蔣紅輝

(北京市豐臺區(qū)特種設(shè)備檢測所，北京 100161)

0 引言

我國氨制冷壓力管道主要應(yīng)用于冷凍業(yè)，使用多超過10年，其設(shè)計(jì)、安裝、使用、檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)安全監(jiān)督管理中存在諸多問題［1］。管道的焊接接頭缺陷可能導(dǎo)致冷庫的氨泄露事故發(fā)生，應(yīng)正確分析氨制冷系統(tǒng)壓力管道的焊接缺陷及發(fā)展，一方面在新管道制造、安裝等方面采取有效措施防止缺陷;另一方面在氨制冷系統(tǒng)壓力管道使用過程中正確選擇檢驗(yàn)方法，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，以便于管道失效分析、剩余壽命預(yù)測和風(fēng)險預(yù)測等。

1 檢測對象及方法

1.1 檢測對象

在某冷庫的氨制冷管道系統(tǒng)中選出服役10余年的3根帶對接焊接接頭管道試樣(編號1#～3#)，對其焊接接頭進(jìn)行質(zhì)量檢測和性能分析。各管道材質(zhì)均為20#鋼，焊接工藝為手工電弧焊，尺寸分別為 φ38 mm ×3 mm，φ76 mm ×4 mm，φ219 mm×6 mm。

1.2 檢測方法

使用線切割設(shè)備在各管道焊接接頭處分別切下4個尺寸為d×15 mm×30 mm(d為管道壁厚)的焊接接頭檢測試樣?？紤]到手工電弧焊焊接質(zhì)量會受到焊接角度的影響，為了盡可能全面地反映焊接接頭質(zhì)量，每個管道的4個檢測樣呈90°夾角，如圖1所示。各試樣的焊縫位于試樣中間，兩端為母材，母材與焊縫之間為熱影響區(qū)。

圖1 焊接接頭試樣取樣位置示意

將切下的焊接接頭檢測試樣縱向截面按照GB/T 13298—1991［2］的要求，制成金相試樣。通過掃描電鏡和能譜檢測試樣宏觀焊接缺陷，之后再使用4%的硝酸酒精對焊接接頭的金相試樣進(jìn)行浸蝕，顯示出清晰的焊縫及熱影響區(qū)輪廓，使用掃描電鏡檢測顯微組織。

2 焊接接頭缺陷檢測及分析

通過對各試樣進(jìn)行掃描電鏡和能譜檢測，發(fā)現(xiàn)焊接接頭中存在的缺陷形式主要有形狀和尺寸不良、未熔合和未焊透、裂紋、固體夾雜和孔穴等。

2.1 形狀和尺寸不良

在各管道焊接接頭的檢測試樣中，都存在不同程度的焊接接頭形狀和尺寸不良缺陷，主要有錯邊、角度偏差等，見圖2。圖2(a)示出1#管道焊接接頭，其錯邊量約1 mm，同時有約1 mm未焊透缺陷。此外，對接的兩管道母材之間還存在10°左右的角度偏差。圖2(b)，(c)分別示出2#，3#管道焊接接頭也存在錯邊和焊縫超高缺陷。

從焊接接頭的宏觀照片判斷，造成這些形狀尺寸缺陷的主要原因是安裝對接的兩管道在進(jìn)行焊接之前沒有對正，存在一定程度的中心線偏差，這會造成在服役中焊縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中和附加應(yīng)力，破壞極有可能由這些缺陷處開始擴(kuò)展。

圖2 焊接接頭形狀和尺寸不良缺陷示意

2.2 未熔合和未焊透

在所有檢測試樣中，有50%存在程度嚴(yán)重的未熔合和未焊透缺陷，如圖3所示。圖3(a)示出2#管道焊接接頭的未熔合缺陷，長度將近為焊縫厚度的一半，通過未熔合的輪廓可以判斷為右側(cè)母材坡口尺寸不合適，焊接時焊接熱輸入太低，坡口邊緣沒有充分熔化;該處缺陷向上、向左兩處存在較為明顯的尖端，分析為未熔合引起應(yīng)力集中

