在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施

在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施（精选2篇）

在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施 篇1

在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施

陈冰川，陈伟民，朱伟青

（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）

摘要：对某在役奥氏体不锈钢压力容器进行现场金相检测时发现其下封头的纵向焊缝处存在微裂纹。分析了裂纹的形成原因，结果表明该裂纹是由焊接引起的横向沿晶液化裂纹和由压制成型引起的纵向裂纹共同构成的混合型裂纹。针对如何预防此类裂纹，提出了相应的工艺改进措施。

关键词：奥氏体不锈钢； 压力容器； 焊缝； 裂纹； 应力分析 中图分类号：

文献标志码：A

文章编号：

The Cause Analysis and Prevention Measures of Welding Cracks on the In-service Pressure Vessel

CHEN Bing-chuan，CHEN Wei-min，ZHU Wei-qing(State Nuclear Power Plant Service Co.Ltd., Shanghai 200233, China)Abstract: In the local metallographic examination process for an austenitic stainless steel in-service pressure vessel, the microscopic cracks had been found in the longitudinal weld of its lower head.Formation mechanism of cracks is analyzed, the result show that those cracks are composed of transverse liquefaction cracks cause by welding and vertical cracks caused by the suppression molding in manufacture.Some measures have proposed to the prevention of this kind of cracks.Keywords: austenitic stainless steel;pressure vessel;weld;cracks;stress analysis

在压力容器、锅炉和管道等设备部件制造中，常常需要依靠焊接工艺实现两部分母材间的结合。由于在焊接过程中母材被瞬间加热熔化形成熔池，随后熔池液态金属快速冷却结晶而形成焊缝。在熔池金属结晶过程中，焊接接头的显微组织会发生变化，产生焊接应力和变形，同时可能产生各种焊接缺陷，从而影响焊接件的力学性能。因此焊接是一种比较容易出现缺陷的热加工工艺。

金山某化工厂的在役压力容器R2204A聚合反应器标称为II类容器，材质为316L超低碳奥氏体不锈钢，容器规格Φ5060×22 mm，运行介质为有机催化剂，设计温度200℃，业主方未提供其他有关的运行参数。该压力容器主要由筒体和上下封头组成，筒体为钢板卷曲为圆筒状后焊接而成，上下封头则为多块钢板拼焊后冷压制成椭圆形，最后筒体与上下封头通过环形焊缝焊接而成，具体的焊接工艺不详。在2009年12月国核电站运行服务技术有限公司按照《在用压力容器检验规程》的有关规定及业主方的委托，对其内部进行了定期无损检测和金相检验，检测部位见图1，包括椭圆形下封头拼接钢板的两条纵向焊缝和一条筒体与封头连接的丁字焊缝，图中所示的1#、2#和3#依次为这三条焊缝上的现场金相检验的取样部位。

图1 压力容器的检测部位示意图

Figure 1 Schematic diagram of pressure vessel inspection part 在对这三条焊缝进行渗透检测时，表面均未出现记录性缺陷显示。渗透检测对表面缺陷的检出灵敏度一般为1mm宽，低于这一尺寸的缺陷一般难以通过渗透检验检出。在渗透检验的焊缝中黑色区域为现场金相检验的取样部位，如图2所示。

a． 纵向焊缝的渗透检测及金相检验的1#取样部位

a.Penetration test and metallographic examination of No.1 sampling part on longitudinal weld

b． 丁字焊缝的渗透检测及金相检验的3#取样部位

b.Penetration test and metallographic examination of No.3 sampling part on T-weld 图2 焊缝的渗透检测及金相检验取样部位

Figure 2 Penetration test and metallographic examination sampling part on weld 现场金相检验结果发现封头上的两条纵缝（1#、2#取样部位）的熔合线靠近母材侧存在微裂纹，裂纹形貌如图3所示。

a.100倍 a.100X

b.400倍 b．400X

图3 纵向焊缝处的裂纹形貌

Figure 3 The cracks morphology of the longitudinal weld

检测结果交给业主方后，按照《在用压力容器检验规程》的安全状况等级评定有关内容，将该压力容器的安全状况等级降为4级。由于无法对在役压力容器进行破坏性试验，《在用压力容器检验规程》中所要求的检测方法主要包括无损检测、硬度测定、金相检验、应力测定和耐压试验等，而作为一种重要的分析手段，现场金相检验对压力容器的完整性影响极小，可以在不破坏其使用的情况下研究材料的微观组织变化，分析和推测这台压力容器产生微裂纹的产生原因，故对其的微裂纹成因分析主要借助于金相分析。裂纹的成因分析 1.1 横向裂纹的成因

