输油压力管道焊接热接缺陷成因及影响区裂纹扩展研究

郭敬超

摘要：如今，压力管道几乎都是焊接结构。由于焊接工艺不当或材料选择的问题，在管道投用的过程中，管道被焊接的部分常常会产生各种不同的焊接裂纹缺陷。再加上内部压力的影响，可能会使得这些裂纹的扩散速率加快，最终使得管道破裂。管道焊接时会存在一种焊接残余应力，焊接应力是焊接过程中焊件体积变化受阻而产生的，当已凝固的填充金属在冷却过程中，因垂直焊缝方向上各处温度差较大，高温区金属收缩会受到低温区金属的拘束，致使两部分金属中均引起内应力，这种力会随着裂纹的走势和形状产生不同的影响，并且与裂纹所处的位置也有着很大的关系，通常在焊缝两侧200～300mm以外就基本不会存在残余应力。

关键词：压力管道;焊接热影响;裂纹扩展

管道面临最严重的一个问题便是裂纹，裂纹的产生与扩散使得管道强度不能满足使用要求的状态，并且容易造成管道的破裂，给人类造成极大的损失与危害，所以解决管道裂纹问题是当前比较重要的一个问题。我国国内的管道运输飞速发展，焊接技术的应用也逐渐广泛，如航空航天、交通运输、机器制造等几乎所有的工业化领域。压力管道的运输与管道的安全检测成为当前的重中之重，对于压力管道的维修和安装有着重要的影响，对压力管道焊接的质量提升起到了关键作用。

1导致压力管道焊接缺陷的原因

压力管道焊接缺陷主要是因为焊接的技术水平不够专业，致使在压力管道的焊接过程中的操作不当，使得压力管道的焊接点出现问题，焊接点是有关压力管道安全性极其重要的一部分，如果压力管道的焊接点存在着缺陷，则容易产生泄漏的问题以至于引发事故。焊接表面有裂纹、未熔合、气孔、夹渣和飞溅、咬边、错边和角变形等严重问题。这些问题都是造成压力管道焊接缺陷的主要原因。

1.1错边和角变形

错边和角变形是由于焊接时操作出现问题，错边和角变形主要出现在压力管道的组装过程，焊接面参差不齐，压力管道的边缘粗糙及角变形是不可避免的，但是错边和角变形造成压力管道的强度下降。错边和角变形会致使压力管道的承压集于一点，严重时，就会使得压力管道出现安全事故[1]。

1.2焊接面夹渣

夹渣是因为某些原有熔渣未上浮至熔池的表面而残存于结晶的焊缝中而产生，由于压力管道焊接时的工艺不当及操作不谨慎造成的夹渣，被称为偶尔夹渣，有的夹渣是由于熔渣直接残存而产生的，压力容器的焊接面夹渣会大幅度降低焊缝强度及致密性等[2]。

1.3焊接未焊透、熔合

焊缝金属与母材间未被电弧熔化而留下的空隙叫做未焊透，熔焊金属与基体母材或与相邻焊道间及焊缝层间的局部残留间隙叫做未熔合。未焊透及未熔合都是严重的压力管道焊接缺陷，这种缺陷使得焊缝的焊接强度下降产生压力容器的裂纹，因而引发安全事故。造成这个缺陷的主要原因是焊接电流过小及焊接电弧过长等，通常出现于管道内壁侧与管道外表的距离较远[3]。

1.4焊接面裂纹

焊接裂纹是常见的压力管道焊接缺陷，也是最为严重的一种焊接缺陷，会对管道结构产生严重的危害。焊接裂纹的一般情形有：液体性质、热应力性质、延迟性性质等形式。焊接裂纹一般包括热裂纹和冷裂纹。裂纹原因有：环境潮湿，管道水分较多，未先行烘烤干，焊接的高温致使焊缝区产生微量氢内部残余，焊后快速的降温收缩过程致使其内部应力加大产生裂纹。焊工责任心差，焊后未及时自检，发现问题未及时处理。连续大面积管段且厚度小时，焊接散热快，短时焊接后降温迅速，造成局部应力集中产生裂纹等等。

2 对贯穿裂纹扩展的影响

2.1穿透裂纹应力强度因子

受到焊接残余应力的影响，应力強度因子将会变的非常大。焊接残余应力会使得裂纹的扩展速率加快，在进行热处理之后，焊缝四周的残余应力会大幅度的降低，相对的尖端的应力强度因子也会降低。靠近焊缝中心的裂纹，在热处理之后所受到的力也就越小，应力强度因子减小的幅度越大。

