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压力管道裂纹产生原因分析及预防措施

文档作者：邵俊甫，张强文档来源：天津渤天化工有限责任公司		点击数：	更新时间： 2024年07月03日
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上一篇：压力容器与压力管道的安全管理措施

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一
10一■ 论文广场 石油与化工设备
201 1年第14卷
压力管道裂纹产生原因分析及预防措施
邵俊甫，张强
(天津渤天化工有限责任公司， 天津300480)
[摘要]对压力管道各种裂纹产生的机理进行了分析，针对各种裂纹提出了相应的预防措施。
[关键词]压力管道；裂纹；腐蚀；应力；焊接；措施
压力管道是指利用一定的压力， 用于输送
气体或液体的管状设备，其范围规定为最高工作
压力大于或等于0．1MPa(表压)的气体、液化
气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀
性，最高工作温度高于或等于标准沸点的液体介
质，且公称直径大于25mm的管道。在化工生产
中，因为生产的连续性，常利用管道将具有一定
压力的介质从一个装置输送到另一个装置， 而这
些介质通常具有一定的腐蚀性。腐蚀会使压力管
道整体或局部的壁厚减薄，承载能力下降，造成
压力管道开裂泄漏，严重的造成突然破裂或爆炸
事故。
裂纹是压力管道最危险的一种缺陷，是导致
压力管道各种事故的主要原因。在化工生产中，
分析不同工况条件下裂纹产生的原因并采取预防
措施十分必要。
1压力管道在加工中产生的裂纹
原材料在轧制、机加工过程中， 由于金属
材料本身的疏松、缩孔、夹渣等缺陷，经轧制、
冲压、卷制、机加工而产生的线型裂纹。这种裂
纹有的在内部，有的在表面， 由于在使用时只能
对管材进行抽样检查， 因此，这类裂纹在采购时
应根据国家必威体育官方网站
标准和工况条件，认真检查制造
厂生产许可证、合格证、材质证明书等文件是否
与设计要求一致，输送有毒、强腐蚀性介质的压
力管道，必要时应对管材进行化学分析、机械性
能、抗腐蚀性能等试验。
2压力管道焊接裂纹
焊接裂纹是在压力管道组焊或补焊时产生
的，常存在于焊缝热影响区和具有较大残余应力
的十字焊缝、角焊缝表面缺陷部位及焊缝附近，
按产生机理分为热裂纹和冷裂纹两大类。
2．1热裂纹
2．1．1热裂纹产生机理
热裂纹是在高温下产生的， 并且都是沿奥
氏体晶界发生开裂。热裂纹分为结晶裂纹、高温
液化裂纹及多边化裂纹三种。在生产实际中，结
晶裂纹是最为普遍的，产生结晶裂纹的必要条件
是焊缝在结晶过程中承受拉伸应力，在焊接开始
时，在焊接热源的作用下，焊缝区是升温过程，
此时金属受热发生膨胀，而焊缝周围的冷金属会
阻碍膨胀，使焊缝受热区受到压缩应力，随着焊
接热源不断地向前移动， 焊缝上某点的温度开始
下降，焊缝金属的体积发生收缩，周围的金属必
须阻止它，焊缝区就产生了拉伸应力，使焊缝有
产生结晶裂纹的可能性。
2．1．2结晶裂纹的预防措施
(1)控制焊缝中有害杂质的含量：对于焊接
低碳钢、低合金钢及不锈钢，S、P是最为有害的
杂质，它们形成低熔点共晶，使焊缝形成裂纹。
(2)接头形式不同造成每种接头的散热条
件、结晶特点和刚度也不相同，接头部位要尽量
避免应力集中，减小焊缝附近的刚度。如图l、图2
所示，焊接接头型式抗裂性较好； 图3所示的焊接
接头型式抗裂性较差。
盆
图1 图2 图3
(3)焊接工艺： 碳钢管材在低于5℃环境中
施焊时应采取保温缓冷措施，在焊件温度低于0~C
时，管道的焊缝应在施焊处100mm范围内预热到
15℃ 以上。焊后应及时进行热处理或焊后立即均
匀加热至200~300℃，并进行保温缓冷。
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作者简介：邵俊甫(1959一)，男，大专学历，化工机械专业毕
