壓力管道事故分析與焊接過程的控制

莊新會(huì) 嚴(yán)守奎

（山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 臨沂分院，山東 臨沂 276000）

1 壓力管道事故分析

1.1 事故概況

1.2 原因分析

事故焊縫為單面焊雙面成形手工焊對(duì)接接頭，焊縫外表面成形良好，焊波均勻。對(duì)焊縫表面和內(nèi)部組織放大觀察顯示呈現(xiàn)四種裂紋形式：

焊接凝固裂紋：焊根中心、碳鋼側(cè)熔線、蓋面表面均有焊后狀態(tài)的凝固裂紋；焊縫中心化學(xué)成分有不含Mo 的Cr25Ni20 基本成分，并有大量Al、Si 等元素。估計(jì)焊條是一種熱裂紋敏感性高的不含Mo 的酸性藥皮奧氏體鋼焊條。

未熔透：沿碳鋼側(cè)融合線斷口含大量Al、Si、Ci、Ti、Cr、Mn、Fe 等元素，此為手工電焊條焊接熔渣成分，表明裂紋為跟焊及根部區(qū)坡口面得未融合缺陷。估計(jì)是由于碳鋼比奧氏體鋼導(dǎo)熱系數(shù)大，以焊奧氏體鋼的電流來焊碳鋼側(cè)，致碳鋼側(cè)坡口未融合，此外坡口角度偏小、施焊時(shí)并未注意碳鋼側(cè)的融化狀態(tài)也是重要因素。

再熱裂紋：碳鋼側(cè)未融合尖端區(qū)顯現(xiàn)低合金鋼熱影響區(qū)粗晶區(qū)的再熱裂紋斷口特征，故該區(qū)是碳鋼側(cè)焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)產(chǎn)生的再熱裂紋。這主要是因?yàn)楹附託堄鄳?yīng)力在高溫工況下長時(shí)間工作，產(chǎn)生晶內(nèi)滑移或誘發(fā)晶內(nèi)、晶界析出新相，從而導(dǎo)致晶內(nèi)強(qiáng)化或晶界弱化，在應(yīng)力的作用下，促使晶界產(chǎn)生再熱裂紋。

焊縫裂紋：焊根中心凝固裂紋與蓋面裂紋距離很小，在高溫工況長時(shí)期作用，加之應(yīng)力、蠕變致內(nèi)外裂紋連通而泄露。另外，碳鋼側(cè)熱影響區(qū)粗晶區(qū)再熱裂紋也連通了未焊透及凝固裂紋。

1.3 事故結(jié)論分析

1.3.1 焊接材料選擇失誤：焊接時(shí)采用不含Mo 的熱裂紋敏感性高的酸性藥皮奧氏體鋼焊條，是產(chǎn)生焊縫凝固延遲裂紋的主要原因，導(dǎo)致了工作狀態(tài)下的泄露。

原1：32分光比裂化為1：16，小區(qū)光交、分纖箱、配線光纜均不動(dòng)，本工程裂化新增15個(gè)EPON口、15個(gè)1：2分光器；至主干光交12芯光纜（0.5KM），至機(jī)房12芯光纜（0.6KM）；估列費(fèi)用如下；

1.3.2 焊接工藝參數(shù)確定不當(dāng)和疏漏：以焊奧氏體鋼的電流來焊碳鋼側(cè)和坡口角度偏小、施焊時(shí)并未注意碳鋼側(cè)的融化狀態(tài)，使碳鋼側(cè)產(chǎn)生未焊透缺陷；焊后未經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚕灾率褂弥性谔间搨?cè)焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生了再熱裂紋。

1.3.3 管道焊接質(zhì)量檢驗(yàn)的疏漏：焊縫裂紋、未焊透等焊接缺陷是可以在無損檢測中發(fā)現(xiàn)的，這也是造成事故的重要原因。

2 壓力管道安裝過程中焊接過程的控制

2.1 焊接材料的選擇

選擇焊接材料時(shí)必須考慮到兩個(gè)方面的問題：一是要焊縫沒有缺陷；二是要滿足使用性能的要求。主要依據(jù)是保證焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能與母材相匹配，為此，必須注意如下幾個(gè)問題：

