延遲裂紋是不銹鋼管道的一種嚴重缺陷,具有延遲性,一般在焊接完成之后的數小時、數天或更長時間內出現,其出現一般為突發出現,無明顯征兆,可導致不銹鋼管道的突然開裂。因此,延遲時間的不確定性對長輸不銹鋼管道運行安全埋下重大隱患。本文通過對延遲裂紋的原因進行分析探討,提出有效的預防控制措施,對高質量的進行管線施工和保證輸送管線的可靠運行,具有一定的實際參考價值。

一、前言

隨著世界范圍內對石油、天然氣要求的不斷提高,國內外輸送不銹鋼管道朝著高鋼級、長距離、大口徑、高壓力方向發展。長輸不銹鋼管道的質量關系到整個不銹鋼管道的安全運行。尤其是輸氣管線,一旦發生破裂事故,將爆管幾千米,甚至十幾千米,將造成重大經濟損失和人員傷亡,且造成重大的環境污染。我國發生過多起延性斷裂事故,如鐵嶺至秦皇島管線巨流河穿越段試壓時發生爆破,四川輸氣管線開裂爆破等。焊接接延遲裂紋通常出現在焊接完成之后的幾個小時、十幾個小時、幾天、數月甚至更長時間之后,裂紋的出現具有滯后性,部分裂紋無法通過焊后探傷檢測,此外延遲裂紋的出現一般為突發出現,無明顯的征兆,如果在不銹鋼管道投運后出現,將為不銹鋼管道運行安全埋下重大隱患。

二、焊接氫致延遲裂紋的影響因素

氫致延遲冷裂紋是管線鋼焊接時可能出現的一種具有延遲特性的危險的缺陷,它是引起管線脆性斷裂、產生應力腐蝕破壞的根源。大量的生產實踐和理論研究表明,鋼的淬硬傾向、焊接接頭中的含氫量及其分布,以及焊接接頭的應力狀態是管線鋼焊接時產生氫致延遲裂紋的三大因素。由于在管線鋼現場安裝焊接過程中受焊接工藝條件和施工環境條件的影響,易于滿足氫致延遲裂紋產生的三大條件,且隨著不銹鋼管道強度級別的提高,環焊接施工中冷裂紋的問題越來越突出,嚴重威脅到不銹鋼管道的安全運行,是焊接工程中危害最大必須避免的嚴重缺陷。所以,深入了解延遲裂紋的形成機理,以及發展定量的探測誘發裂紋的因素及其相互關系的測試手段,以確保焊接結構的可靠性,是非常重要的。

三、延遲裂紋的產生機理

1.產生條件。焊縫中存在的擴散氫、焊接接頭的脆性組織(馬氏體、上貝氏體等)、焊接殘余應力和外界應力導致的應力集中為形成延遲裂紋的三大因素。這三個條件相互促進,相互影響,在不同的情況下,三者中任何一個因素都可成為導致裂紋產生的主要因素,然而又不可能是唯一的因素。許多情況下,氫時誘發冷裂紋最活潑的因素。

2.產生的位置。焊趾裂紋、焊道下裂紋、根部裂紋,該三種裂紋大部分都位于焊接熱影響區的過熱粗晶區位置。管線鋼的焊接接頭處單次熱循環焊接熱影響區主要分為由與母材相近的部分相變區,由等軸鐵素體組成的正火細晶區和由馬氏體、貝氏體、粗大鐵素體組成的過熱區組成。由于過熱區主要由脆硬的馬氏體、貝氏體和粗大鐵素體構成,其硬度較大,變形能力差,在遇到較大應力時易于出現開裂。

3.產生的過程

1)淬硬組織。母材受到焊接電弧的熱作用,并在快速冷卻的條件下,母材由塑韌性較好的鐵素體轉變為脆硬的馬氏體結構(即焊接熱影響區淬火組織)。鋼種的淬硬傾向越大,馬氏體的含量越高。馬氏體時一種脆硬的組織。在鋼中含碳量較高時,就行成片狀馬氏體,對裂紋和氫脆的敏感性特別高。

2)擴散氫。焊接時,焊條、焊絲受潮,焊口油污、水、泥等,使焊縫金屬存在大量的氫,并超過其臨界含量。氫在不同金屬組織中的溶解度和擴散系數不同,并且隨著溫度的增高而增大。焊接時奧氏體轉變為鐵素體,氫的溶解度急劇下降。

3)應力集中。焊縫冷卻收縮應力、焊接順序不當、鋼管未加支撐、鋼管下溝變形、管線的打壓和服役時承受的壓力等,同時焊縫金屬未與母材進行圓滑過渡使得焊根處的應力集中系數較大。

當上述三個條件同時滿足時,焊縫中的擴散氫會在應力、氫濃度梯度和金屬內缺陷的作用下向熱影響區的粗晶區內擴散,當氫濃度達到一定值,并且焊縫處由于應力集中產生的應力大于焊縫的屈服極限時,焊接接頭會發生塑性變形,淬火組織為脆硬相,其協調變形能力差,便會在此處產生裂紋。裂紋產生的速度大部分取決于氫的擴散和聚集速度。

4.延遲裂紋的開裂機理。氫的應力擴散理論:金屬內部缺陷,微孔、微夾雜和晶格缺陷等,提供了潛在裂源。在應力作用下,微觀缺陷前沿形成了三向應力區,誘使氫向該處擴散并聚集。當氫的濃度達到一定程度時,一方面產生較大的應力,另一方面阻礙位錯移動而使該處變脆,當應力進一步加大時,促使缺陷擴散而形成裂紋。

