李昕，曲直

（盤錦市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，遼寧 盤錦 124010）

壓力管道是一種管狀設(shè)備，通過利用一定的壓力來輸送液體或者氣體。它的范圍規(guī)定公稱直徑≧50mm的管道，介質(zhì)是氣體、液化氣體或者最高工作溫度高于或等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體，它們的最高工作壓力≧0．1MPa，它們的特點(diǎn)是易爆、有毒、可燃、腐蝕性強(qiáng)。壓力管道按級(jí)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(yè)管道（化工裝置）、動(dòng)力管道（火力發(fā)電廠）四種。在化工生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)的連貫性，經(jīng)常把具有一定壓力的腐蝕性介質(zhì)通過管道從一個(gè)裝置傳輸?shù)搅硪粋€(gè)裝置之中，介質(zhì)的腐蝕性會(huì)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(dǎo)致爆炸事件的發(fā)生。

1 壓力管道所產(chǎn)生的裂紋

壓力管道在加工中產(chǎn)生的線型裂紋是當(dāng)原材料進(jìn)行機(jī)加工時(shí)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?yàn)榱鸭y產(chǎn)生的位置不固定，可能在內(nèi)部，也可能在表面，但一般對(duì)管材的使用采取抽樣調(diào)查，因此當(dāng)采購時(shí)出現(xiàn)這種裂紋要遵循國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及工況條件，對(duì)其制造商、生產(chǎn)許可證等方面要嚴(yán)格檢查，要對(duì)腐蝕性較強(qiáng)的壓力管道在必要情況下進(jìn)行嚴(yán)格試驗(yàn)，比如其抗腐蝕性以及該管材的化學(xué)分析、機(jī)械的性能等方面。

2 壓力管道焊接裂紋

焊接裂紋是怎么產(chǎn)生的呢？當(dāng)壓力管道在補(bǔ)焊或者組焊時(shí)就會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋，除了在焊縫熱影響區(qū)易出現(xiàn)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(chǎn)生機(jī)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(yīng)力裂紋及應(yīng)力腐蝕裂紋等。

3 典型焊接裂紋產(chǎn)生的機(jī)理及預(yù)防

3.1 熱裂紋

（1）熱裂紋的產(chǎn)生機(jī)理。熱裂紋多產(chǎn)生于高溫條件下，它們是由沿晶界發(fā)生開裂，它們大部分產(chǎn)生于焊縫金屬內(nèi)，常見的熱裂紋有三種，它們分別是結(jié)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(jié)晶裂紋，結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生是在焊接時(shí)被加熱受到焊接熱源的影響到一定溫度后發(fā)生膨脹，焊接熔池的冷卻速度非?？欤嬖谟诤缚p周圍的冷金屬會(huì)阻礙其膨脹，冷壓縮應(yīng)力會(huì)影響到焊縫受熱區(qū)，焊縫上某點(diǎn)的溫度會(huì)隨著焊接熱源向前移動(dòng)而下降，此時(shí)因?yàn)槔鋮s收縮不均勻而導(dǎo)致的拉伸變形多于允許值時(shí)，沿晶界開裂，就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。除此之外，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)的共晶物凝固，它的速度小于焊縫金屬應(yīng)變速度時(shí)，也會(huì)造成結(jié)晶裂紋。

（2）結(jié)晶裂紋的預(yù)防針對(duì)措施。①對(duì)焊縫中C、S、P及其他有害雜質(zhì)的含量加以嚴(yán)格控制，細(xì)化晶粒，C、S、P元素和其他低熔點(diǎn)共晶的雜質(zhì)元素含量越低時(shí)會(huì)加大焊縫金屬的抗裂紋能力。如果焊縫中C＞0．16%，S＞0．05%時(shí)裂紋就有出現(xiàn)的可能。②改變接頭形式，形式不一的接頭會(huì)使剛度、散熱條件和結(jié)晶特點(diǎn)也不一樣，接頭的部位要注意，對(duì)應(yīng)力集中應(yīng)盡量避免。③在設(shè)計(jì)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(shí)要及時(shí)采取保暖緩冷的措施，當(dāng)焊件的溫度不高于零攝氏度時(shí)要保證焊縫在施焊處120mm這個(gè)范圍中預(yù)熱到大于16℃。④在焊接順序方面要注意為了分散應(yīng)力和盡可能的減少裂紋要采用對(duì)稱施焊的焊接方式，同時(shí)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(chǎn)生機(jī)理。當(dāng)焊接處于不利條件時(shí)，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(jīng)過焊接殘余應(yīng)力的影響，氫慢慢朝應(yīng)變集中的熱影響區(qū)靠攏。如果氫的濃度上升到某一臨界值，對(duì)于變脆的金屬，它承受不了即使是微小的應(yīng)變從而導(dǎo)致開裂，發(fā)展成宏觀裂紋。其特點(diǎn)主要是具有延遲性，并不會(huì)在焊接后立即出現(xiàn)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(tài)。①焊趾裂紋：它產(chǎn)生在有強(qiáng)烈應(yīng)力集中的地方，裂紋通常和焊道相平行并朝母材進(jìn)一步擴(kuò)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(qū)，且含氫量高以及淬硬傾向大。③根部裂紋：當(dāng)焊條的含氫量比較高、溫度預(yù)熱不夠的條件下會(huì)導(dǎo)致最大應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂紋。