圖3 焊接接頭未熔合和未焊透缺陷示意

2.3 固體夾雜

圖4示出1#管道焊縫中檢測到的夾雜物形嚴(yán)重，導(dǎo)致使用中裂紋在此處萌生并擴(kuò)展。圖3(b)示出3#管道焊接接頭焊縫的未焊透缺陷，未焊透的厚度均超過了焊縫厚度的一半。圖3(c)示出3#管道焊接接頭的未焊透，及焊縫沿著左側(cè)管道的坡口出現(xiàn)了焊縫與母材的未熔合缺陷。這兩種缺陷的疊加將會嚴(yán)重地降低焊接接頭的強(qiáng)度，若管道中存在動載荷，這些缺陷對焊縫的疲勞強(qiáng)度將有很大的影響。圖3(b)，(c)中未熔合、未焊透處未發(fā)現(xiàn)裂紋萌生。貌及能譜圖。

圖4 1#管道焊接接頭夾雜物形貌及能譜圖

從圖4(a)可以看出，夾雜右上側(cè)可觀測到一條長達(dá)97μm的裂紋，源于夾雜的尖角處。如果管道繼續(xù)服役，則裂紋有可能在無法察覺的狀態(tài)下繼續(xù)擴(kuò)展直至發(fā)生破壞。圖4(c)示出夾雜不

圖5 2#管道焊接接頭夾雜物形貌及能譜分析

圖5(a)示出夾雜物的局部視圖，整體視圖為該圖左上角所示。該夾雜物呈條狀，夾雜內(nèi)部成分為Fe，外部包裹著Fe的氧化物;在該夾雜物的右上角發(fā)現(xiàn)有兩條裂紋，右側(cè)一條裂紋長度約85 μm，呈直線形狀。這說明夾雜造成了焊接接頭在該處的應(yīng)力集中，從而造成了裂紋的萌生和擴(kuò)展。一般，焊縫中出現(xiàn)Fe的氧化物夾雜比較罕見，這里可能是由于焊接是在管道出現(xiàn)了一些腐蝕之后僅軸向尺寸較大且與外界連通，由于此處焊縫的表面是管道內(nèi)表面，因此會導(dǎo)致氨制冷劑進(jìn)入焊縫，雖然氨對強(qiáng)度級別低的鋼或應(yīng)力水平低的情況下應(yīng)力腐蝕不嚴(yán)重，但疏松的夾雜顆粒有可能會被帶入氨制冷循環(huán)中，這些顆粒在管道內(nèi)部隨著氨制冷流動，不僅會導(dǎo)致管道內(nèi)壁的磨損，還可能會影響制冷設(shè)備的正常運(yùn)行。能譜分析(見圖4(b)，(d))結(jié)果顯示此種夾雜成分為Fe的氧化物，結(jié)合其尺寸較大的特點(diǎn)，判斷該夾雜是熔渣。這可能是由在焊接時操作不規(guī)范或焊縫幾何形狀不良造成的。

圖5示出2#管道焊接接頭中檢測到的一些以Fe和O為主要成分的固體夾雜物及能譜分析圖。通過掃描電鏡發(fā)現(xiàn)，2#管道焊接接頭中夾雜物數(shù)量較多，且尺寸較大。進(jìn)行的。在焊接時，熔池的劇烈攪動作用將坡口附近的腐蝕產(chǎn)物(主要為Fe的氧化物)卷入熔池中，凝固后，這些被卷入到熔池中的氧化物便遺留在了焊縫中，成為焊縫夾雜。針對這種焊接夾雜缺陷，只要在焊接前清除坡口附近的腐蝕產(chǎn)物，或在管道發(fā)生腐蝕前進(jìn)行焊接操作便可以避免［3］。

