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壓力管道裂紋產生原因分析及預防措施

文檔作者：邵俊甫，張強文檔來源：天津渤天化工有限責任公司		點擊數：	更新時間： 2024年07月03日
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上一篇：壓力容器與壓力管道的安全管理措施

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一
10一■ 論文廣場 石油與化工設備
201 1年第14卷
壓力管道裂紋產生原因分析及預防措施
邵俊甫，張強
(天津渤天化工有限責任公司， 天津300480)
[摘要]對壓力管道各種裂紋產生的機理進行了分析，針對各種裂紋提出了相應的預防措施。
[關鍵詞]壓力管道；裂紋；腐蝕；應力；焊接；措施
壓力管道是指利用一定的壓力， 用于輸送
氣體或液體的管狀設備，其范圍規(guī)定為最高工作
壓力大于或等于0．1MPa(表壓)的氣體、液化
氣體、蒸汽介質或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕
性，最高工作溫度高于或等于標準沸點的液體介
質，且公稱直徑大于25mm的管道。在化工生產
中，因為生產的連續(xù)性，常利用管道將具有一定
壓力的介質從一個裝置輸送到另一個裝置， 而這
些介質通常具有一定的腐蝕性。腐蝕會使壓力管
道整體或局部的壁厚減薄，承載能力下降，造成
壓力管道開裂泄漏，嚴重的造成突然破裂或爆炸
事故。
裂紋是壓力管道最危險的一種缺陷，是導致
壓力管道各種事故的主要原因。在化工生產中，
分析不同工況條件下裂紋產生的原因并采取預防
措施十分必要。
1壓力管道在加工中產生的裂紋
原材料在軋制、機加工過程中， 由于金屬
材料本身的疏松、縮孔、夾渣等缺陷，經軋制、
沖壓、卷制、機加工而產生的線型裂紋。這種裂
紋有的在內部，有的在表面， 由于在使用時只能
對管材進行抽樣檢查， 因此，這類裂紋在采購時
應根據國家行業(yè)標準和工況條件，認真檢查制造
廠生產許可證、合格證、材質證明書等文件是否
與設計要求一致，輸送有毒、強腐蝕性介質的壓
力管道，必要時應對管材進行化學分析、機械性
能、抗腐蝕性能等試驗。
2壓力管道焊接裂紋
焊接裂紋是在壓力管道組焊或補焊時產生
的，常存在于焊縫熱影響區(qū)和具有較大殘余應力
的十字焊縫、角焊縫表面缺陷部位及焊縫附近，
按產生機理分為熱裂紋和冷裂紋兩大類。
2．1熱裂紋
2．1．1熱裂紋產生機理
熱裂紋是在高溫下產生的， 并且都是沿奧
氏體晶界發(fā)生開裂。熱裂紋分為結晶裂紋、高溫
液化裂紋及多邊化裂紋三種。在生產實際中，結
晶裂紋是最為普遍的，產生結晶裂紋的必要條件
是焊縫在結晶過程中承受拉伸應力，在焊接開始
時，在焊接熱源的作用下，焊縫區(qū)是升溫過程，
此時金屬受熱發(fā)生膨脹，而焊縫周圍的冷金屬會
阻礙膨脹，使焊縫受熱區(qū)受到壓縮應力，隨著焊
接熱源不斷地向前移動， 焊縫上某點的溫度開始
下降，焊縫金屬的體積發(fā)生收縮，周圍的金屬必
須阻止它，焊縫區(qū)就產生了拉伸應力，使焊縫有
產生結晶裂紋的可能性。
2．1．2結晶裂紋的預防措施
(1)控制焊縫中有害雜質的含量：對于焊接
低碳鋼、低合金鋼及不銹鋼，S、P是最為有害的
雜質，它們形成低熔點共晶，使焊縫形成裂紋。
(2)接頭形式不同造成每種接頭的散熱條
件、結晶特點和剛度也不相同，接頭部位要盡量
避免應力集中，減小焊縫附近的剛度。如圖l、圖2
所示，焊接接頭型式抗裂性較好； 圖3所示的焊接
接頭型式抗裂性較差。
盆
圖1 圖2 圖3
(3)焊接工藝： 碳鋼管材在低于5℃環(huán)境中
施焊時應采取保溫緩冷措施，在焊件溫度低于0~C
時，管道的焊縫應在施焊處100mm范圍內預熱到
15℃ 以上。焊后應及時進行熱處理或焊后立即均
勻加熱至200~300℃，并進行保溫緩冷。
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作者簡介：邵俊甫(1959一)，男，大專學歷，化工機械專業(yè)畢
業(yè)，工程師，在天津渤天化工有限責任公司基建工程管理部從事
基建工程施工技術質量管理工作。