2.1.1 選擇相應(yīng)強(qiáng)度級(jí)別的焊接材料

選擇焊接材料時(shí)應(yīng)從母材的力學(xué)性能出發(fā)，而并不是從化學(xué)成分出發(fā)選擇與母材成分完全一樣的焊接材料。因?yàn)榱W(xué)性能并不完全取決于化學(xué)成分，它還與材料所處的組織狀態(tài)有關(guān)。焊接時(shí)冷卻速度大，完全脫離了平衡狀態(tài)，使焊縫金屬呈現(xiàn)鑄態(tài)組織。當(dāng)焊接材料的化學(xué)成分與母材相同時(shí)，焊縫金屬的性能將表現(xiàn)為強(qiáng)度高，而塑性、韌性都低，這對(duì)焊接接頭的抗裂性能和使用性能非常不利。因此，一般要求焊縫中的含碳量不超過0.14%，其它合金元素往往也低于母材中的含量。

2.1.2 必須同時(shí)考慮到融合比和冷卻速度的影響

焊縫金屬的力學(xué)性能取決于化學(xué)成分和組織的過飽和度。而焊縫化學(xué)成分又與焊接材料和母材的融入量即融合比有關(guān)；組織的過飽和度與冷卻速度有關(guān)。因此，當(dāng)所有的材料完全相同，但由于融合比或冷卻速度不同時(shí)，所得焊縫的性能也會(huì)出現(xiàn)很大差別。如焊16Mn，焊材成分的選擇應(yīng)考慮管材厚度和破口形式。當(dāng)不開坡口對(duì)接焊時(shí)，母材熔入量較多，用普通的低碳焊絲H08A 即能達(dá)到要求；如大坡口對(duì)接焊時(shí)，母材熔入量減少，若再用H08A 焊絲，所得焊縫的強(qiáng)度偏低，因此要采用含Mn 高的焊絲H08MnA 或H10Mn2 來補(bǔ)充焊縫的含Mn量。

2.2 焊接工藝參數(shù)的確定

2.2.1 焊接線能量

焊接線能量為焊接能源輸入給單位長度焊縫上的能量，稱為焊接線能量，用下式表示為：

式中：I——焊接電流A

U——電弧電壓V

υ——焊接速度cm/s

q——線能量J/cm

焊接線能量的確定，主要取決于過熱區(qū)的脆化和冷裂兩個(gè)因素。根據(jù)焊接性分析，各類鋼的催化傾向和冷裂傾向是不同的，因此對(duì)線能量的要求也不同，焊接含碳量很低的一些熱軋鋼，對(duì)線能量基本沒有嚴(yán)格的限制，因?yàn)檫@類鋼的過熱敏感性不大。另外，它們的淬硬傾向和冷裂敏感性也大。如果從提高過熱區(qū)的塑性、韌性出發(fā)，線能量偏小一些更有利。當(dāng)焊接含碳量偏高的一些鋼材，由于淬硬傾向大，馬氏體的含碳量也提高，小線能量時(shí)冷裂傾向就會(huì)增大，過熱區(qū)的脆化也變得嚴(yán)重，所以在這種情況下線能量寧可偏大一些比較好。

對(duì)于一些含Nb、V、Ti 的正火鋼來說，為了避免由于沉淀相的溶入以及晶粒過熱所引起的脆化，選擇線能量應(yīng)該偏小一些。但對(duì)于淬硬傾向大、含碳量和合金元素量較高的正火鋼來說，隨線能量減小，過熱區(qū)韌性不是提高，而是降低，并容易產(chǎn)生延遲裂紋。因而一般焊接這類鋼時(shí)，線能量偏大一些好。但在加大線能量、降低冷卻速度的同時(shí)，會(huì)引起過熱的加劇。因此在這種情況下采用大能量的效果不如采用小線能量加預(yù)熱更合理。預(yù)熱溫度控制恰當(dāng)時(shí)，既能確保避免裂紋，又能防止晶粒的過熱。

