【建筑塑料及给排水分会】• 技术｜不锈钢管厂家对焊接管段微裂纹原因分析

 导言

​本文采用宏观检测、化学成分分析、金相分析、扫描电子显微镜分析、能谱分析等方法,寻找不锈钢管管段出现大量微裂纹现象的根本原因,以避免由此缺陷造成重大事故.通过金相分析发现,所测管段样品内部和内壁的金相组织结构为正常的铁素体和珠光体,但靠近外壁处有在100μm左右的不完全脱碳现象.通过SEM检测发现,在靠近热影响区附近有大量的裂纹不均匀分布,靠近裂纹处较多,裂纹大多起源于表面,深入表面后便沿着管径向远离焊缝方向延伸,裂纹呈沿晶和穿晶共存的混晶态延伸;通过EDS的线扫描、面扫描和点扫描可以发现在靠近外表面处有明显的脱碳现象,根据管外壁裂纹的形貌特征、产生部位和延伸特性可以判断,产生的裂纹为冷裂纹.

正文

    焊接技术在重大工程建筑中越来越重视，不锈钢管厂家为了保证焊接质量，焊接缺陷分析与防止受到人们的关注，特别是化工容器、电力管道、石油天然气管线、船舶制造等，焊接缺陷往往是引发重大事故的隐患，涉及企业发展甚至社会的安全。

我们在对某海洋石油平台高压天然气回注线路进行检修时，通过磁粉探伤的无损检测发现天然气缓冲罐出口至注气机入口管线表面有大量的微裂纹，管内介质为伴生气（微量硫化氢），温度为30-35℃，压力3.3-3.5Mpa,不锈钢管厂家为了寻找出现火量微裂纹现象的根本原因，分别对管段进行宏观检测，化学成分分析，金相分析，扫描电子显微镜分析和能谱分析，以避免由此缺陷造成重大事故。

1检测仪器及方法

  首先我们对管段的母材进行化学成分分析；采用OLYMPUS GX41火型光学显微镜进行金相分析；采用Quanta FEG 650场发射扫描电镜和EDAX/TSL能谱仪对管段腐蚀产物的微观形貌利点扫描、线扫描和面扫描对成分进行分析。

2分析与测试

2.1管段宏观分析

2.1.1原始外观形貌

    (1)试样取自天然气缓冲罐出口至注气机入口管线，管内介质为伴生气（微量硫化氧），其宏观形貌如图1所示。不锈钢管厂家从图中可知管段外壁无明显的腐蚀缺陷，采用无损检测技术对管段进行探伤，发现弯管部位无明显缺陷，但在靠近焊缝的热影响区的直管上有裂纹存在，大体走向呈沿着管径方向。

2.1.2管段清洗腐蚀产物后宏观形貌

  管段中有微裂纹处试样清洗前后对比照片，清洗后内外壁表面较光滑呈现金属光泽，有一些凹凸不平的小腐蚀坑，未见裂纹等其它明显缺陷，腐蚀以并不严重的均匀腐蚀为主。

2.2大型光学显徽镜分析

  分别截取管段的一块样品磨制金相试样，在OLYMPUS GX41大型光学显微镜下观察，金相显微组织见以下各图。

    (1)观察金相的位置和方向，观察，分别为沿着焊缝方向和从焊缝开始逐渐远离焊缝方向，观察可以得出：金相组织为白色的铁素体和黑色的珠光体，对比外表面与内表面发现，试样的内壁和内部组织正常，在外壁有不完全脱碳现象存在，脱碳层深度达300微米，在脱碳区有裂纹不均匀分布，靠近焊缝区域的裂纹明显较多，从30-150微米深度大小不一，从裂纹走势上可以看出，裂纹在内部很浅的范围后便沿着管径向远离焊缝的方向延伸，最远达500～600微米。

2.3场发射扫描电子显微镜分析

2.3.1微观形貌

    (1)试样剖面形貌观察

    不锈钢管厂家采用Quanta FEG 650场发射扫描电镜进一步将金相试样的形貌进行了观察分析，并利用EDAX厂能谱对管段外壁进行了点扫描，线扫描和面扫描的成分分析。

管段外壁的微观形貌，沿着焊缝方向观察，远离焊缝方向观察，从图中可以看出在靠近外壁处有裂纹不均匀分布，裂纹由表面产生后向内延伸，深度深浅不一，最深处高达300多微米，裂纹扩展到一定深度后便沿着管径逐渐远离焊缝在内部延伸，最远处达500多微米。

(2)浸蚀试样剖面观察

    管段金相刻蚀后SEM微观形貌，可以明显看出外壁表面有裂纹不均匀的分布，在靠近焊缝处较多，裂纹大多起源于外表面，呈沿晶和穿晶的混晶态延伸，深度一般在几十到一百微米后便沿着管径远离焊缝在内部延伸。

2.3.2微区元素分析

    利用EDAX/TSL能谱对管段外壁进行点扫描，线扫描，面扫描等成分分析。图14为管段外壁的面扫描成分分析图，从图14中可以明显得出，在靠近外壁80微米范围内，C元素的分布明显较稀薄，说明表面有不完全脱碳现象。

    管段外壁的线扫描成分分析，从中可以明显得出，在靠近外壁120微米范围内，C元素的分布明显较稀薄，说明表面有不完全脱碳现象。

2.5综合分析

  试样化学成分的分析结果表明管段的化学成分符合GB/T699-1999中不锈钢管的要求。试样内壁附着的腐蚀产物主要呈棕黑色和黄色，主要为正常的均匀腐蚀，未发现腐蚀造成的裂纹。管段外壁经过清洗后的对比照片可以看出，表面没有明显的腐蚀裂纹，以正常的均匀腐蚀为主。

    不锈钢管厂家通过SEM检测发现，在靠近热影响区附近有大量的裂纹不均匀分布，靠近裂纹处较多，裂纹大多起源于表面，深入表面后便沿着管径向远离焊缝方向延伸，裂纹呈沿晶和穿晶共存的混晶态延伸。

    所测管段样品的金相组织结构为铁素体和珠光体，内部和内壁的金相组织正常，在靠近外壁处有不完全脱碳现象，通过EDS的线扫描、面扫描和点扫描同样发现有脱碳现象，脱碳层深度大多在在lOOpm左右。

    综上所述可以判断产生的裂纹为冷裂纹，冷裂纹是焊后冷至较低温度下产生的，产生冷裂纹的内在因素有氢、应力、组织：

外在因素有空气的湿度、预热温度、焊接热输入、母材、焊接过程中的咬边、未焊透等其他工艺缺陷。由于缺少现场的数据和资料，无法对其产生冷裂纹的具体原因分析，推断可能由于焊接工艺不当等原因造成表而的局部脱碳，最后导致裂纹的产生。

3结论

(1)管外壁裂纹的具有尖锐缺口和长宽比大的形貌特征；

(2)产生部位在靠近焊缝热影响区，裂纹大多起源于表面：

(3)深入表面后便沿着管径向远离焊缝方向延伸，裂纹呈沿晶和穿晶共存的混晶态延伸特性；

    不锈钢管厂家根据管外壁裂纹的形貌特征、产生部位和延伸特性可以判断，产生的裂纹为冷裂纹，建议解决以上问题可以采取合理选用焊接材料和严格控制焊接工艺等措施，例如合理选择预热温度、紧急后热、保证焊条、焊剂、工作区域的干燥等，因为焊接冷裂纹存在潜伏期，一般在焊后一段时间产生，所以，如果在裂纹产生前能及时加热处理，也能达到防止冷裂纹的目的。

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