压力管道焊接裂纹产生机理分析及预防

王 刚

（江苏省特种设备安全监督检验研究院 江阴分院，江苏 江阴 214400）

压力管道焊接裂纹产生机理分析及预防

王 刚

（江苏省特种设备安全监督检验研究院 江阴分院，江苏 江阴 214400）

现代工业体系中压力管道应用比例不断升高，在生产中对安全性、稳定性和经济性有着重要的影响。而焊接裂纹是压力管道常见的失效形式之一，这一缺陷产生的因素较多，被视为工业生产系统中的一项重要威胁。因此，有必要对压力管道进行焊接裂纹产生机制进行分析。文章结合几种常见的焊接裂纹形式展开研究，分别阐明其成因及预防措施，以供广大焊接、质检技术人员参考。

压力管道；焊接裂纹；成因；预防

0 引言

广义上所说的“压力管道”是指具有承受内外压力性能的管道，根据我国《特种设备安全监察条例》以及《特种设备目录》的明文规定，“利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于50mm的管道”。将压力管道视为“特种设备”的原因有两个，其一是它的应用范围很广，尤其在现代工业体系中，绝大多数气体、液体具有易燃、易爆、腐蚀性、毒性等特征，压力管道在运行的过程中必须确保自身的安全性和稳定性，避免造成危害物质的泄露或爆炸。其二是压力管道自身所处的生产环境特殊，从概念上说，“压力管道”依然属于管道的范畴，它发挥了不同设备、组件之间的物质运输传递功能，或者可视为一个完整工业生产体系的连接部分，一旦管道环节发生问题，必然会导致整个系统陷入停运或危险状态；对于压力管道而言，焊接裂纹是一种严重的技术性缺陷，焊接过程中对管道材质造成的破坏以及新界面产生形成的间隙，是导致压力管道发生危险的重要原因。

1 压力管道焊接裂纹概述

作为特种设备，压力管道在生产、运输、安装和运行的过程中都有严格的要求，尽管如此，在任何一个环节仍可能出现质量问题。以材料为例，钢材生产的过程需要经过多个环节，包括轧制、冲压、机加工等，而钢材本身就具有疏松、缩孔等问题，因此最后产生的缺陷更多。在生产压力管道的过程中忽略了对材质本身的质量控制，成品出现问题是必然的。

相对而言，压力管道安装中的焊接裂纹现象更加普遍，焊接裂纹的出现与金属材质、焊接工艺等具有密切的联系。一方面，焊接线能量会直接导致接头的化学组织性能出现“质变”，通过破坏原有组织微观结构，实现管道的连接。但是，这种不连续也会导致接头的应力集中，从而破坏管道的耐腐蚀性和强度。另一方面，焊接过程中接头以及热影响区会产生气孔、裂纹等一系列缺陷，而这种现象是无法彻底规避的。基于焊接工艺本身来说，裂纹不只会在焊接过程中直接出现，还会因为某些干扰因素或破坏机制，经过一定“潜伏期”才会凸显出来，也就是所谓的延迟裂纹。例如，在输送腐蚀性液体、气体的过程中，管道承受内压会加速焊接裂纹的扩展，或者压力管道使用时进入压力临界值、温度变化剧烈等极限工况中，焊接裂纹也会衍生扩展。

2 压力管道焊接裂纹的类型、成因及及预防

压力管道焊接裂纹是一种备受关注的工艺缺陷，构成因素复杂，并呈现出多种表现形式，以下笔者选择两类主要的裂纹为例展开分析。

2.1 热裂纹

顾名思义，热裂纹是由于高温形态出现而产生的，这对于焊接工艺而言基本上是无法避免的。焊接过程中，高温现象伴随发生，沿奥氏体晶界产生裂纹，可形成结晶裂纹、多边化裂纹及液化裂纹3种类型。

热裂纹的产生机理并不复杂，母材在焊接过程中，金属基于热胀冷缩的物理原理发生变化，但焊缝周边的冷金属部分变化幅度较小，对膨胀部分产生阻碍作用，焊缝在周边热区的影响下出现压缩应力，并随着焊接时间的延长、热点不断前移，焊缝位置的温度下降比中心点明显，焊缝两侧金属收缩速度不同步，由此产生热裂纹。

