延迟裂纹的危害及原因分析
王 建
1 前 言
在焊接生产过程中由于钢种和焊接结构的类型不同，会出现各种裂纹。裂纹的形态和分布特征是很复杂的，有焊缝的表面裂纹、内部裂纹，有热影响区的横向裂纹、纵向裂纹，有焊缝和焊道下的深埋裂纹，也有在弧坑处出现的弧坑裂纹。值得关注的是，裂纹有时出现在焊接过程中，有时会出现在焊接完成后放置几小时或几天后，也有的在运行过程中几年，甚至十几年后才出现。裂纹开始少量出现，随着时间增长逐渐增多和扩展，这类裂纹就是延迟裂纹。延迟裂纹在制造过程中未被发现，在使用过程中就可能造成极其严重的后果，所以比一般裂纹的危害性更大。
延迟裂纹的产生和发展是缓慢的、间歇式的，它不仅给生产带来许多困难，而且可能带来灾难性的事故。据统计，世界范围内焊接结构所出现的各种事故中，除少数是由于设计不当、选材不合理的问题外，绝大多数是由延迟裂纹而引起的脆性破坏。据1965年英国的统计，在英国发生破坏的132台压力容噐中，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1 471条，其中属于延迟裂纹的就有1 248条。1979年12月18日我国吉林煤气公司液化站发生液化石油气罐群爆炸事故，炸毁400m3球罐6台，50m3卧罐4台，15㎏液化石油气钢瓶3 000多个，死亡32人，重伤54人，直接损失600多万元。事故的直接原因是2＃球罐上温带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。
由于延迟裂纹在生产过程中无法检测和延迟时间的不确定性给设备的安全运行带来了很大的危害。
2 延迟裂纹的形成机理
延迟裂纹的形成与钢的淬硬倾向、焊接接头的含氢量及其分布、焊接接头的应力状态有关。延迟裂纹有的沿晶扩展，有的穿晶前进，这与焊接接头的金相组织、应力状态、氢的含量有关。一般延迟裂纹多为穿晶裂纹（裂纹穿过晶界进入晶粒），其成因是由于焊道热影响区的低塑性组织承受不了冷却时体积变化及组织转变产生的应力而开裂，或是由于焊缝中的氢原子相互结合形成分子状态进入金属的细微孔隙中时形成巨大的内应力与焊接拘束应力的共同作用下致使焊缝开裂（称为氢致裂纹）。
2.1 延迟裂纹的分类
延迟裂纹分为焊趾裂纹、焊道下裂纹、根部裂纹。
焊趾裂纹产生于母材与焊缝交界处，有明显的应力集中倾向，裂纹走向一般与焊道平行。
焊道下裂纹发生在淬硬倾向较大，含氢量较高的焊接热影响区，裂纹走向一般与熔合綫平行。
根部裂纹可能出现在热影响区的粗晶区域，也可能出现在焊缝金属中。它取决于母材和焊缝的力学性能及焊缝根部的形状。
2.2 产生延迟裂纹的原因
钢的淬硬倾向、焊接接头的含氢量及其分布、焊接接头的应力状态是中高强度低合金钢产生延迟裂纹的三个要素。它们相互作用、相互影响，必然有一种或两种因素起主导作用。其中关键性的因素是含氢量。焊缝中的氢是在潮湿气氛中焊接时，在高温下氢以原子状态溶入焊缝金属的，冷却后钢对氢的溶解度变小，氢原子聚集分布广，已无法逸出焊缝，便形成巨大的内应力，致使裂纹开裂。断口上常有白色斑点，称为氢白点。因此延迟裂纹也称为氢致裂纹。
2.2.1 金属的淬硬程度
金属在焊接过程中，在焊接热循环作用下，金属热影响区和半熔化区易形成马氏体等淬硬組织，在近缝区由于加热温度高，晶粒粗大，使这里焊接組织塑性大大降低。焊接接头性能脆化，在焊接拘束应力作用下，产生巨大的内应力，使晶粒内部破裂，形成开裂。
2.2.2 焊缝接头的应力状态
焊接接头的应力来自三方面：①焊缝和热影响区在不均匀加热和冷却过程中产生的热应力。在焊接时，焊接区由于受热面发生膨胀因而承受压应力，冷却时受热面收缩承受拉应力，应力的大小与母材和填充金属的热物理性质有关，也与结构的刚度有关，在应力作用下，会引起氢的聚集，诱发氢致裂纹。②由于焊接接头不均匀的組织转变所引起的組织应力。高强钢奥氏体分解时（析出铁素体、珠光体、马氏体），引起体积膨胀，而转变后的組织都具有较小的膨胀系数，会减轻焊后收缩时产生的拉伸应力，从这点看相变时产生的应力会降低裂纹倾向。③焊接接头受焊接刚性拘束产生的拘束应力。这种应力与结构的刚度、焊缝位置、焊接顺序、构件自重、载荷情况等因素有关。
2.3 熔敷金属中的扩散氢的含量