四、焊接延遲裂紋的防治措施

延遲裂紋的出現,對國家財產和人民的人身安全有著非常大的威脅,所以在焊接生產過程中要采取合理的措施來避免延遲裂紋的出現。從延遲裂紋三要素著手,延遲裂紋的防治措施主要有以下幾個方面。

1.控制氫的來源。氫在延遲裂紋形成過程中有著決定性的作用。一般來說,焊縫金屬中的擴散氫主要來源于焊接材料中的水分、含氫物質、電弧周圍空氣的水蒸氣、焊絲和母材坡口表面上的水、鐵銹及油污等雜質。在焊接高溫時,大量的氫溶解在熔池,冷卻和凝固過程中,氫的溶解度急劇降低,致使氫以氫氣的形式極力逸出;但是由于焊縫冷速快,氫來不及逸出,焊道處剩余的氫便以游離氫殘存在焊縫金屬中,焊縫中的氫過飽和狀態,形成可擴散氫。

對于管線鋼的焊接而言,常采用的主要措施有以下兩個措施:一是選用合理的焊接材料,盡量選擇低氫或超低氫焊材,并嚴格控制藥皮中的含水量,焊材使用前要烘干,清理焊絲、焊縫坡口上的水、鐵銹和油污等雜質。同時還應重視焊條的防潮問題,在高濕環境中焊條會顯著吸潮而加劇氫致延遲裂紋傾向。二是建立低氫的焊接環境,焊接作業前要嚴格對管口進行清理,保證焊口處及周圍無冰霜雪、油污、鐵銹、水份等,在雨雪霧天,沒有一定的防護措施不得進行焊接作業。

2.工藝技術措施。工藝措施對防止焊接接頭產生缺陷,提高接頭使用性能至關重要。除了選用低氫的焊接材料和建立低氫的焊接環境外,從焊接工藝方面采取一定的工藝技術措施能夠有效防止焊接過程中延遲裂紋的產生,比如合理安排焊接順序、焊前預熱、焊后緩冷、焊后熱處理、后熱等。

1)采用合理的焊接順序。選擇合理的焊接順序,焊接時先焊收縮量較大的焊縫,后焊收縮量較小的焊縫,降低焊縫的拘束應力。采用多層多道焊,也是避免焊接接頭中出現冷裂紋的有效措施之一。

2)焊前預熱。焊前預熱除了能對焊口進行烘干外,還能夠縮小焊接環境溫度與焊道溫度的差值,能夠降低焊道的冷卻速度。

3)焊后緩冷。焊后緩冷主要是通過焊后對焊道處施加無熱源的保溫措施,長輸不銹鋼管道施工常用保溫被(緩冷被)。

4)消氫熱處理。消氫熱處理是在焊接作業完成后對焊道處加熱,使焊縫只能夠的氫迅速向外部擴散,加熱的方法主要有中頻加熱、火焰加熱等。

5)制定合理的焊接規范及熱輸入。選擇合理的焊接規范,對減少焊件變形和裂紋影響很大,如隨著電流強度的增加,罕見的變形相應增大。合理的焊接熱輸入和焊接規范能有效降低焊縫凝固后的冷卻速度,控制冷卻時間,可以有效的改善焊縫及熱影響區的淬硬組織狀態。

3.降低焊接應力。高強鋼焊接時產生延遲裂紋不僅決定于鋼種的淬硬傾向和氫的有害作用,而且還取決于焊接接頭的應力狀態,對焊接氫致延遲裂紋的產生具有很大的促進作用,而且還有可能起主導作用。因此,在實際生產中必須給與足夠的重視,盡量降低焊接應力。主要有以下幾個方面:

1)減少內應力。設計合理的焊接接頭,采用合理的焊接順序。內應力主要來自于焊縫凝固后的收縮應力,降低焊縫收縮應力主要是減少焊接拘束,使焊縫自由收縮。在不銹鋼管道安裝實際施工過程中,采用合理的焊接順序,避免密集焊縫,以減少焊縫剛度。焊縫余高不能過高,焊接皆有截面要圓滑過渡,以減小焊縫拘束度,避免過高的應力集中。

2)減少外界應力。在管線安裝作業中,由于鋼管的自重,鋼管吊裝組隊時,無可避免的會產生外界應力。為了減少外界應力的引入,可以采取以下措施:精確的使用彎頭彎管,避免由于角度不合適而出現不應該出現的彈性敷設。

3)降低應力集中。管線中的焊縫相對于母材有較差的塑韌性,同時存在截面突變,是由應力集中而發生破壞的重點區域。長輸不銹鋼管道敷設中,應力集中的現象,包括焊口斷裂,彎頭處焊口斷裂或者彎頭被不銹鋼管道的移動加上本身的應力而斷裂。應力集中程度由應力集中系數決定,截面過度角度越小應力集中越大,反而越小。因此,焊縫與母材過度處應采用平滑過渡,焊縫余高不能太高,焊縫不能低于母材焊縫寬度應盡量保持一致。

五、結語

引起焊接氫致延遲裂紋的原因很多,通過對延遲裂紋形成的主要影響因素和開裂機理進行分析,得到了預防延遲裂紋產生的措施,比如合理的選用焊接材料、控制預熱溫度、制定合理的焊接規范等。在實際的焊接作業時,我們要針對于現場具體施工環境條件,綜合考慮,選用最適合的方法,為高質量的管線施工提供技術支持,保證輸送管線的安全可靠運行。