2.2.2 預(yù)熱

預(yù)熱主要是為了防止裂紋，同時(shí)還有一定的改善性能作用。預(yù)熱溫度的確定主要與材料的淬硬傾向、焊接時(shí)的冷卻速度、含氫量、焊后是否進(jìn)行熱處理有關(guān)。在壓力管道安裝工程中應(yīng)用時(shí)還要結(jié)合具體情況經(jīng)試驗(yàn)后才能確定。

2.2.3 焊后熱處理

焊后熱處理的目的是為了降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，改善焊縫金屬組織和性能。焊后熱處理一般為高溫回火，確定回火溫度的原則是：不要超過母材原來的回火溫度，以免影響母材本身的性能；對(duì)于一些有回火脆性的材料，要避開出現(xiàn)脆性的溫度區(qū)間。

3 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)控制措施

管道焊接質(zhì)量檢驗(yàn)通常分三步進(jìn)行：首先是焊縫表面質(zhì)量檢驗(yàn)，然后是焊縫內(nèi)部質(zhì)量無損探傷檢驗(yàn)，最后是管道系統(tǒng)壓力試驗(yàn)。本文只對(duì)前兩步檢驗(yàn)手段進(jìn)行論述。

3.1 焊縫表面質(zhì)量檢驗(yàn)控制措施

3.1.1 采用目測和焊接檢測尺實(shí)測的方式檢驗(yàn)外觀質(zhì)量

主要檢查焊縫表面的裂紋、氣孔、夾渣、咬邊、未焊透、焊瘤、根部收縮、余高、焊縫外觀成形、角焊縫厚度、角焊縫焊腳對(duì)稱情況等。

3.1.2 采用磁粉和滲透檢測的方法檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量磁粉探傷能檢測出焊縫表面或近表面尺寸很小、間隙極窄（如檢測出長0.1mm、寬為微米級(jí)的裂紋）和目測難以看出的裂紋、氣孔、未焊透、未熔合、夾雜等缺陷，但不適用于奧氏體不銹鋼和奧氏體不銹鋼焊材焊接的焊縫。

滲透檢測能檢測出焊縫表面開口缺陷，而且能很清晰地探測出缺陷的形貌和分布狀態(tài)，不受缺陷形狀（線性缺陷或體積型缺陷）、尺寸和方向的限制。

對(duì)有一些延遲裂紋傾向的壓力管道的焊接接頭，進(jìn)行表面無損檢驗(yàn)時(shí)，必須在焊接冷卻一定時(shí)間后才能進(jìn)行；特別是對(duì)于有再熱裂紋傾向的壓力管道的焊接接頭，對(duì)其表面進(jìn)行無損檢驗(yàn)時(shí)，必須在焊后以及熱處理后各進(jìn)行一次檢測。

3.2 焊縫內(nèi)部質(zhì)量無損探傷檢驗(yàn)控制措施

焊縫內(nèi)部質(zhì)量無損探傷檢驗(yàn)方法主要有射線透照檢測和超聲檢測。射線透照檢測比較直觀并能保留檢驗(yàn)記錄，是最常用的檢測方法。管道名義厚度小于或等于30mm 的對(duì)接環(huán)焊縫，應(yīng)采用射線檢測。名義厚度大于30mm 的對(duì)接環(huán)焊縫可采用超聲波代替射線檢測。對(duì)有延遲裂紋傾向的壓力管道的焊接接頭，其射線檢測和超聲檢測應(yīng)在焊接冷卻一定時(shí)間（24 小時(shí)）后進(jìn)行。

3.3 硬度檢測

對(duì)有熱處理要求的壓力管道焊縫，熱處理應(yīng)測量焊縫及熱影響區(qū)的硬度值，以檢查熱處理效果。

4 結(jié)束語

為了避免產(chǎn)生管道爆炸泄漏的事故，我們要在壓力管道施工焊接環(huán)節(jié)上嚴(yán)格進(jìn)行控制，同時(shí)還要對(duì)焊后焊縫質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢測，并在發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)候進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)，以此來保證管道后續(xù)運(yùn)行的安全可靠。

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［3］GB/T20801-2006 壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道[S].

［4］王曉雷.承壓類特種設(shè)備無損檢測知識(shí)[M].2 版.北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007.