304不锈钢管道裂纹产生原因分析及焊接处理

  对304不锈钢管道裂纹产生原因进行了分析，并对裂纹焊接处理的有关问题进行了阐述，同时叙述了具体挖补修复方法及焊接修复过程。某甲醇装置中工艺水管道规格准173mm×12mm，材质为304，满负荷连续运行，且北方气候寒冷昼夜温差大，使管道温度升降很快，同时管道振动过大，工艺水又具有较强的腐蚀性且温度又高，安装后运行不足10个月，在管道膨胀弯的焊缝的热影响区产生了长约150mm的纵向裂纹，导致泄漏，被迫停产。

  至德钢业工作人员根据分析断定，裂纹产生原因不是单一的，而是在母材和填充材料的合金元素不齐全、焊接工艺不当、工作状态不好、管内介质腐蚀性大等共同作用下引起的。为了降低成本，尽快恢复生产，提高焊接接头的疲劳强度，降低热影响区晶界腐蚀的集中系数，根据以往补焊修复经验，对裂纹进行了修复，有效地保证了管道的正常运行。

一、裂纹产生原因的分析

1. 母材及填充材料使用不当

   304不锈钢的化学成分为：（C）≤0.08%，（Cr）：18.0%～20.0%，（Ni）：8.0%～10.0%，由此可知，这类不锈钢的C含量与一般的奥氏体不锈钢C含量相当，并非超低碳不锈钢，并且没有加入稳定碳化物的Ti，Nb元素。如果在焊接时没有避开450～850℃的危险温度区间，并且没有选用含Ti，Nb元素的焊接材料，就会在热影响区形成脆性大、塑性低的碳化铬，从而使热影响区、熔合线上产生晶界腐蚀裂纹。

2. 焊接工艺不合理

  从图焊缝中可以看出，是连弧焊接，焊缝较宽，成形粗糙，弧坑较大，焊趾明显咬肉。由此可以断定，焊接时所用焊条直径较大，焊接电流也较大，焊速慢，停留时间过长，没有避开450～850℃危险温度区间，道间温度控制也未见成效，这是形成晶界腐蚀裂纹的又一原因。

 为了保证装置在短期内恢复运行，就对裂纹进行了直接补焊。

（1）首先做好一切焊前准备工作，在距裂纹2个端点各10 mm处钻准6 mm的止裂孔，以防打磨、焊接过程中裂纹蔓延。然后用角向磨光机磨出α＝60°，b＝3.2mm，p＝1.5mm的坡口。坡口长度为止裂孔间的距离，并过止裂孔磨出焊缝与母材的过渡面，再将坡口两边的油、锈等杂物清理干净。

（2）采用ZX7-400A焊机，直流反接，焊材为A122，准3.2 mm，进行打底、填充及盖面，焊接电流为110 A。

（3）采用灭弧焊打底、连弧焊填充及盖面，并且单道打底，双道填充，3道盖面。每层间都彻底清理，每个接头都要错开15 mm左右，确保没有缺陷。焊接方向为从左至右，焊接顺序为逐层逐道由下至上。

（4）补焊后，焊缝外观平整，且焊缝余高≤1 mm，宽度≤14 mm，经做着色检查合格，只是热影响区的硬度超标，但是没有作为重点考虑。

（5）补焊后，设备经过26天的运行，距补焊焊缝10mm处再次产生长150mm的裂纹，导致泄漏，再次被迫停产。

3. 管道振动过大

   由图中可以看出，裂纹主要产生在管道膨胀弯焊缝的热影响区，这是由于在产生晶间腐蚀的同时，管道不断收缩膨胀的方向不一，管道内部工艺水压力较大引起振动，使焊缝的热影响区受到了很大的外载荷，也就是在不断增大疲劳载荷，使已经产生晶界腐蚀的热影响区加速开裂。

4. 内部介质腐蚀性大

  由图可以看出，漏点有严重的被腐蚀痕迹。这完全可以证明，管道在长期运行的过程中内部介质不断渗入晶间，使其加大晶界腐蚀，导致开裂。在以上四方面的共同作用下，使管道焊缝中形成脆性大、塑性低的碳化铬区域快速开裂，并泄漏，导致停产。

