程所致。因为裂纹产生的位置不固定，可能在内部，也可能在表面，但一般对管材的使用采取抽样调查，因此当采购时出现这种裂纹要遵循国家相关行业标准以及工况条件，对其制造商、生产许可证等方面要严格检查，要对腐蚀性较强的压力管道在必要情况下进行严格试验，比如其抗腐蚀性以及该管材的化学分析、机械的性能等方面。

2 压力管道焊接裂纹

焊接裂纹是怎么产生的呢？当压力管道在补焊或者组焊时就会产生焊接裂纹，除了在焊缝热影响区易出现外，还存在于角焊缝表面缺陷的地方、丁字焊缝、焊缝附近等。就它的产生机理而言可以分为几大类，有冷裂纹、热裂纹、再热裂纹（热处理裂纹）、应力裂纹及应力腐蚀裂纹等。

3 典型焊接裂纹产生的机理及预防

3.1 热裂纹

（1）热裂纹的产生机理。热裂纹多产生于高温条件下，它们是由沿晶界发生开裂，它们大部分产生于焊缝金属内，常见的热裂纹有三种，它们分别是结晶裂纹、液化裂纹以及多变化裂纹。而三种裂纹中最普遍的则是结晶裂纹，结晶裂纹的产生是在焊接时被加热受到焊接热源的影响到一定温度后发生膨胀，焊接熔池的冷却速度非常快，存在于焊缝周围的冷金属会阻碍其膨胀，冷压缩应力会影响到焊缝受热区，焊缝上某点的温度会随着焊接热源向前移动而下降，此时因为冷却收缩不均匀而导致的拉伸变形多于允许值时，沿晶界开裂，就会产生结晶裂纹。除此之外，当低熔点的共晶物凝固，它的速度小于焊缝金属应变速度时，也会造成结晶裂纹。

（2）结晶裂纹的预防针对措施。①对焊缝中C、S、P及其他有害杂质的含量加以严格控制，细化晶粒，C、S、P元素和其他低熔点共晶的杂质元素含量越低时会加大焊缝金属的抗裂纹能力。如果焊缝中C＞0．16%，S＞0．05%时裂纹就有出现的可能。②改变接头形式，形式不一的接头会使刚度、散热条件和结晶特点也不一样，接头的部位要注意，对应力集中应尽量避免。③在设计和工艺方面要尽量减少拉伸变形。碳钢管材在不高于五摄氏度的温度下施焊时要及时采取保暖缓冷的措施，当焊件的温度不高于零摄氏度时要保证焊缝在施焊处120mm这个范围中预热到大于16℃。④在焊接顺序方面要注意为了分散应力和尽可能的减少裂纹要采用对称施焊的焊接方式，同时要在几乎没有外力或者外力较小的条件下施焊。

3.2 冷裂纹

（1）冷裂纹的产生机理。当焊接处于不利条件时，氢在焊接熔池中被溶解，大部分氢快速过饱和溶剂和焊缝金属中。经过焊接残余应力的影响，氢慢慢朝应变集中的热影响区靠拢。如果氢的浓度上升到某一临界值，对于变脆的金属，它承受不了即使是微小的应变从而导致开裂，发展成宏观裂纹。其特点主要是具有延迟性，并不会在焊接后立即出现裂纹。而常见的冷裂纹以延迟裂纹较为典型。

（2）延迟焊缝的几种形态。①焊趾裂纹：它产生在有强烈应力集中的地方，裂纹通常和焊道相平行并朝母材进一步扩展，多存在于母材与焊缝的交界。②焊道下裂纹：此裂纹取向和熔合线呈平形状，多存在于焊接热影响区，且含氢量高以及淬硬倾向大。③根部裂纹：当焊条的含氢量比较高、温度预热不够的条件下会导致最大应力集中处出现裂纹。

（3）延迟裂纹的预防针对措施。①对焊接材料的选择和焊接工艺的采用都要选择低氢型。②要保证施焊用的焊条以及焊剂处于干燥通风的环境中，对于普通焊条要保温350℃、对于超低氢焊条要保温420～450℃，烘干要2．5h，并存放于保温箱内。③当管道施焊时，要预防管内穿堂风的侵入，尽量一次性完成焊缝的处理，对于那些易产生此裂纹的母材进行必要的焊后预处理，从而降低存在于焊缝中的有害影响、避免氢脆的现象，对焊接残余应力也会极大地降低。