2.2穿透裂纹扩展分析

随着裂纹的不断扩展，会逐渐穿透管道，使得管道发生破裂。受到焊接的残余应力影响，管道内的压力逐渐增大，使得裂纹的长度变长，当裂纹扩展到一定程度之后，增长速率也会逐渐增大。对于焊接残余应力下不同长度的贯穿裂纹，内压增大的曲线变化规律基本一致，但是裂纹的长度越短，其尖端所靠近焊缝区域所受到的力也越大[4]。

2.3 表面裂纹应力强度因子

管道的裂纹在仅受到内压的作用时，应力的强度因子将会随着裂纹长度与深度的变大而变大，并且变化将会趋于稳定。在热处理之后，应力强度因子将会减小，这会使得裂纹扩展的速率减慢。随着裂纹深度与长度的不断增大，焊接的环向残余应力对管道的影响也会逐渐的减小，从而导致与仅受内压作用的应力强度因子的差值降低。

2.4 表面裂纹扩展分析

当焊缝的地方出现表面裂纹时，随着裂纹的不断扩展，它四周的焊接残余应力将会出现重分布的情况。当表面裂纹逐渐的扩展时，断面上的应力会减小，并且裂纹区域的焊缝表面的残余应力将会产生大幅度的降低。在裂纹尖端处，遭受着最大的残余应力，并且热影响区的表面裂纹会朝着径向的方向扩展，当扩展到一定程度之后，在朝着轴向扩展，在扩展的过程中，基本上保持着半椭圆形态。

2.5外载荷作用下残余应力的重分布分析

给焊接之后没有裂纹的管道施加内压然后在取消，将会大幅度的减轻它的残余应力。并且随着内压荷载的逐渐增大，焊缝附近的残余拉应力的释放量也在逐渐的变大。这主要是因为外载荷所产生的残余应力与焊缝处的力所叠加，从而使得塑性变形区域的残余应力逐渐释放，当载荷越大时，所受的残余应力也就越小。随着载荷的不断增大，内表面的轴向残余应力会逐渐减小。

3 疲劳载荷下焊接热影响区裂纹扩展研究

3.1错边及角变形对策

我们知道错边和角变形是不可避免的，要想对其进行消除是非常复杂及困难的。因此，我们只能预先实施措施并进行防范，压力管道安装和施工的时候严格执行压力管道的相关制造标准，确保每道对口的错边及角变形始终限制在制造条件允许的范围之内，杜绝其误差累积，以此来做到即使压力管道错边及角变形会形成较高的应力，但不会对压力管道承压的能力产生严重的影响，不会对压力管道的安全性产生问题。

3.2焊接面夹渣对策

对于压力管道焊接面夹渣的解决方法以及对策，焊接保证装配质量坡口的角度和钝边尺寸符合设计要求，采用低氢钙系碱性的焊条，在对压力管道焊接的过程中，我们要保证熔池清晰、熔渣与液态中的金属分离良好;按照焊接工艺规程对焊接规范进行选择，对坡口及两侧油污清除彻底，选择工艺优良，符合要求的焊条，接头过程中先清渣，收弧时要填满弧坑。

3.3未焊透、未熔合对策

对于未焊透、未熔合，我们为保证焊接质量，预防安全隐患，在焊接时出现这种问题，最好割口重新对接。对于这种缺陷，对焊接电流的大小要求以及焊接的速度需要严格选择，对于工作环境的选择要做到便于操作、适应无损检测要求等原则选用。

3.4焊接面裂纹对策

管道施工过程中质量控制最为重要的一个问题就是焊接面裂纹问题，其对管道的危害性很大，对于这种缺陷的发生我们一般采取如下几种方法来解决：

①浅表层存在的裂纹可以用砂轮打磨，用磨平的方法处理。

②焊接面的裂纹过小，我们可以用这个裂纹来研究其发展规律，观察并记录到它的发展走势，对防止潜在的安全问题具有很大的作用。就此，我们需要在焊前认真组装，对组装质量是否合格进行检测。尽量选择小电流多层多道焊以防止焊缝中心产生裂纹，按照工艺规程选择优良的焊接程序。