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第5期 邵俊甫等壓力管道裂紋產生原因分析及預防措施 一 J一
(4)焊接順序： 在焊接過程中，合理的焊
接順序十分重要。焊接時應盡量使大多數焊接件
在沒有外力作用的自由狀態(tài)或外力作用較小的情
況下施焊，在實際焊接過程中， 一般采用對稱施
焊，以分散應力，減少裂紋傾向。
2．2冷裂紋
2．2．1冷裂紋產生機理
當焊接接頭冷卻至較低溫度下，大約在鋼的
馬氏體轉變溫度(即Ms)附近， 由于拘束應力、
淬硬組織和氫的作用而產生裂紋， 冷裂紋中比較
普遍的形態(tài)是延遲裂紋，它的主要特點是焊后不
立即出現(xiàn)裂紋， 而是經過一段孕育期(延遲現(xiàn)
象)。延遲裂紋的生成與擴展決定于材料的淬硬
傾向、焊接接頭的應力狀態(tài)及焊縫金屬中氫的含
量等3個因素的交互作用。
2．2．2延遲焊縫形態(tài)
(1)焊趾裂紋：產生在母材與焊縫的交界
處， 并有明顯應力集中的部位， 裂紋的取向經常
與焊道平行，并向母材深度擴展。
(2)焊道下裂紋：裂紋經常發(fā)生在淬硬傾向
大、含氫量較高的焊接熱影響區(qū)。裂紋的取向一
般與熔合線成平行。
(3)根部裂紋：在使用含氫量較高的焊條或
預熱溫度不足的情況下，在焊縫根部最大應力集
中處會產生裂紋。
2．2_3延遲裂紋的預防措施
(1)選擇低氫焊接材料和低氫焊接工藝。
(2)施焊用的焊條、焊劑應放在干燥通風
處，施焊前普通低氫焊條應在350℃ 、超低氫焊條
在400~450℃ ，烘干2h， 并在保溫箱內存放，隨
取隨用。
(3)在管子施焊時， 管內要防止穿堂風，每
條焊縫盡量一次完成，對易產生焊接延遲裂紋的
鋼材要進行焊后熱處理， 以減少焊縫中氫的有害
影響，降低焊接殘余應力，防止氫脆現(xiàn)象。
3再熱裂紋(熱處理裂紋)
3．1產生機理
再熱裂紋是焊后熱處理過程中產生的晶間
裂紋，呈分支狀， 出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)的粗晶粒
區(qū)域，裂紋的走向沿熔合線在奧氏體粗晶邊界擴
展，它的產生與材料化學成分、加熱溫度及內應
力大小有關，材料是主要原因，含V、Mo成份較
高的材料易發(fā)生此現(xiàn)象。
3．2預防措施
(1)選擇材料時要檢查材料的機械性能是否
符合設計規(guī)定，焊后及時進行熱處理或對管子均
勻加熱至200~300~C，并進行保溫緩冷。
(2)選用強度比母材稍低的焊接材料。
(3)降低殘余應力，避免應力集中，焊縫的
咬邊、未焊透、焊縫表面的余高都會使熱影響區(qū)
產生應力集中，應引起充分重視。
4應力裂紋
4．1產生機理
應力裂紋是由于壓力管道的布置結構不合
理或材料存在缺陷等原因，造成局部應力過高或
長時問壓力、溫度發(fā)生波動，在頻繁開停車等交
變載荷作用下產生的裂紋。一般情況下，壓力管
道承受的載荷有：重力載荷(管道自重、保溫層
重、介質重)；壓力載荷(內壓力和外壓力)；
位移載荷(管道熱脹冷縮位移、端點附加位移、
支撐沉降等)； 風載荷； 地震載荷； 瞬變流沖
擊載荷(安全閥起跳或閥門快速啟閉時的沖擊
壓力)； 壓力脈沖載荷(管道內介質壓力不穩(wěn)
定)；機器振動載荷。
當上述壓力管道載荷及局部應力集中至最高
應力值時，就成為壓力管道疲勞破壞和脆性斷裂
的可能根源。
4．2預防措施
(1)合理安排管道布置，避免和減少應力集
中，盡量使系統(tǒng)中各管道部位互不約束或減少約
束。
(2)避免系統(tǒng)中設備的頻繁啟動，減少溫差
應力。
(3)在布置管道時應考慮增加管道柔性，
采用管道補償器，選用彈簧支吊架等增加管道柔
性。
5應力腐蝕裂紋
5．1產生機理
應力腐蝕裂紋是壓力管道在輸送腐蝕介質
時，在拉應力和特定的腐蝕介質及一定的壓力、
溫度共同作用下，對壓力管道材料造成腐蝕而逐
漸形成的裂紋。應力腐蝕裂紋成枯樹枝狀(開
權)，大體沿著垂直于拉應力的方向發(fā)展，裂紋
的微觀形態(tài)有穿晶型、晶間型和二者混合型。腐
蝕使材料表面形成微裂和蝕孔(如點蝕和縫隙
腐蝕)， 導致應力集中或削弱材料的晶間結合

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