3.3 热处理裂纹

（1）热处理裂纹的产生机理。热处理裂纹即再热裂纹，多呈分枝状，是一种晶间裂纹，这种裂纹的特征是晶间开裂，主要存在于有严重应力集中的粗晶粒区域的焊接热影响区中，比如低合高强钢这些有沉淀硬化倾向的不锈钢中，焊后要被加热到600～800℃。含V、Mo成分比如Cr-Mo-V、Mn-Ni-Mo-V和Cr-Mo-V-B等此成分较高的低合金钢容易发生再热裂纹现象。

（2）热处理裂纹的预防针对措施。①在对材料的选择尽量选择再热裂纹敏感性较低、符合机械性能以及强度不能超过母材，在工艺方面要尽量避免近缝区的应力集中问题。保证及时进行焊后热处理，将管子加热至220～320℃，将它们缓冷保温。②对焊缝一些会使应力集中的热影响区充分重视，尽量避免，比如咬边以及表面的余高等。

3.4 应力裂纹

（1）应力裂纹的产生机理。应力裂纹常常会因为不合理的管道结构布置或者材料的缺陷，导致应力在局部会过高以及波动温度的发生这些变载荷的影响下产生。通常情况来讲，这些载荷包括风载荷、压力载荷、动力载荷、机器震动载荷等。如果以上这些压力管道载荷或者它局部的应力集中到达一定程度高的应力值时就会使管道脆性断裂。

（2）应力裂纹的预防针对措施。①对管道的布置要合理的安排，尽量减少应力集中的部位，尽量避免管道各部位互相约束。②不要频繁启动系统中的设备，对温差的应力要适当减少。③管道的布置要考虑到管道的柔性，比如管道补偿器或者弹簧支架有利于管道柔性的增加。

4 压力管道裂纹实例分析

4.1 管道的概况

某工厂在2000年12月安装了压力管道，当时安装时并没有经过监督检验。工况条件：压力：0．8MPa；温度设计：210℃；输送介质：热蒸汽；壁厚：10mm；材质：0Cr18Ni9。在使用管道多处出现裂纹，裂纹高频率出现的部位是焊缝附近的热影响区，裂纹的取向基本是直线，几乎与焊缝平行。

4.2 分析裂纹产生的原因

根据裂纹出现在焊接影响区，以及取向、形态等特征可以判断此裂纹是上述的焊接热裂纹。形成此裂纹的原因可能与它本身材质有关。

（1）材质0Cr18Ni9化学成分本身的特殊性与复杂性使裂纹产生，材质中的合金元素镍和其他元素组合容易形成低熔共晶产生热裂纹。材质中的磷越高焊接热裂纹的产生倾向越大。

（2）由于管道在12月安装，因为过低的温度造成裂纹产生的可能，因此要尽量减少或者避免焊接工作时温度过低的环境。

（3）除了受材质、温度的影响，裂纹的产生也受其他因素比如：结构、介质、焊接工艺等多方面的影响。

4.3 有效措施

（1）选择再热裂纹敏感性较低、符合机械性能以及强度不能超过母材的材料，在工艺方面要尽量避免近缝区的应力集中问题。

（2）使用管道的过程中要做好管道的在线检验，经常对管道进行常规巡线检查，每隔几年就要做一次全方面的检验，对于劣化材质的管道，要及时对它们进行理化检验，劣化的材质比如脱碳、晶间腐蚀以及氢脆等问题，如果有大面积腐蚀管道以及减薄损伤严重的，进行必要的强度校核。

5 结语

综上所述，对压力管道焊接裂纹的机理分析都提出了相应的预防措施，裂纹的出现会导致压力管道的事故发生，它是压力管道的一种危险缺陷，因此我们要对焊接过程的质量控制、焊接设备和施焊环境等方面进行严格控制，根据预防措施及时调整，进而减少裂纹的产生，最终保证压力管道的安全使用。