业，工程师，在天津渤天化工有限责任公司基建工程管理部从事
基建工程施工技术质量管理工作。
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第5期 邵俊甫等压力管道裂纹产生原因分析及预防措施 一 J一
(4)焊接顺序： 在焊接过程中，合理的焊
接顺序十分重要。焊接时应尽量使大多数焊接件
在没有外力作用的自由状态或外力作用较小的情
况下施焊，在实际焊接过程中， 一般采用对称施
焊，以分散应力，减少裂纹倾向。
2．2冷裂纹
2．2．1冷裂纹产生机理
当焊接接头冷却至较低温度下，大约在钢的
马氏体转变温度(即Ms)附近， 由于拘束应力、
淬硬组织和氢的作用而产生裂纹， 冷裂纹中比较
普遍的形态是延迟裂纹，它的主要特点是焊后不
立即出现裂纹， 而是经过一段孕育期(延迟现
象)。延迟裂纹的生成与扩展决定于材料的淬硬
倾向、焊接接头的应力状态及焊缝金属中氢的含
量等3个因素的交互作用。
2．2．2延迟焊缝形态
(1)焊趾裂纹：产生在母材与焊缝的交界
处， 并有明显应力集中的部位， 裂纹的取向经常
与焊道平行，并向母材深度扩展。
(2)焊道下裂纹：裂纹经常发生在淬硬倾向
大、含氢量较高的焊接热影响区。裂纹的取向一
般与熔合线成平行。
(3)根部裂纹：在使用含氢量较高的焊条或
预热温度不足的情况下，在焊缝根部最大应力集
中处会产生裂纹。
2．2_3延迟裂纹的预防措施
(1)选择低氢焊接材料和低氢焊接工艺。
(2)施焊用的焊条、焊剂应放在干燥通风
处，施焊前普通低氢焊条应在350℃ 、超低氢焊条
在400~450℃ ，烘干2h， 并在保温箱内存放，随
取随用。
(3)在管子施焊时， 管内要防止穿堂风，每
条焊缝尽量一次完成，对易产生焊接延迟裂纹的
钢材要进行焊后热处理， 以减少焊缝中氢的有害
影响，降低焊接残余应力，防止氢脆现象。
3再热裂纹(热处理裂纹)
3．1产生机理
再热裂纹是焊后热处理过程中产生的晶间
裂纹，呈分支状， 出现在焊接热影响区的粗晶粒
区域，裂纹的走向沿熔合线在奥氏体粗晶边界扩
展，它的产生与材料化学成分、加热温度及内应
力大小有关，材料是主要原因，含V、Mo成份较
高的材料易发生此现象。
3．2预防措施
(1)选择材料时要检查材料的机械性能是否
符合设计规定，焊后及时进行热处理或对管子均
匀加热至200~300~C，并进行保温缓冷。
(2)选用强度比母材稍低的焊接材料。
(3)降低残余应力，避免应力集中，焊缝的
咬边、未焊透、焊缝表面的余高都会使热影响区
产生应力集中，应引起充分重视。
4应力裂纹
4．1产生机理
应力裂纹是由于压力管道的布置结构不合
理或材料存在缺陷等原因，造成局部应力过高或
长时问压力、温度发生波动，在频繁开停车等交
变载荷作用下产生的裂纹。一般情况下，压力管
道承受的载荷有：重力载荷(管道自重、保温层
重、介质重)；压力载荷(内压力和外压力)；
位移载荷(管道热胀冷缩位移、端点附加位移、
支撑沉降等)； 风载荷； 地震载荷； 瞬变流冲
击载荷(安全阀起跳或阀门快速启闭时的冲击
压力)； 压力脉冲载荷(管道内介质压力不稳
定)；机器振动载荷。
当上述压力管道载荷及局部应力集中至最高
应力值时，就成为压力管道疲劳破坏和脆性断裂
的可能根源。
4．2预防措施
(1)合理安排管道布置，避免和减少应力集
中，尽量使系统中各管道部位互不约束或减少约
束。
(2)避免系统中设备的频繁启动，减少温差
应力。
(3)在布置管道时应考虑增加管道柔性，
采用管道补偿器，选用弹簧支吊架等增加管道柔
性。
5应力腐蚀裂纹
5．1产生机理
应力腐蚀裂纹是压力管道在输送腐蚀介质
时，在拉应力和特定的腐蚀介质及一定的压力、
温度共同作用下，对压力管道材料造成腐蚀而逐
渐形成的裂纹。应力腐蚀裂纹成枯树枝状(开
权)，大体沿着垂直于拉应力的方向发展，裂纹
的微观形态有穿晶型、晶间型和二者混合型。腐
蚀使材料表面形成微裂和蚀孔(如点蚀和缝隙
腐蚀)， 导致应力集中或削弱材料的晶间结合

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