延迟裂纹是不锈钢管道的一种严重缺陷,具◢有延迟性,一般在焊接完成之后的数◥小时、数天或更长时间内出现,其出★现一般为突发出现,无明显征兆,可导致不锈钢管道的突然开裂。因此,延迟时间的不确︼定性对长输不锈钢管道运行安全埋下重大隐患。本ζ文通过对延迟裂纹的原因进行分析探讨,提出有效的预防控制措施,对高质量的进行管线施工和保证输送管线的可靠运行,具有一定的实际参考价值。

一、前言

随着世界范围内对石油、天然气要求的不♂断提高,国内外输送不锈钢管道朝着高钢ζ 级、长距离、大口径、高压力方向发展。长输不锈钢管道的质量关系到整个不锈钢管道的安全运行。尤其是输气管线,一旦发生破Ψ裂事故,将爆管几千米,甚∮至十几千米,将造成重大经济损失和人员伤亡,且造成重大的环境污染。我国发生过多起延性断裂事故,如铁岭至秦↙皇岛管线巨流河穿越段试压时发生爆破,四川输气管线开╲裂爆破等。焊接接延迟裂【纹通常出现在焊接完成之后的几个小时、十几个小时、几天、数月甚至更长时间之后,裂纹的出现具有滞后性,部分裂纹无法通过】焊后探伤检测,此外延迟裂纹的出现一般为突发出现,无明显的№征兆,如果在不锈钢管道投运后出现,将为不锈钢管道运行安全埋下重大隐患。

二、焊接氢致延迟裂纹的影响因素

氢致延迟冷裂纹是管线钢焊接时㊣ 可能出现的一种具有延迟特性的危险的缺陷,它是引起⊙管线脆性断裂、产生应力腐蚀破坏的根源▆。大量的生产实践和理论研究表明,钢的淬硬倾向、焊接接头中的含氢量及其分布,以及焊接接头的应力状态是管线钢焊接时产生氢致延迟裂纹的三大〗因素。由于在管线钢现场安装焊接过程中受焊接工艺』条件和施工环境条件的影响,易于满足氢致延迟裂纹产生的三大条件,且随着不锈钢管道强度级别的提高,环焊接施工中冷裂纹的问题越来越突出,严重威胁到不锈钢∞管道的安全运行,是焊接工程中危害最大必须避免的严重缺陷。所以,深入了解延迟裂纹的形成机@ 理,以及发展定量的探测ω 诱发裂纹的因素及其相互关系的测试手段,以确保焊接结构的可靠性,是非常重要的。

三、延迟裂纹的◣产生机理

1.产生条件。焊缝中◆存在的扩散氢、焊接接头的脆性组织(马氏体、上贝氏体▽等)、焊接残余应力和外界应力导致的应力集中为形成延迟裂纹的三大因素。这三个条件相互促进,相互影响,在不同的情况※下,三者中任何一个因素都可成为导致裂纹产生的≡主要因素,然而又不可能是唯一的因素。许多情况下,氢时诱发冷裂纹最活泼的因素。

2.产生的位置。焊趾裂纹、焊道〇下裂纹、根部裂纹,该三种裂纹大部分都位于焊接卐热影响区的过热粗晶区位置。管线钢的▲焊接接头处单次热循环焊接热影响区主要分为由与母材相近的部分相变区,由等轴铁素体组成的正火细晶区和由马氏体、贝氏体、粗大铁素体组成∑ 的过热区组成。由于过热区主要由脆硬的马氏体、贝氏▂体和粗大铁素体构成,其硬度较大,变形能力差,在遇到较大应力时易于出现开裂。

3.产生的过程

1)淬硬组织。母材受到焊接电弧的▲热作用,并在快速冷△却的条件下,母材由塑韧性较好的铁素体转变为脆硬的马氏体结々构(即焊接热影响区淬火组织)。钢种的淬硬倾向越大,马氏体的含量越高。马氏〖体时一种脆硬的组织。在钢中含碳量较高时,就行成片状马ξ 氏体,对裂纹和氢脆的敏感性特别高。

2)扩散氢。焊接时,焊条、焊丝受潮,焊口油污、水、泥等,使焊缝金属存在大量的氢,并超过其临界含量。氢在不同金属组织中的溶解度和扩散系数♀不同,并且【随着温度的增高而增大。焊接时奥氏体转变为铁素体,氢的溶解度◆急剧下降。

3)应力集中。焊缝冷却收缩应力、焊接顺序不当、钢管未加支撑、钢管下沟变○形、管线的打压和服役时承受的压力等,同时︼焊缝金属未与母材进行圆滑过渡使得焊根处的应力集中系数较大。

当上述三个条件同时满足时,焊缝中的扩散氢会在应力、氢浓度梯度和金属内缺陷的作用下向热影响区的粗晶区内扩散∮,当氢浓度达到√一定值,并且焊缝处由于应力集中产生的应力大于焊缝的屈服极限时,焊接接头会发生塑性变形,淬火组织为脆硬相,其协调变形能力差,便会在此※处产生裂纹。裂纹产生的速度大部分取◢决于氢的扩散和◥聚集速度。

4.延迟裂纹的开裂机理。氢的应力扩散理论:金属内部缺陷,微孔、微夹杂和晶格缺陷等,提供了潜在╱裂源。在■应力作用下,微观缺陷前沿形成了三向应力区,诱使氢向该处扩散并聚集。当氢的浓度达到一定程度时,一方面产生较大的应力,另一方面阻碍位错移动而使该处①变脆,当应力进一步加大时,促使缺陷扩散而形成裂纹。