3.5疲劳裂纹扩展研究

焊接残余应力对管道的疲劳寿命有很大的影响，焊接残余应力相比较于管道母材上的裂纹来说，使其的寿命降低了更多。裂纹在进行扩展的前半个阶段，外表面的裂纹疲劳扩展的速率比內表面的高，随着裂纹的不断扩展，内表面的扩展速率逐渐加大，总的来说内表面的寿命要低于外表面。裂纹这样扩展主要是因为焊接的残余应力造成的，残余应力朝着壁厚的方向，从内到外逐渐增大，外表面的比较浅的裂纹所受到的力也大，所以扩展速率会加快。

3.6裂纹长度对疲劳寿命的影响

当裂纹的深度与残余应力的比值不变时，裂纹长度的不断增大，会使得管道的寿命不断降低。随着裂纹长度的不断增大，裂纹的减小速率也会降低。等裂纹达到一个极限值之后，裂纹长度对管道疲劳寿命的影响将会逐渐的降低。而且，裂纹长度的不断增大，焊接残余应力对管道疲劳寿命的影响也会降低。

3.7应力比对疲劳寿命的影响

应力比对管道疲劳寿命也有着较大的影响。当裂纹的长度与深度保持不变时，应力比减小，则管道的寿命也会缩短，应力比不断减小，焊接残余应力对管道疲劳寿命的影响也会减小。在进行过热处理之后，管道的疲劳寿命与完好的管道几乎一致，这主要是因为热处理时导致管道内压发生变化，从而减轻残余应力对管道寿命的影响，使得裂纹扩展的速率减慢。

3.8裂纹深度对疲劳寿命的影响

裂纹深度对管道的疲劳寿命也有着一定的影响，当裂纹的长度与应力比保持不变时，管道深度不断增大，则疲劳寿命就会降低，并且随着深度的增大，寿命降低的速率也会减慢。裂纹的深度越大，则残余应力对管道的影响也就越小，在热处理之后，它的寿命同样与完好的管道接近。这是因为在裂纹不断扩展的同时，裂纹尖端所受到的力也就越小，并且随着裂纹的不断扩展，残余应力的影响也就越小。

总之，这种局部效应对钢材会带来很大的危害，且可能会使裂纹迅速的扩散。因此，必须对管道的焊接残余应力进行分析，尽可能降低焊接残余应力，从而采取合适的措施控制裂纹扩展的速率，确保管道的正常运行。本文主要探讨压力管道焊接热影响区裂纹扩展，希望给相关人士带来一定的帮助。

4结语

综上所述，在管道容器方面，焊接技术是非常重要的，对于焊接技术的要求也越来越严格，焊接技术的发展近年也是极为迅速，压力管道的焊接环境非常复杂，有时还会涉及到高空作业，焊接的质量对管道能否安全运行有直接的影响，但是压力管道的焊接要求操作极高。对于压力管道而言，焊接是一个重要的工作，它的质量和效率对工程的工期及安全性有重要的影响。为了避免压力管道出现安全事故如泄漏、腐蚀等，同时在选材、安装等环节上对质量进行严格的检测，并在操作规范上严格要求，以至压力管道在发生安全隐患时能及时进行解决并施加有效办法，及时对压力管道焊接的缺陷进行修补，以此保障压力管道的安全性。裂纹扩展对于压力管道的正常使用起着非常重要的作用，其直接影响到压力管道的使用性能和寿命。在焊热接残余应力的影响下，压力管道的表面裂纹和贯穿裂纹会产生不同程度的扩展，从而影响到压力管道的使用效果。为了降低焊热接对压力管道裂纹扩展的影响，相关单位必须建立健全规章制度，优化升级焊热接流程，保证焊接热工作的正常进行。同时，该单位也需要加强对相关工作人员的培训工作，加强培训和考核力度，促进工作团队综合素养的提高，从而保证压力管道的正常使用。

参考文献

[1]杜东雷，刘北霜.输油管线腐蚀检测与防护[J].化工管理，2020（36）：85-86.

[2]范开峰，李思，黄启玉.原油管道蜡沉积物径向性质研究进展[J/OL].化工进展：1-19

[3]刘璐.输油管道泄漏监测系统的使用评价及改进[J].化工管理，2020（34）：66-68.

[4]闫亚敏，董烈武，任泽，王剑波，梁永图.通用型成品油管道调度优化[J/OL].油气储运：1-16.

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