1.1.1 各区域金相组织的差异

焊接接头包括焊缝、熔合区和母材热影响区三个区域，各区域的组织和力学性能差异较大。从图3可以看出，该焊接接头的焊缝组织为奥氏体柱状晶；在100倍的金相照片上可观察到，其熔合线上方有较宽的黑色条状区域，说明熔合区存在较严重的偏析和杂质聚集，这种化学成分的不均匀性会导致力学性能严重下降，其组织为奥氏体柱状晶+枝晶；熔合线下方为母材热影响区中的过热区，组织为较粗大的奥氏体孪晶。焊接接头上的微裂纹多位于熔合区附近，向母材热影响区沿晶扩展，一定数量的垂直于焊缝的横向裂纹与少量平行焊缝但尚未贯穿的纵向裂纹构成一条混合型裂纹带。

1.1.2 液化裂纹的形成机理

在母材与焊缝交界处，即熔合区或多层焊缝层间的金属由于在焊接过程中快速加热和快速冷却，且往往在晶间还存在低熔点合金和夹杂物，容易发生局部熔化而形成沿晶扩展的裂纹，这种裂纹称为液化裂纹 [1]。

图4 液化裂纹示意图

Figure 4 Schematic diagram of liquid cracks

从纵向焊缝的金相照片中观察到，该焊接接头的熔合区过宽、低熔点共晶体偏析严重说明化学成分控制不佳，这些都对液化裂纹的形成产生了重要影响。结合微裂纹的形貌特征，认为其中的横向裂纹主要是焊接热裂纹中的液化裂纹，呈沿晶开裂方式产生在熔合区附近，向母材热影响区中的过热区发展，如图4所示。

1.2 纵向裂纹的成因

纵向裂纹源于应力集中引起的开裂，该压力容器的封头采用拼板焊接后再压制成型工艺，在焊接完成后，内部容易产生焊接残余应力和焊接变形。当焊接后再进行封头压制成型时，焊接残余应力与冷压成型应力相叠加，造成焊缝局部区域应力过高，使焊缝产生新的塑性变形，故诱发了纵向裂纹。关于焊接残余应力和冷压成型应力的具体分析如下：

1.2.1 焊接残余应力

由于焊接过程是局部加热，焊接件各部分不能同步加热和冷却，也不能自由膨胀和收缩。在加热时，焊缝金属及其附近区域的母材受周围冷金属的拘束，不能自由膨胀而受到塑性压缩；在冷却后不能自由收缩而受拉应力，同时还可能发生焊接变形[2]。这种冷却后的拉应力如果不经过恰当的去应力处理便会成为焊接残余应力，影响焊接构件的承载能力。

但对于奥氏体不锈钢，一般不宜进行去应力处理。因为奥氏体不锈钢如果在500~850℃左右温度下热处理时易发生敏化，析出Cr23C6型碳化物[3]，导致不锈钢的冲击韧性以及耐腐蚀性能大大下降，甚至诱发再热裂纹。显然，焊接后未进行去应力处理的奥氏体不锈钢便会有少量残余应力存在[4]，为垂直于焊缝方向的拉应力。

1.2.2 冷压成型应力

该封头的制造工艺主要为三块奥氏体不锈钢拼板纵向焊接而成，之后在压制力F的作用下，封头拼板受压变形，最终达到所要求的形状。压制过程采用冷压成型工艺，工艺简图见图5。