四、焊ㄨ接延迟裂纹的防治措施

延迟裂纹的出现,对国家财产和人民的人身安全有着非常大的威胁,所以在焊接生产过程中要采取合理的措施来避免延迟裂纹的出现∏。从延迟裂纹三要♂素着手,延迟裂纹的防治措施主要有以下几个方面。

1.控制氢的来源。氢在延迟裂纹形成过程中有着决定性的作用。一般来说,焊缝金属中的扩散氢主要来源于焊接材料中◎的水分、含氢物质、电弧周围空气的水蒸气、焊丝和母材坡口表面上的↘水、铁锈及油污等杂质。在焊接高温时,大量的氢溶解在熔池,冷却和凝固过程中,氢的溶解度急剧降低,致使氢以氢气的形式极力逸出;但是由〗于焊缝冷速快,氢来不及逸出,焊道处剩余的氢便以游离氢残存在焊缝金属中,焊缝中的氢过饱和状态,形成可扩散氢々。

对于管线钢的焊接而言,常采用的主要措施有以下两个措施:一是选用合理的焊接材料,尽量选择低氢或超低氢焊材,并严格控制药皮中的含水量,焊材使用前要烘干,清理焊丝、焊缝坡口上的水、铁锈↑和油污等杂质。同时还应重视焊条的防潮问■题,在高湿环境中焊条会显著吸潮而加剧氢致延迟裂纹倾向。二是建立低氢的焊接环境,焊接作业前要严格对管口进行清理,保证焊口处及周□围无冰霜雪、油污、铁锈、水份等,在雨雪雾天,没有一∞定的防护措施不得进行焊接作业。

2.工艺技术措施。工艺措施对防止焊接接头产生缺陷,提高接头使用性能至关重要。除了选用低氢的焊接材料和建立低氢的焊接环境外,从焊接工艺方面采取一定的☆工艺技术措施能够有效防〇止焊接过程中延迟裂纹的产生,比如合理安排焊接顺序、焊前预热、焊后缓冷、焊后热处理、后热等。

1)采用合Ψ理的焊接顺序。选择→合理的焊接顺序,焊接时先焊收缩量较大的焊缝,后焊收缩量较小的※焊缝,降低焊缝的拘束应力。采用多层多道焊,也是避免焊接接头中出现冷裂纹的有效措施之一。

2)焊前预热。焊前预热除了能对焊口进行烘干外,还能够缩小焊接⌒环境温度与焊道温度的差值,能够降低焊道的冷却速度。

3)焊后缓冷。焊后缓冷主要是通过焊后对焊道处施加无热源的保温措施,长输不锈钢管道施工常用保温被(缓冷被)。

4)消氢热处理。消氢热处理是在焊接作业『完成后对焊道处加热,使焊缝㊣ 只能够的氢迅速向外部扩散,加热的方法主要有中频加热、火焰加热等。

5)制定合理的焊接规范及热输入。选择合理的焊接规范,对减少焊件变形和裂纹影响很大,如★随着电流强度的增加,罕见的变形相应增大。合理的焊接热输入和焊接规范能有效降低焊缝凝固后的冷却速度,控制冷却时间,可以有效的改善焊缝及热ξ影响区的淬硬组∮织状态。

3.降低焊接应力。高强钢焊接时产生延迟裂纹〓不仅决定于钢种的淬硬倾向和氢的有害作用,而且还取决于焊接接头的应力状态,对焊接氢致延迟裂纹的产生具有很大的促进作用,而且还有可能起主导作用。因此,在实际生产中必须给与☉足够的重视,尽量降低焊接应力。主要有以下几个方面:

1)减少内应力。设计合理的焊接接头,采用合理的焊接顺序。内应力主要来自于焊缝凝固后的收◥缩应力,降低焊缝收缩应力主要是减少焊接拘束,使焊缝自由收缩。在不锈钢管道安装实际施工过程中,采用合理的焊接顺序,避免密集焊缝,以减少焊缝ぷ刚度。焊缝余高不能过高,焊▓接皆有截面要圆滑过渡,以减小焊缝拘束度,避免过高的应力集中。

2)减少外界应力。在管线安装作业中,由于钢管的自「重,钢管吊装组』队时,无可避免的会产生外界应力。为了减少外界应力的引入※,可以采取以下措施:精确的使用弯头弯管,避免由于角度不合适而出现不应该出现@ 的弹性敷设。

3)降低应力▅集中。管线中的焊∏缝相对于母材有较差的塑韧性,同时存在截面突变,是由应力集中而发生破坏的重点区域。长输不锈钢管道敷设中,应力集中的现象,包括ζ焊口断裂,弯头处焊口断裂或者弯头被不锈▽钢管道的移动加上本身的应力而断裂。应力集中程度由应力集中系数决定,截面过度角度越小应力集中越大,反而越小。因此,焊缝与母材过度处应采用平滑过渡,焊缝余高不能太高,焊缝不能低于母材焊缝宽度应︻尽量保持一致。

五、结语

引起焊接ω 氢致延迟裂纹的原因很多,通过对延迟裂纹形成的主要影响∑因素和开裂机理进行分析,得到了预防延迟裂纹产生的措施,比如合理的选用焊接材料、控制预热温度、制定合理的焊接规范』等。在实际的焊√接作业时,我们要针对于现场具体施工环境条件,综合考虑,选用◎最适合的方法,为高质量的管线施工提供技术支持,保证输送管线的安全可靠运行。