压力管道事故分析与焊接过程的控制

【摘 要】到目前为止的压力管道事故当中，因为泄露而造成的事故占据了绝大部分的比例，焊缝缺陷是其中的一个突出因素。焊缝质量的好与坏直接影响着产品的使用性能和安全程度。本文主要从事故分析出发论述对焊接过程、焊接质量的控制，从而实现压力管道施工质量的控制。

【关键词】压力管道事故；焊接过程控制；焊接质量

1 压力管道事故分析

1.1 事故概况

某厂一压力管道装置中，20输送流体用无缝钢管与4Cr25Ni20离心铸管对接焊，规格：？准124×11mm，工作压力：2.0MPa，工作温度：400～500℃，介质：天然气和水蒸汽混合物，运行不到两年，产生泄露事故。

1.2 原因分析

事故焊缝为单面焊双面成形手工焊对接接头，焊缝外表面成形良好，焊波均匀。对焊缝表面和内部组织放大观察显示呈现四种裂纹形式：

焊接凝固裂纹：焊根中心、碳钢侧熔线、盖面表面均有焊后状态的凝固裂纹；焊缝中心化学成分有不含Mo的Cr25Ni20基本成分，并有大量Al、Si等元素。估计焊条是一种热裂纹敏感性高的不含Mo的酸性药皮奥氏体钢焊条。

未熔透：沿碳钢侧融合线断口含大量Al、Si、Ci、Ti、Cr、Mn、Fe等元素，此为手工电焊条焊接熔渣成分，表明裂纹为跟焊及根部区坡口面得未融合缺陷。估计是由于碳钢比奥氏体钢导热系数大，以焊奥氏体钢的电流来焊碳钢侧，致碳钢侧坡口未融合，此外坡口角度偏小、施焊时并未注意碳钢侧的融化状态也是重要因素。

再热裂纹：碳钢侧未融合尖端区显现低合金钢热影响区粗晶区的再热裂纹断口特征，故该区是碳钢侧焊接热影响区粗晶区产生的再热裂纹。这主要是因为焊接残余应力在高温工况下长时间工作，产生晶内滑移或诱发晶内、晶界析出新相，从而导致晶内强化或晶界弱化，在应力的作用下，促使晶界产生再热裂纹。

焊缝裂纹：焊根中心凝固裂纹与盖面裂纹距离很小，在高温工况长时期作用，加之应力、蠕变致内外裂纹连通而泄露。另外，碳钢侧热影响区粗晶区再热裂纹也连通了未焊透及凝固裂纹。

1.3 事故结论分析

1.3.1 焊接材料选择失误：焊接时采用不含Mo的热裂纹敏感性高的酸性药皮奥氏体钢焊条，是产生焊缝凝固延迟裂纹的主要原因，导致了工作状态下的泄露。

1.3.2 焊接工艺参数确定不当和疏漏：以焊奥氏体钢的电流来焊碳钢侧和坡口角度偏小、施焊时并未注意碳钢侧的融化状态，使碳钢侧产生未焊透缺陷；焊后未经过适当的热处理工艺，以致使用中在碳钢侧焊接热影响区产生了再热裂纹。

1.3.3 管道焊接质量检验的疏漏：焊缝裂纹、未焊透等焊接缺陷是可以在无损检测中发现的，这也是造成事故的重要原因。

2 压力管道安装过程中焊接过程的控制

2.1 焊接材料的选择

选择焊接材料时必须考虑到两个方面的问题：一是要焊缝没有缺陷；二是要满足使用性能的要求。主要依据是保证焊缝金属的强度、塑性和韧性等力学性能与母材相匹配，为此，必须注意如下几个问题：

2.1.1 选择相应强度级别的焊接材料

选择焊接材料时应从母材的力学性能出发，而并不是从化学成分出发选择与母材成分完全一样的焊接材料。因为力学性能并不完全取决于化学成分，它还与材料所处的组织状态有关。焊接时冷却速度大，完全脱离了平衡状态，使焊缝金属呈现铸态组织。当焊接材料的化学成分与母材相同时，焊缝金属的性能将表现为强度高，而塑性、韧性都低，这对焊接接头的抗裂性能和使用性能非常不利。因此，一般要求焊缝中的含碳量不超过0.14%，其它合金元素往往也低于母材中的含量。

2.1.2 必须同时考虑到融合比和冷却速度的影响

焊缝金属的力学性能取决于化学成分和组织的过饱和度。而焊缝化学成分又与焊接材料和母材的融入量即融合比有关；组织的过饱和度与冷却速度有关。因此，当所有的材料完全相同，但由于融合比或冷却速度不同时，所得焊缝的性能也会出现很大差别。如焊16Mn，焊材成分的选择应考虑管材厚度和破口形式。当不开坡口对接焊时，母材熔入量较多，用普通的低碳焊丝H08A即能达到要求；如大坡口对接焊时，母材熔入量减少，若再用H08A焊丝，所得焊缝的强度偏低，因此要采用含Mn高的焊丝H08MnA或H10Mn2来补充焊缝的含Mn量。