压制力拼板焊缝

图5 封头压制成型工艺示意图

Figure 5 Schematic diagram of pressure molding process for lower head

在压制过程中，在两条纵向焊缝区域内，外加压制应力会引起内应力，其方向为垂直于焊缝的拉应力，如图6所示。这种拉应力与焊接残余应力相叠加，在力学性能最差的焊缝熔合区附近造成应力集中，导致焊缝熔合区内塑性较差的区域出现大量微裂纹。

a.拼板纵向焊缝剖面示意图

a.Schematic diagram of the section of longitudinal weld in splice plate

b.熔合区任一点应力分析

b.Stress analysis of random point in the fusion zone

图6 焊缝区域应力分析 Figure 6 Stress analysis of weld

按照断裂力学理论[5]，断裂强度因子KI于含穿透裂纹的无限板，YYa，式中：Y表示裂纹形状系数，对

；表示裂纹扩展时受到的外加应力值；a表示裂纹长度。在已形成的微裂纹处，应力集中程度最高，一旦超过了微裂纹能够承受的应力值后就会使裂纹不断向前扩展，最终扩展为大致与焊缝平行的纵向裂纹。裂纹的预防措施

根据此种裂纹的成因分析结果，我们建议业主加强对该台容器的检测频率，重点跟踪微裂纹的扩展情况。同时，还为今后压力容器封头避免出现此类裂纹，提出了以下预防措施：

2.1 严格控制化学成分

严格限制奥氏体不锈钢焊接材料和母材中的硫、磷等低熔点杂质元素的含量；改进冶金技术，有效降低含碳量；适当添加钒、钛、铌等微量元素。

2.2 控制焊接接头质量

业主方虽未能提供实际所采用的焊接工艺，但从焊缝金相照片上的熔合线过宽可推断出焊接工艺存在问题，故建议在焊接方面应当控制焊接工艺参数以适当提高焊缝成形系数，一般不采用大热输入量进行焊接。焊条电弧焊时，宜采用小焊接电流，快速多道焊，对于工艺要求高的焊缝，甚至可以采用浇冷水等措施以加速冷却，防止焊缝晶粒严重长大和焊接热裂纹的形成。采用合理的焊接顺序来减小焊接应力，并控制焊接质量。在焊接后或封头压制完成后可进行低温去应力处理，温度范围控制在300~350℃，不宜超过450℃，以免析出高铬碳化物造成晶界贫铬，引起晶间腐蚀。同时在焊接过程中，应采用气体保护焊，避免其他杂质进入熔池。

2.3 优化封头制造工艺

随着原材料加工工艺的进步以及宽大的钢板制造能力的提高，以上的拼板焊接压制的封头制造工艺已经逐渐淘汰，而采用更先进的独幅板材压制成型技术来制造大型压力容器的封头。这种更先进的封头制造工艺以及合理的结构设计可以有效地避免焊接和冷压成型过程的应力集中问题。结论

综上所述，该容器的封头拼板焊缝由于焊缝熔合区的化学成分控制不佳，存在严重偏析和夹杂物，使力学性能下降，从而增加了横向的液化裂纹倾向；同时受到冷压成型应力和焊接残余应力的联合作用，在熔合区应力集中引发了纵向裂纹，一定数量的横向裂纹与少量尚未贯穿的纵向裂纹构成了一条混合型裂纹带。

参考文献 [1]王荣.焊接件的金相检验[M]// 徐祖耀,黄立本,鄢国强主编, 中国材料工程大典: 第26卷,材料表征与检测技术, 第7篇, 金相分析.北京:化学工业出版社, 2006;740~747.[2]王志海主编.热加工工艺基础[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1996;174~179.[3]杨力.不锈钢、耐热钢及高温合金的金相检验[M]// 徐祖耀,黄立本,鄢国强主编, 中国材料工程大典:第26卷, 材料表征与检测技术, 第7篇, 金相分析.北京:化学工业出版社, 2006;719~722.[4]戈兆文主编.承压设备焊接工程师[M].昆明:云南科技出版社, 2004;105.[5]褚武扬编著.断裂力学基础[M].北京:科学出版社, 1978;11.

