焊接氢致延迟裂纹的产生和危害及防治措施

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延迟裂纹的出现：
        氢致延迟裂纹一般出现在焊接完成之后的几个小时、十几个小时、几天、数月甚至更长时间之后，故此得名。


延迟裂纹的危害：
        裂纹的出现有滞后性，部门裂纹无法通过焊后探伤检测，别的延迟裂纹的出现一般为突发出现，无明显的征兆，如果在设备投运后出现，将为人民的生命财产安全埋下重大隐患。


        氢致延迟裂纹而导致的变乱在国内外都常有产生，据1965年英国的统计，在英国发生破坏的132台压力容器中，由于延迟裂纹引起的破坏就有118台，占破坏总数的89.3%。


日本的焊接技术在国际上处于非常高的水平，但是其某公司生产球罐144台，在使用过程中从45台球罐中检测出裂纹1471条，其中属于延迟裂纹的就有1248条。


1979年12月18 日我国吉林煤气公司液化站产生液化石油气罐群爆炸事故，炸毁400m3球罐6台、50m3卧罐4台、15kg液化石油气钢瓶3000多个，死亡32 人，重伤54人，直接损失600多万元。


变乱的直接原因是2号球罐上的环向焊缝在制造过程中存在延迟裂纹，在低温和高应力的长期作用下，焊缝最终被撕裂，液化石油气喷出引起了燃烧和爆炸事故。


氢致延迟裂纹的产生：
（1）产生条件
        中存在的扩散氢、焊接接头的脆性组织（马氏体、上贝氏体等）、焊接残余应力和外界应力导致的应力集中。


（2）产生的位置
        裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹，该三种裂纹大部门都位于焊接热影响区的过热粗晶区位置。管线钢的焊接接头处单次热循环焊接热影响区主要分为由与母材相近的部门相变区，由等轴铁素体构成的正火细晶区和由马氏体、贝氏体、粗大铁素体构成的过热区组成。由于过热区主要由脆硬的马氏体、贝氏体和粗大铁素体构成，其硬度较大，变形能力差，在遇到较大应力时易于出现开裂。


（3）产生的过程：
        ①淬硬构造：母材受到焊接电弧的热作用，并在快速冷却的条件下，母材由塑韧性较好的铁素体转变为脆硬的马氏体结构（即焊接热影响区淬火组织）


        ②扩散氢：焊接时，焊条、焊丝受潮，焊口油污、水、泥等，使焊缝金属存在大量的氢，并超过其临界含量


        ③应力集中：焊缝冷却收缩应力、焊接顺序不当、钢管未加支撑、钢管下沟变形、管线的打压和服役时承受的压力等，同时焊缝金属未与母材举行圆滑过渡使得焊根处的应力集中系数较大
         当上述三个条件同时满足时，焊缝中的扩散氢会在应力、氢浓度梯度和金属内缺陷的作用下向热影响区的粗晶区内扩散，当氢浓度达到一定值，并且焊缝处由于应力集中产生的应力大于焊缝的屈服极限时，焊接接头会产生塑性变形，淬火组织为脆硬相，其协调变形能力差，便会在此处产生裂纹。裂纹产生的速度大部门取决于氢的扩散和聚集速度。


氢致延迟裂纹产生三要素对其他性能的影响：

（1）对腐蚀的影响：
        氢在金属表面吸附，致使局部酸化，加速腐化；
        马氏体属于非稳态构造，耐蚀性较差；
        应力集中使金属产生应力腐化和应力腐化开裂。


（2）对接头力学性能的影响：
  氢在金属中溶解和聚集会产生附加应力以及与其他元素产生反应产生脆化物，致使金属的韧性变差，当遇到突然的外力时不能通过变形释放能量而导致开裂；马氏体为脆硬组织，变形能力差；


（3）对阴极保护的影响：
        阴极保护条件下，马氏体的析氢电位要比铁素体的高，即在同等的阴极保护电位下，马氏体构造表面更易于氢的析出。


        别的，马氏体的氢脆敏感性要远远高于铁素体，即在服役过程中，马氏体构造更容易产生破坏。在同等的阴极保护电位下，马氏体构造具有更小的延伸率。（横坐标为阴极保护电位，纵坐标为延伸率，其中1350代表X80钢焊接热影响区的粗晶区、950为细晶区、800为部分相变区、X80为X80钢母材）

延迟裂纹的出现，对国家财产和人民的人身安全有着非常大的威胁，所以在焊接生产过程中要采取公道的措施来避免延迟裂纹的出现。在上一期中详细介绍了延迟裂纹产生的原因，即延迟裂纹三要素：扩散氢、淬硬构造、应力集中，当这三个要素缺少任何一个时，延迟裂纹都不会出现，所以这一期重要从这三个要素着手，分析一下延迟裂纹的防治措施。