2.2 焊接工艺参数的确定

2.2.1 焊接线能量

焊接线能量为焊接能源输入给单位长度焊缝上的能量，称为焊接线能量，用下式表示为：

q=IU/υ

式中：I——焊接电流A

U——电弧电压V

υ——焊接速度cm/s

q——线能量J/cm

焊接线能量的确定，主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。根据焊接性分析，各类钢的催化倾向和冷裂倾向是不同的，因此对线能量的要求也不同，焊接含碳量很低的一些热轧钢，对线能量基本没有严格的限制，因为这类钢的过热敏感性不大。另外，它们的淬硬倾向和冷裂敏感性也大。如果从提高过热区的塑性、韧性出发，线能量偏小一些更有利。当焊接含碳量偏高的一些钢材，由于淬硬倾向大，马氏体的含碳量也提高，小线能量时冷裂倾向就会增大，过热区的脆化也变得严重，所以在这种情况下线能量宁可偏大一些比较好。

对于一些含Nb、V、Ti的正火钢来说，为了避免由于沉淀相的溶入以及晶粒过热所引起的脆化，选择线能量应该偏小一些。但对于淬硬倾向大、含碳量和合金元素量较高的正火钢来说，随线能量减小，过热区韧性不是提高，而是降低，并容易产生延迟裂纹。因而一般焊接这类钢时，线能量偏大一些好。但在加大线能量、降低冷却速度的同时，会引起过热的加剧。因此在这种情况下采用大能量的效果不如采用小线能量加预热更合理。预热温度控制恰当时，既能确保避免裂纹，又能防止晶粒的过热。

2.2.2 预热

预热主要是为了防止裂纹，同时还有一定的改善性能作用。预热温度的确定主要与材料的淬硬倾向、焊接时的冷却速度、含氢量、焊后是否进行热处理有关。在压力管道安装工程中应用时还要结合具体情况经试验后才能确定。

2.2.3 焊后热处理

焊后热处理的目的是为了降低焊接接头的残余应力，改善焊缝金属组织和性能。焊后热处理一般为高温回火，确定回火温度的原则是：不要超过母材原来的回火温度，以免影响母材本身的性能；对于一些有回火脆性的材料，要避开出现脆性的温度区间。

3 焊接质量检验控制措施

管道焊接质量检验通常分三步进行：首先是焊缝表面质量检验，然后是焊缝内部质量无损探伤检验，最后是管道系统压力试验。本文只对前两步检验手段进行论述。

3.1 焊缝表面质量检验控制措施

3.1.1 采用目测和焊接检测尺实测的方式检验外观质量

主要检查焊缝表面的裂纹、气孔、夹渣、咬边、未焊透、焊瘤、根部收缩、余高、焊缝外观成形、角焊缝厚度、角焊缝焊脚对称情况等。

3.1.2 采用磁粉和渗透检测的方法检验焊缝质量

磁粉探伤能检测出焊缝表面或近表面尺寸很小、间隙极窄（如检测出长0.1mm、宽为微米级的裂纹）和目测难以看出的裂纹、气孔、未焊透、未熔合、夹杂等缺陷，但不适用于奥氏体不锈钢和奥氏体不锈钢焊材焊接的焊缝。

渗透检测能检测出焊缝表面开口缺陷，而且能很清晰地探测出缺陷的形貌和分布状态，不受缺陷形状（线性缺陷或体积型缺陷）、尺寸和方向的限制。

对有一些延迟裂纹倾向的压力管道的焊接接头，进行表面无损检验时，必须在焊接冷却一定时间后才能进行；特别是对于有再热裂纹倾向的压力管道的焊接接头，对其表面进行无损检验时，必须在焊后以及热处理后各进行一次检测。

3.2 焊缝内部质量无损探伤检验控制措施

焊缝内部质量无损探伤检验方法主要有射线透照检测和超声检测。射线透照检测比较直观并能保留检验记录，是最常用的检测方法。管道名义厚度小于或等于30mm的对接环焊缝，应采用射线检测。名义厚度大于30mm的对接环焊缝可采用超声波代替射线检测。对有延迟裂纹倾向的压力管道的焊接接头，其射线检测和超声检测应在焊接冷却一定时间（24小时）后进行。

3.3 硬度检测

对有热处理要求的压力管道焊缝，热处理应测量焊缝及热影响区的硬度值，以检查热处理效果。

4 结束语

为了避免产生管道爆炸泄漏的事故，我们要在压力管道施工焊接环节上严格进行控制，同时还要对焊后焊缝质量进行严格检测，并在发现问题的时候进行及时修补，以此来保证管道后续运行的安全可靠。

【参考文献】

[1]沈松泉，黄振仁，顾竟成.压力管道安全技术[M].南京：东南大学出版社，2000.

[2]周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）[M].北京：机械工业出版社，1996.

[3]GB/T20801-2006 压力管道规范 工业管道[S].

[4]王晓雷.承压类特种设备无损检测知识[M].2版.北京：中国劳动社会保障出版社，2007.

[责任编辑：汤静]

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