在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施 篇2

随着我国经济的高速发展以及科学技术的不断进步, 天然气的开发规模不断扩大, 并通过长输天然气管道被送到了千家万户, 大大提高了人们的生活水平和生活质量。更严重的便是危及居民的生命安全, 所以为了保证长输天然气管道的正常运行, 管道焊接质量是尤为重要的一环, 尤其是不能出现裂纹类缺陷。

1 长输天然气管道焊接裂纹常见类型

目前, 我国天然气运输管道主要是钢管, 有热轧无缝钢管、螺旋缝钢管以及直缝钢管之分, 其中属螺旋缝埋弧焊钢管使用居多, 广泛的应用于我国天然气工业。长输天然气管道选材的安全性极为重要, 在施工过程其质量的保证是必须重视的一大问题。长输天然气管道的焊接质量直接关系到天然气运输的安全性, 而天然气长输管道在焊接的过程中很容易由于焊接技术不到位或在使用的过程中遭遇不同的环境而产生裂纹。还是韧性亦或者抗腐蚀性都很低, 再加上焊接施工过程中组对不精细、焊接工艺欠佳等原因, 使得焊口质量难以到达到理想的标准, 不能充分发挥其应有的价值。结晶裂纹只存在于焊缝中多呈纵向或弧形分布在焊缝中心及两侧其主要产生原因是由于焊缝凝固时的先后时间顺序及组织成分不同, 管道焊接施工人员应积极采取有效措施, 提高管道焊接质量, 防范管道裂纹的出现, 提高天然气传输、使用过程的安全性与稳定性。

2 长输天然气管道焊接裂纹的影响因素

鉴于长输天然气管道安装过程中焊接质量的好坏直接关系到天然气的运输安全和使用安全, 因此, 施工人员在焊接之前, 应做好充分的准备工作。焊接裂纹不仅会产生于焊接过程中, 而且还会在焊后的再次加热中出现。焊接裂纹根据其尺寸、部位、机能和形成原因的不同, 会有不同的分类方法。

2.1 冷裂纹

裂纹是焊接中危害性最大的一种缺陷由于其均有延伸性在焊道存在内应力的情况下裂纹会一直延伸扩展直至焊道破坏为止, 因此在长输管道的施工中裂纹缺陷是不允许存在的通常也不允许返修必须割口重焊, 长输天然气管道安装过程中, 管道焊缝的焊接并非在任何环境条件下都能进行的, 具体说来, 在施工现场出现某些情况时, 焊接人员应停止管道焊缝的焊接工作。其焊接接头存在淬硬组织使其性能脆化、扩散时氢含量较高使的接头性能脆化、焊接缺陷处形成大量聚集的氢分子造成非常大的局部压力, 这些都是长输天然气管道产生冷裂纹的原因。

2.2 热裂纹

热裂纹的产生原因主要是由于高温环境导致焊缝处的熔池在结晶的过程中出现偏析, 结晶被拉开, 进而形成裂纹。焊接熔池在结晶过程中本身就存在偏析现象, 当焊接应力足够大时, 就会因为结晶被拉开, 形成裂纹。此外, 如果钢材中掺有杂质, 也会造成在拉应力的作用下形成裂纹的现象。其危害性更大焊接过程中溶于焊缝金属内的氢向热影响区扩散偏聚, 特别在容易启裂的三轴拉应力集中区富集, 引起氢脆, 即降低金属在启裂位置 (或裂纹前端) 的临界应力, 当此处的局部应力超过此临界应力时, 在垂直于厚度方向的焊接应力作用下, 该夹杂处首选开裂并扩展, 夹杂物会影响氢从钢中的析出, 使层状撕裂倾向加剧要控制这种缺陷, 因为钢板的内部存在有分层的夹杂物, 所以在焊接时产生了垂直于轧制方向的应力, 致使在热影响区或稍远的地方, 形成呈阶梯状的一种裂纹。

3 天然气长输管道焊接裂纹防范对策

3.1 焊条的选用及处理

从目前国际上焊接管道的趋势上看, 有的国家焊接打底焊道时采用纤维素型焊条, 焊接其他焊道及盖面焊道时采用碱性焊条实践证明, 采用这种方案可使焊接, 接头质量进一步提高焊条中的水分是焊缝中混进氢的主要因素, 只有严格依照相关标准、规范, 做好焊前一系列准备工作, 才能提高管道焊接质量, 大大降低焊接裂纹的产生率。通过实践证明, 焊接打底焊道时采用纤维素型焊条, 焊接其他焊道及盖面焊道时采用碱性焊条, 可使焊接接头质量进一步提高, 减少焊缝中氢的混入。对于钢管的净化工作主要是将焊接处钢管内部表面的水分、淤泥、铁锈以及油污熔渣等杂质清除干净, 清除的范围为焊接处50mm范围内。适当的将碱性低氢型焊条的烘干温度提高, 可以有效减少焊缝中氢的含量, 进而降低长输管道的裂纹率。管道焊缝焊接工作完成后, 还需要进行射线探伤。施工单位在开展射线探伤工作时, 主要是以《石油天然气钢质管道无损检测》 (SY/T4109-2013) 和《金属熔化焊焊接接头射线照相》 (GB/T3323-2005) 为标准的。每次使用时, 从焊条筒中取出两根焊条, 如果这两根焊条在两小时内未用完, 还要重复上述烘干工作, 但焊条的烘干不能超过两次。