（3）延遲裂紋的預(yù)防針對(duì)措施。①對(duì)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(fēng)的環(huán)境中，對(duì)于普通焊條要保溫350℃、對(duì)于超低氫焊條要保溫420～450℃，烘干要2．5h，并存放于保溫箱內(nèi)。③當(dāng)管道施焊時(shí)，要預(yù)防管內(nèi)穿堂風(fēng)的侵入，盡量一次性完成焊縫的處理，對(duì)于那些易產(chǎn)生此裂紋的母材進(jìn)行必要的焊后預(yù)處理，從而降低存在于焊縫中的有害影響、避免氫脆的現(xiàn)象，對(duì)焊接殘余應(yīng)力也會(huì)極大地降低。

3.3 熱處理裂紋

（1）熱處理裂紋的產(chǎn)生機(jī)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(yán)重應(yīng)力集中的粗晶粒區(qū)域的焊接熱影響區(qū)中，比如低合高強(qiáng)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(fā)生再熱裂紋現(xiàn)象。

（2）熱處理裂紋的預(yù)防針對(duì)措施。①在對(duì)材料的選擇盡量選擇再熱裂紋敏感性較低、符合機(jī)械性能以及強(qiáng)度不能超過母材，在工藝方面要盡量避免近縫區(qū)的應(yīng)力集中問題。保證及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理，將管子加熱至220～320℃，將它們緩冷保溫。②對(duì)焊縫一些會(huì)使應(yīng)力集中的熱影響區(qū)充分重視，盡量避免，比如咬邊以及表面的余高等。

3.4 應(yīng)力裂紋

（1）應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生機(jī)理。應(yīng)力裂紋常常會(huì)因?yàn)椴缓侠淼墓艿澜Y(jié)構(gòu)布置或者材料的缺陷，導(dǎo)致應(yīng)力在局部會(huì)過高以及波動(dòng)溫度的發(fā)生這些變載荷的影響下產(chǎn)生。通常情況來講，這些載荷包括風(fēng)載荷、壓力載荷、動(dòng)力載荷、機(jī)器震動(dòng)載荷等。如果以上這些壓力管道載荷或者它局部的應(yīng)力集中到達(dá)一定程度高的應(yīng)力值時(shí)就會(huì)使管道脆性斷裂。

（2）應(yīng)力裂紋的預(yù)防針對(duì)措施。①對(duì)管道的布置要合理的安排，盡量減少應(yīng)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(dòng)系統(tǒng)中的設(shè)備，對(duì)溫差的應(yīng)力要適當(dāng)減少。③管道的布置要考慮到管道的柔性，比如管道補(bǔ)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(shí)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(dāng)時(shí)安裝時(shí)并沒有經(jīng)過監(jiān)督檢驗(yàn)。工況條件：壓力：0．8MPa；溫度設(shè)計(jì)：210℃；輸送介質(zhì)：熱蒸汽；壁厚：10mm；材質(zhì)：0Cr18Ni9。在使用管道多處出現(xiàn)裂紋，裂紋高頻率出現(xiàn)的部位是焊縫附近的熱影響區(qū)，裂紋的取向基本是直線，幾乎與焊縫平行。

4.2 分析裂紋產(chǎn)生的原因

根據(jù)裂紋出現(xiàn)在焊接影響區(qū)，以及取向、形態(tài)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(zhì)有關(guān)。

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

（2）由于管道在12月安裝，因?yàn)檫^低的溫度造成裂紋產(chǎn)生的可能，因此要盡量減少或者避免焊接工作時(shí)溫度過低的環(huán)境。

（3）除了受材質(zhì)、溫度的影響，裂紋的產(chǎn)生也受其他因素比如：結(jié)構(gòu)、介質(zhì)、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(jī)械性能以及強(qiáng)度不能超過母材的材料，在工藝方面要盡量避免近縫區(qū)的應(yīng)力集中問題。

（2）使用管道的過程中要做好管道的在線檢驗(yàn)，經(jīng)常對(duì)管道進(jìn)行常規(guī)巡線檢查，每隔幾年就要做一次全方面的檢驗(yàn)，對(duì)于劣化材質(zhì)的管道，要及時(shí)對(duì)它們進(jìn)行理化檢驗(yàn)，劣化的材質(zhì)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(yán)重的，進(jìn)行必要的強(qiáng)度校核。

5 結(jié)語

綜上所述，對(duì)壓力管道焊接裂紋的機(jī)理分析都提出了相應(yīng)的預(yù)防措施，裂紋的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致壓力管道的事故發(fā)生，它是壓力管道的一種危險(xiǎn)缺陷，因此我們要對(duì)焊接過程的質(zhì)量控制、焊接設(shè)備和施焊環(huán)境等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制，根據(jù)預(yù)防措施及時(shí)調(diào)整，進(jìn)而減少裂紋的產(chǎn)生，最終保證壓力管道的安全使用。