2.4 孔穴

圖6示出各管道焊接接頭孔穴缺陷。

圖6 焊接接頭孔穴缺陷示意

圖6(a)為球形氣孔，圖6(b)，(c)的兩個氣孔缺陷，孔穴長軸尺寸都達(dá)到了1.5 mm。圖6(b)中的空穴為不規(guī)則形狀，雖然有多個缺口，但不是尖角，沒有觀察到裂紋。而圖6(c)中孔穴下部有較為明顯的尖端，尖端處已經(jīng)開始有裂紋萌生，隨著管道繼續(xù)服役，萌生的裂紋將可能進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖6中的孔穴缺陷雖然形態(tài)不同，但形成原理基本一致，都是在焊接過程中，熔池在結(jié)晶時某些氣體來不及逸出，殘存在焊縫中形成的。焊條、焊劑烘干不足，被焊金屬和焊絲表面有銹、油污或其他雜質(zhì)，焊接工藝不夠穩(wěn)定及焊接區(qū)保護(hù)不良等都會不同程度地出現(xiàn)孔穴［4］。這些孔穴會強(qiáng)烈地降低焊縫的致密性，減少焊縫有效壁厚。單個存在的球形氣孔(見圖6(a))，周圍的應(yīng)力集中不嚴(yán)重，對焊縫質(zhì)量的危害性不大。若產(chǎn)生的氣孔較多，在負(fù)載作用下，氣孔間容易出現(xiàn)連通，導(dǎo)致應(yīng)力區(qū)的擴(kuò)大和應(yīng)力值的急劇上升。而空穴邊緣的尖端(見圖6(c))，由于產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中，在服役過程中可能導(dǎo)致裂紋萌生、擴(kuò)展。

2.5 裂紋

圖7(a)示出1#管道焊接接頭檢測試樣中發(fā)現(xiàn)的1條焊接裂紋，圖7(b)示出該裂紋的局部放大圖。該裂紋位于焊接接頭的焊縫區(qū)由內(nèi)側(cè)沿橫向向外側(cè)、呈“之”字形狀擴(kuò)展，裂紋深度約1.5 mm，幾乎占整個接頭厚度的一半。且由于焊接不良產(chǎn)生的尖銳缺陷處導(dǎo)致裂紋形成，在服役過程中，由于應(yīng)力作用，裂紋又有了一定程度的擴(kuò)展。由于裂紋呈扁平狀，如果存在加載方向垂直于裂紋平面，裂紋兩端會引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，誘發(fā)脆性斷裂。裂紋尖端存在著缺口效應(yīng)，容易出現(xiàn)三向應(yīng)力狀態(tài)，導(dǎo)致裂紋的失穩(wěn)和擴(kuò)展。此外，該焊接裂紋始于管道內(nèi)表面，在定期的管道檢查中難以發(fā)現(xiàn)，具有較大的隱蔽性，因此對服役管道造成了極大的潛在風(fēng)險。圖7(c)示出2#管道焊接接頭中存在的裂紋，該裂紋起始于焊接的錯邊結(jié)合處，向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展，擴(kuò)展深度接近1 mm。錯邊造成的應(yīng)力集中使該裂紋萌生，在管道服役中，裂紋處承受一定的載荷，在缺口效應(yīng)導(dǎo)致的三向應(yīng)力狀態(tài)下，該裂紋有了進(jìn)一步擴(kuò)展。

綜上所述，在焊接接頭焊縫錯邊結(jié)合處、未熔合處以及固體夾雜物、甚至孔穴缺陷處都發(fā)現(xiàn)有萌生的裂紋，起裂點(diǎn)位于這些焊接缺陷的尖角處。未熔合和未焊透缺陷的厚度超過了焊縫厚度一半，嚴(yán)重地降低了焊縫的強(qiáng)度，但這些缺陷邊緣無明顯尖端，這些管道服役10年后，未見缺陷明顯擴(kuò)展及使用中新生缺陷的生成(見圖3(b)，(c))。夾渣缺陷由于形狀不規(guī)則，邊緣更容易形成尖角，導(dǎo)致裂紋從尖角處起源并擴(kuò)展(見圖4(a)，圖5(a))。