1、扩散氢
焊缝金属中的扩散氢重要来自焊接过程中，氢在熔池中的溶解，当熔池凝固时，氢的溶解度迅速降低，致使溶解氢以氢气的形式从熔池中析出，但氢不可以或许完全以氢气的形式析出，焊道处剩余的氢便以游离氢残存在焊缝金属中形成可扩散氢。减少焊缝金属中的扩散氢重要有两种途径，一是控制氢的泉源，而是增大氢向金属外的扩散速度。




a、控制氢的泉源
焊接过程中氢的泉源重要是水(H2O)的受热分解，H2O在焊接电弧的高温作用下会分解出游离的氢(H)，H会在熔池中溶解，形成溶解H。水的泉源重要有，受潮焊条、焊丝，管口处的铁锈，管口处有霜、雪或潮湿，管口有油污、油漆等有机物，以及空气湿度过大等。所以控制氢泉源的重要措施可以归结为：第一，焊材的干燥，其中包括焊材的烘干和烘干后的保存，尤其是吸湿力极强的低氢焊条；第二，管口的清理，焊接作业前要严格对管口进行清理，保证焊口处及周围无冰霜雪、油污、铁锈、水份等；第三，在雨雪雾天，没有一定的防护措施不得举行焊接作业。


b、加强氢向金属外的扩散
存在焊缝金属中的氢会自发的向金属外扩散，氢的扩散速率随着温度的增高而加快，所以增加氢向金属外的扩散就是延长焊缝金属在较高温度段的停留时间（此处的高温不应引起金属产生额外的相组织变化），当焊接电压电流一定时，焊前预热、焊后缓冷以及消氢热处理可以或许实现降低焊接接头的冷却速度，延长高温停留时间。


焊前预热：焊前预热除能够对焊口进行烘干外，还可以或许缩小焊接环境温度与焊道温度的差值，可以或许降低焊道的冷却速度。


焊后缓冷：焊后缓冷主要是通过焊后对焊道处施加无热源的保温措施，管道施工重要采用保温被（缓冷被）。


消氢热处理：消氢热处理是在焊接作业完成后通过对焊道处加热，使焊缝中的氢迅速向外部扩散，加热的方法重要有加热炉、中频加热、火焰加热等。


2、淬硬构造
淬硬构造的产生重要是由于焊道的t8/5(从800℃冷却到500℃的时间，其决定了焊接接头的室温构造构成)过短，导致奥氏体转化为马氏体或上贝氏体。决定t8/5长短的因素包括焊接预热和焊接热输入。焊接预热能够提高母材的温度，降低焊缝凝固后的冷却速度；焊接热输入的大小决定了焊后焊道的温度。所以为了制止或尽量降低淬硬组织，在焊前要举行预热，同时也应控制焊接热输入，在母材温度较低的情况下尽量避免短时间的点焊。


别的较大的焊接热输入也会使焊接热影响区的温度过高而产生淬硬构造，在焊接过程中也要制止在较短的时间内对局部区域施加较大的热输入，在实际的作业过程中推荐多层多道焊。


3、降低焊接应力及应力集中
焊接应力重要来自与焊接过程中产生的焊接内应力和在管线安装和使用过程中产生的外应力。应力是延迟裂纹产生的直接原因，同时焊接接头处由于形状不规则会产生一定的应力集中，当叠加的应力大于材料的强度时，便会产生裂纹。




内应力：内应力来自焊缝凝固后的紧缩应力，降低焊缝紧缩应力重要通过减少焊接拘束，使焊缝自由收缩。在管道安装的实际作业过程中很多地方不可以或许实现自由收缩，此时要采用合理的焊接顺序，制止先成型的焊缝对后续焊缝造成较大的拘束，在返修过程中磨削打漏的长度要达到一定的长度，增大焊缝的紧缩空间。




外应力：在管线安装作业中，由于钢管的自重，钢管的吊装组对，支撑土堆的堆放等等，无可避免的会引入外界应力。在管线安装施工中要采取公道的措施来减小外界应力的引入，比如钢管的对接过程中可以预做一个小土堆，焊接完成后在做完整的土堆，制止焊接后撤出吊装钢管的悬空；精确的使用弯头弯管，制止由于角度不合适而出现不应该出现的弹性敷设。


应力集中：应力集中主要由受力构件的截面突变引起，应力集中会使材料在较小的应力下产生破坏，在低韧性材料中更为明显。应力集中程度由应力集中系数决定，截面过渡角度越小应力集中系数越大，反而越小，即尖角过渡与圆角过渡相比具有较大的应力集中系数。


管线中的焊缝相对与母材具有较差的塑韧性，同时也存在截面突变，是由应力集中而产生破坏的重点区域。所以在焊接过程中要注意能用圆角过渡的不采用尖角过渡，能用平滑过渡的不采用圆角过渡，能不引起截面突变的尽量不要引起截面突变。


比如，焊缝与母材过渡处应采用平滑过渡，焊缝余高不能过高，焊缝不能低于母材，焊缝宽度尽量保持一致，对局部焊缝修补后，要打磨成与原焊缝相同的高度和形状。



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