3.2 选用合理的焊接顺序

在焊接工艺规程规定的范围内应选择“较大焊接线能量” (规定范围内的扩大能量并非无限制的增大) 来减慢焊缝的冷却速度, 利于氢的扩散。选用合理的焊接顺序在一定程度上可以减少焊接应力, 避免焊接变形, 从而大大减少管道裂纹现象的出现。对口间隙的大小直接影响到根焊内部成型焊接效率以及焊接材料的消耗等对口间隙过小, 必然造成填充金属不易穿透和背部成型不良, 从而产生应力集中, 选用正确的焊接顺序能够有效的避免焊接处变形, 减少焊接应力, 进而降低长输管道焊接处发生裂缝的情况。管道下向焊比较适合的焊接方式是流水作业式, 通常由两名技术人员同时进行操作, 焊接顺序为由管道的上焊口向下施焊, 另外还要做好焊接前的准备工作, 包括管材材质分析与检验接头选型与组对施焊处的清理和预热等, 均应按目前国家有关标准, 规范进行。采用这种焊接顺序对管道施焊时, 应妥善处理好焊口上下部位的连接问题。一旦管道的直径超过了711毫米, 那么同一焊道就需要三名焊接工人同时施工, 焊接顺序既要满足焊接对称性的要求, 焊接的顺序既要满足对称性, 也要满足平衡性。在施焊时要控制好电流, 防止出现电流过大的情况。此外在焊接最后一层钢管时一定要注意对焊缝余高的控制, 要使焊缝达到足够饱满。

3.3 其他控制措施

管道焊缝焊接工作完成后, 还需要进行射线探伤。施工单位在开展射线探伤工作时, 主要是以《石油天然气钢质管道无损检测》 (SY/T4109-2013) 和《金属熔化焊焊接接头射线照相》 (GB/T3323-2005) 为标准的宜采用连续焊焊接每条焊缝, 不得随意中断, 如因故中断时, 应根据工艺要求采用预热措施, 以防止产生裂纹再进行焊接前, 确认无裂纹后方可按原工艺要求继续施焊, 因此, 为了保证管道安装质量, 应对焊缝接头进行焊前预热。焊前预热是至关重要的一个环节, 必须引起焊工的高度重视。预热时, 首先将预热的火焰对准坡口的中心。预热过程中, 火焰不宜过大, 当预热达到规定的温度后方可开始正式的焊接工作。焊缝同一部位的焊补次数不宜超过两次, 如超过, 焊补前应经单位技术总负责人批准, 并采取可靠的技术措施。

4 结束语

随着我国天然气管道的建设的壮大, 广大人民群众对于天然气需求的补给更盛, 对天然气输送管道施工和建设将会面临更大的挑战, 由于管道施工环境的复杂, 裂纹作为一种最严重的缺陷, 要想完全避免其产生, 还需要进一步的努力, 尤其要提高施焊人员的操作技能和责任心。从而确保天然气运输以及使用的安全。

摘要：近几年来我国正加紧了天然气管道的建设, 天然气是一种无色但却易燃易爆的气体, 而长输天然气管道焊接裂纹一直是影响管道焊接质量的一大难题, 就如何加强长输天然气管道安装过程中焊接质量管理展开了探讨, 以期对提高其焊接质量, 确保天然气运输、使用的安全性有所裨益。

关键词：长输天然气,管道焊接裂纹,成因及控制措施

参考文献

[1]檀才保.长输天然气管道焊接裂纹分析与控制[J].广西轻工业, 2011 (6) .

[2]刘成玉.长偷管道焊接方法的选择与应用[J].电焊机, 2012 (03) .