圖7 焊接接頭裂紋缺陷

3 顯微組織分析

3.1 焊縫區(qū)顯微組織

圖8示出各管道焊接接頭焊縫區(qū)的顯微組織。從圖8(a)中可以辨別出，1#管道焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織中存在著由平行排列的鐵素體和夾于其間的珠光體的混合物，呈羽毛狀，判斷為鐵素體魏氏組織。焊接時在高溫停留時間較長而冷卻速度較快容易導(dǎo)致魏氏組織形成［5］。該組織強(qiáng)度、韌性都較低。焊縫中存在這種鐵素體魏氏組織也說明了原奧氏體晶粒較為粗大，因此，焊縫的力學(xué)性能尤其是塑性和沖擊韌性會顯著降低，導(dǎo)致焊接接頭抵抗脆性破壞的能力降低，甚至產(chǎn)生微裂紋，可能會成為管道爆炸的主要原因之一［6］。為了降低焊縫冷卻速度，可以在焊接前對待焊管道進(jìn)行預(yù)熱。

圖8 焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織

如圖8(b)所示，該區(qū)域組織呈現(xiàn)明顯的鐵素體和板條狀馬氏體特征。造成這種組織的原因是焊縫焊接時，奧氏體以大于臨界速度快速冷卻到Ms溫度以下。經(jīng)化學(xué)成分分析，2#含碳量比1#和3#均高;材料含碳量越高，越易得到馬氏體組織。焊接時小的焊接電流以及較快的焊接速度都會促使馬氏體的轉(zhuǎn)變。板條狀馬氏體不僅具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時也具有優(yōu)良的韌性［7］。

從圖8(c)可以看出，該區(qū)域顯微組織由鐵素體和珠光體構(gòu)成，部分區(qū)域存在魏氏組織。

3.2 熱影響區(qū)顯微組織

圖9 焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織(靠近熔合線的區(qū)域)

除2#管道，各管道焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織基本為正常焊接組織。顯微組織隨著與熔池距離的變化而逐漸改變，從鄰焊縫到鄰母材依次分布3個區(qū)(過熱區(qū)、正火區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū))。

圖9示出各管道焊接接頭熱影響區(qū)靠近熔合線區(qū)域的顯微組織。圖9(a)，(c)示出1#，3#管道焊接接頭靠近熔合線區(qū)域的晶粒十分粗大，金屬組織由粗大的鐵素體和珠光體組織構(gòu)成，屬于焊接熱影響區(qū)的過熱區(qū)。圖9(b)示出2#管道焊接接頭，該區(qū)域主要有較細(xì)小的鐵素體晶粒和少量珠光體構(gòu)成，異于正常情況下粗大的鐵素體和珠光體。這種組織硬度小，塑性和韌性都較高。一般情況下，緊鄰焊縫區(qū)的部分由于受熱程度較大，奧氏體晶粒往往較大，快速冷卻后的晶粒尺寸也較大(見圖9(a)，(c))。2#管道焊接接頭這一區(qū)域的異常組織可能是由于焊接時采用多道焊造成的，致使焊接過程中該區(qū)域冷卻較慢，在加上20#鋼本身淬火不易，因此奧氏體晶粒緩慢冷卻形成了這種較為細(xì)小的鐵素體晶粒。由此可見，管道焊接接頭組織由于多道焊的影響，和普通焊縫相比，組織有一定的區(qū)別，這種組織力學(xué)性能較為優(yōu)良，對焊接接頭不會造成負(fù)面影響［8］。