二、挖补修复

   304不锈钢管道的再次泄漏引起了厂方高度的重视，因此将修复方案改为挖补修复。挖补修复是将管道中已经产生裂纹的部位，用等离子弧将其完全割除，并且挖掉宽150mm左右，且比可见裂纹两端各长出20mm的管道母材（必须将焊缝两侧的热影响区切除掉），然后根据挖掉母材的尺寸，选择相同轴向、材质为0Cr19Ni11Ti、规格为200mm×150mm×12mm的补丁块，对切除部位进行补焊修复。挖补修复与直接补焊裂纹相比，止裂性强，耐疲劳强度高，使用0Cr19Ni11Ti可使焊缝晶粒细化，减少热影响区中的碳化铬，降低晶界腐蚀。若裂纹长度大于管道周长的25％，就不采用挖补修复，而是全部更换。

1. 打磨与组对

   为了避免应力集中，使补焊焊缝圆滑过渡，必须先将所挖洞口及补丁块边缘的割痕磨掉1mm，然后再将四角打磨成圆弧状，最后修出V形坡口，并将坡口两侧各宽100mm范围内的油、锈等杂质清理干净。推荐坡口尺寸：坡口角度α＝60°，预留间隙b＝3.2～4.0mm，钝边p＝1.5～2.0mm。焊接时要严格控制间隙尺寸，并且要基本一致。

2. 焊接设备、方法、焊材及工艺参数

2.1焊接设备

   焊机采用ZX7-400A，或其他逆变直流、硅整流焊机，均直流反接，以使焊接过程中电弧稳定性好、飞溅小，从而进一步保证焊接质量。

2.2 焊接方法

   采用焊条电弧焊，防止内部氧化并便于操作，节省时间。但若时间充足，最好采用TIG焊，尽管焊接设备复杂，但是温度更容易控制，不过一定要注意管内充氩保护。

2.3 焊材

采用A132（E-19-10Nb-16）焊条，因Nb既可以细化晶粒，又能够与C结合生成稳定的碳化物，从而避免在奥氏体晶界形成贫铬区，大大提高焊缝的耐晶界腐蚀能力。

2.5 焊接参数

选用准2.5mm焊条灭弧打底，准3.2 mm焊条灭弧填充、盖面，以便于道间温度的控制。焊接电流见表。

2.6 点固焊与焊接

点固焊是采用准2.5 mm焊条，对图中A，B，C，D处进行灭弧点固焊，焊缝长度不超过20mm。点固焊时的焊接电流与正式焊接时相同。焊接方向由下向上，由左向右，对称焊接。打底焊、填充焊及盖面焊都采用灭弧焊接，且每次熄弧后冷却3~4 s后再引弧，焊条摆动幅度越小越好。焊接时应集中精力观察每一个熔池的情况，如有缺陷，应立即停止焊接进行修磨。一定要避免在拐弯处熄弧和引弧，否则接头就无法打磨。严格控制道间温度，每层焊完后待冷却至100℃以下后，再焊下一层，每一层的接头都要相互错开15 mm左右。

三、质量检验

   304不锈钢工艺水管道挖补修复后，焊缝外观平整美观，余高h≤1 mm，宽度＜14 mm，热影响区及焊缝硬度符合相应标准要求。对焊缝进行X射线探伤，结果达到Ⅱ级以上，随后进行管道正常压力2 MPa（20 kg/cm2）的1.25倍的水压试验，无泄漏，合格。角焊缝应先做着色检验，无缺陷后再进行水压试验。

   304不锈钢工艺水管道补焊后，某甲醇装置运行状况良好，至今已近12个月，补焊焊缝完好无损，足以证明前述分析正确，挖补修复是非常有效的。从实践中可以看出，挖补修复主要用于管径>89 mm的大型管道，而且是在生产任务重、没有更换材料的情况下使用，尽管效果很好，可以给生产带来较大的经济效益，但是如有条件还是全部更换。最重要的是，在关键部位的管道一定要注意材质的选用。材质选择正确与否就决定了生产的稳定性，也决定了成本的高低。由于是特种材质的焊接，所以在操作过程中，要求焊工技能水平高、手把稳、眼明手快、沉着冷静，并且要不断总结，以提高操作技能水平。