为了有效地预防这一现象出现，首先要从钢材质量方面入手，增加合金元素含量，降低硫、磷等杂质的比例，在焊接过程中减少低熔点共晶物的产生。同时，选择合适的焊接工艺参数，调整焊接线能量，降低热输入，减少焊接应力。其次，加强焊接工艺的改进，例如低碳钢要在≤5℃的环境下焊接应采取预热措施；强调焊接顺序的合理性，要尽量避免外力作用的拘束状态焊接作业。

2.2 冷裂纹

焊接接头冷却到马氏体转变温度即Ms线附近，在氢、拘束应力以及淬硬组织的共同作用下产生冷裂纹。最常见的是延迟裂纹，特点是裂纹的形成有一定的延时性，其原因在于扩散氢的富集需要时间，在生产中易被忽视，容易造成重大危害。

为避免冷裂纹的产生，在焊接过程中，要降低焊缝中氢含量，去除母材表面锈迹和油污，采用低氢焊条，严格烘干焊材；对焊缝进行适当的预热，必要时采取焊后缓冷；合理选择金属材料，避免淬硬组织出现；降低残余应力，避免应力集中，减少焊缝拘束度。

2.3 应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是压力管道最主要的失效形式之一，对管道的运行有重大影响，是由于管道布置结构不合理，造成局部应力不均匀或者长时间温度、压力变化波动等多方面因素，在特定的腐蚀介质共同作用下产生的破裂。包括点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀和全面腐蚀。其特点是拉应力以及特定的介质，且裂纹扩展速率缓慢，释脆性断裂。

在预防措施上，一方面要合理安排管道的设计、安装，避免管道在同一区域过度集中，减少与不相干系统之间的约束关系，稳定温度变化，避免系统设备频繁停开；另一方面根据介质的腐蚀性，合理选择管件材质，使用过程中，运行清洗吹扫等避免接触应力腐蚀介质，例如，硫化氢、氢等。

3 裂纹实例分析

某石化公司炼油厂制氢装置投产5年的转化炉入口Cr5Mo法兰与HK-40炉管焊接处先后出现4处泄漏。法兰与炉管为异种钢焊接，采用对接焊、钨极氩弧焊，焊丝为ERNiCrFe-5，焊前预热100-120℃，焊后保温缓冷。法兰与炉管工作温度430℃，外壁温度约为250℃，管内介质为石脑油和蒸汽。停工检修，对裂纹产生原因作了检查和分析。

裂纹起源于焊缝根部沿熔合线扩展进入母材焊缝区域，后又折回熔合线，面上裂纹未完全穿透壁厚。焊缝余高超标。因此在根部熔合线处产生应力集中，易引发裂纹产生。作显微观察，裂纹断口未见夹杂，断口充满灰色氧化物，说明在高温下产生，同时有珠光体球化现象，主裂纹边缘晶粒被拉长、变形，说明焊缝承受较大应力。

4 结语

综上所述，裂纹是在430℃高温下长期服役产生的，珠光体在高温下球化使钢的抗蠕变能力和持久强度下降，为裂纹产生和扩展创造了条件。焊后未进行消应力热处理以及焊缝余高超标，使焊缝存在较大残余应力，根部严重应力集中是裂纹产生的主要原因。

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[3]耿彬.压力管道裂纹产生原因分析及预防措施[J].中国石油和化工标准与质量，2013（4）：236.

Analysis and prevention of welding crack in pressure pipeline

Wang Gang
(Jiangyin Branch of Jiangsu Province Special Equipment Safety Supervision Inspection Institute, Jiangyin 214400, China)

The application of proportional pressure pipeline modern industrial system continues to rise, in the production of safety, has an important in fl uence on the stability and economy. While the welding crack is one of the most common form of pressure pipeline failure, there are many factors resulting in the defects, is regarded as an important threat to industrial production system. Therefore, it is necessary for welding cracks mechanism analysis of pressure pipeline welding crack form is studied. Combined with several common, clarify its causes and preventive measures, in order to provide the welding quality inspection and technical personnel for reference.

pressure pipeline; welding crack; cause; prevention

王刚（1988— ），男，汉族，江苏江阴人，助理工程师；研究方向：特种设备的监督检验和定期检验。