4 結(jié)論及改進(jìn)建議

4.1 結(jié)論

(1)各管道焊接接頭焊接缺陷較嚴(yán)重，幾乎所有檢測試樣中都存在不同程度的錯邊、固體夾雜物和孔穴，50%的檢測試樣存在程度嚴(yán)重的未熔合和未焊透缺陷。焊接接頭錯邊、未熔合、夾雜及孔穴等缺陷的尖端發(fā)現(xiàn)有裂紋萌生，未熔合和未焊透缺陷邊緣若無明顯尖端處則無新生裂紋的生成。夾渣缺陷由于形狀不規(guī)則，邊緣容易形成尖角，導(dǎo)致裂紋從尖角處起源并擴(kuò)展。萌生的裂紋呈直線或“之”字線形狀，起裂點(diǎn)位于焊接缺陷的尖角處，由內(nèi)側(cè)沿橫向向外側(cè)擴(kuò)展，經(jīng)10余年服役運(yùn)行后，開裂的最大深度達(dá)1.5 mm，將導(dǎo)致氨制冷壓力管道有破裂、泄露的危險。

(2)各管道焊接接頭焊縫區(qū)的顯微組織為正常焊接組織，其中1#，3#管道焊接接頭焊縫區(qū)存在部分魏氏組織，該組織的出現(xiàn)會顯著地降低焊縫的沖擊韌性。2#管道焊縫區(qū)有部分板條狀馬氏體組織，對焊接接頭力學(xué)性能有積極作用。

(3)2#管道焊接接頭過熱區(qū)組織異于普通焊縫組織，為較細(xì)小的鐵素體晶粒和少量珠光體，可能是由于采用多道焊所致。

4.2 改進(jìn)建議

(1)從上述分析可見，焊接工藝不合理直接導(dǎo)致焊接缺陷產(chǎn)生。因此要根據(jù)管道的具體情況設(shè)計(jì)合理的焊接工藝，防止未熔合和未焊透;在焊接的各個環(huán)節(jié)必須嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求，盡量減少錯邊、固體夾雜物及孔穴缺陷，從而防止裂紋的萌生。

(2)在新管道進(jìn)行服役之前進(jìn)行全面的焊接質(zhì)量檢驗(yàn)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求投入使用，同時加強(qiáng)安全監(jiān)督管理和定期檢驗(yàn)工作。為解決氨制冷壓力管道不停機(jī)、不拆保冷層、不排介質(zhì)就無法實(shí)施全面檢驗(yàn)的問題，各行業(yè)正在探索行之有效的全面檢驗(yàn)方法，如運(yùn)用X射線數(shù)字成像技術(shù)和紅外熱成像技術(shù)［9］，以及早發(fā)現(xiàn)各種缺陷，及時消除安全隱患，防止事故發(fā)生。

(3)加強(qiáng)對管道焊接質(zhì)量的控制，按照SBJ 12—2011［10］的要求應(yīng)采用氬弧焊封底，手工電弧焊蓋面的焊接方法，同時要加強(qiáng)對焊接操作工人的技能培訓(xùn)。

［1］ 賈強(qiáng)，蔣紅輝.氨制冷壓力管道安全監(jiān)督管理要點(diǎn)探析［J］.壓力容器，2011，28(8):60－63.

［2］ GB/T 13298—1991，金屬顯微組織檢驗(yàn)方法［S］.

［3］ 印有勝.金屬焊接缺陷及其防止［M］.哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

［4］ 李亞江，劉強(qiáng)，王娟，等.焊接質(zhì)量控制與檢驗(yàn)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［5］ 王源泉.亞共析鋼中魏氏組織的研究概括［J］.哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，1982(1):65－80.

［6］ 陳曙光.氨合成塔出口異徑管爆炸事故分析［J］.化工勞動保護(hù)，2000，21(8):208 －281.

［7］ 馬文姝，白鳳臣.金屬熔焊原理［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

［8］ 張漢謙.鋼熔焊接頭金屬學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［9］ 賈強(qiáng).氨制冷壓力管道不停機(jī)全面檢驗(yàn)方法研究［J］.壓力容器，2012，29(5):75 －80.

［10］ SBJ 12—2011，氨制冷系統(tǒng)按照工程施工及驗(yàn)收規(guī)范［S］.