延迟裂纹的产生与焊接接头的含氢量有直接关系，温度是影响焊接接头氢扩散、逸出的重要因素。在焊接过程中，液态金属所吸收的氢，有一部分在熔池结晶过程中可以逸出，但熔池的结晶速度很快，还有相当多的氢来不及逸出，而被留在固态焊缝金属中。这对焊缝的性能会产生很大的影响，形成巨大的内应力，致使金属开裂。实际上真正导致产生延迟裂纹的氢被称为扩散氢，因其能在固态金属中自由扩散而得名。扩散氢是导致氢白点、氢脆、氢致裂纹即延迟裂纹等缺陷产生的重要因素。
2.4 焊缝中氢的来源
焊接过程中进入熔池的氢主要来源于焊接材料中的水分、含氢物质、电弧周围空气的水蒸气、焊丝和母材坡口表面上的水、铁锈、油污等杂质。
焊接时焊缝和热影响区吸收了氢，而焊接接头又存在复杂的应力，特别是焊缝存在微小裂纹、夹渣时，造成三向应力区。在三向应力区存在着应力梯度，应力梯度促使氢的扩散，使氢逐渐向三向应力区扩散。当三向应力区的含氢量达到临界浓度后，金属原子键破裂，裂纹扩展，随着裂纹扩展，该区应力释放，多余的氢由新的裂纹面向外扩散，在新的裂纹端再重复上述过程，直至裂纹开裂。氢的扩散、聚集、诱发需要时间因此产生延迟。
从微观裂纹的形成到发展成宏观裂纹需要一定的时间，称为潜伏期。根据含氢量多少，应力水平的高低，延迟裂纹的潜伏期长短不一。2007年8月我们在检验某化肥厂脱硫塔时，采用磁粉探伤发现此塔下封头与筒体环焊缝表面有裂纹，用超声检查发现裂纹深达6mm，裂纹位于该塔西人孔中心向北540mm环焊缝起弧、收弧处。查阅检验档案，上次检验此处并未发现裂纹。该脱硫塔1977年6月制造，1983年投入使用，所用材料为16MnR，壁厚22 mm，操作压力2.8MPa，操作温度45℃，工作介质：中变气、ADA溶液。该脱硫塔运行20多年，前几个周期检验均未发现此处有裂纹，裂纹位于焊缝起弧收弧处，此处焊缝经两次加热、熔化、及凝固，应力状态复杂。70年代生产厂家对焊接工艺往往控制不严，焊接材料中的水分、铁锈、油污等杂质很容易进入熔池形成扩散氢。该产品施焊时，不具备整体预热的条件，采用局部加热，加热区温度高，非加热区温度低，温度梯度大，易产生焊接拘束应力。该产品焊接结束后，不具备整体后热的条件，采用煤气管道加热方式进行后热，温度太低，短时间内达不到后热所需要的温度，使扩散氢不能充分逸出，达不到消氢的目的，具备了产生延迟裂纹的客观条件。
3 延迟裂纹的防止措施(www.xing528.com)
3.1 工艺方面
建立低氢的焊接环境，选用低氢焊接材料和低氢焊接工艺，如采用CO2气体保护焊可获得低氢焊缝。
尽量选择低强焊材，为降低焊接接头的应力，当焊接接头的强度低于母材时，拉伸应力可通过塑性变形释放。
采用合理的焊接顺序，焊接时先焊收缩量较大的焊缝，后焊收缩量较小的焊缝，使焊缝能够自由收缩，以降低焊接拘束应力。
（1）制定合理的焊接规范及输入线能量，控制冷却时间，可以改善焊缝及热影响区的组织和性能。
（2）焊前预热，控制层间温度，降低冷却速度，以便氢的扩散，可有效地防止延迟裂纹的产生。
（3）低温消氢处理加速氢的扩散。延迟裂纹一般在焊后几小时或几天之后才会产生。若能在产生裂纹以前及时对焊缝进行后热处理（消氢处理），在300℃中对焊缝进行加热，使残留在固态焊缝金属中的氢加速扩散和逸出，并在一定程度上起到降低焊接残余应力的作用，可改善焊接接头组织，有效地防止延迟裂纹。
（4）对厚钢板采用多层多道焊。前一层对后一层预热，后一层对前一层起热处理作用，降低了残余应力的作用，改善了焊接接头组织。
（5）锤击焊缝表面，使其产生压应力，以改善焊缝应力场，减小延迟裂纹产生的几率。
（6）对有延迟裂纹倾向的材料，应在焊后24小时进行检测，以防止延迟裂纹的漏检。
3.2 冶金方面
（1）控制氢的来源。尽量选择低氢或超低氢焊材，焊材使用前要烘干。清理焊丝、焊缝坡口上的水、铁锈、油污等杂质。
（3）合理选择焊缝金属的合金成分，适当加入某些合金元素，可提高焊缝金属的韧性，提高焊缝抗裂能力。
（4）对难焊和易开裂的钢，选奥氏体不锈钢焊条，由于奥氏体对氢的溶解度大，没有氢焊缝就不会产生开裂。
3.3 降低焊接应力
（1）设计合理的焊接接头。多采用对接接头，避免搭接接头，焊缝外形设计应合理，焊缝布置应尽可能远离截面突变处，焊缝余高不能过高，焊缝接头截面要圆滑过渡，以减小焊缝拘束度，避免过高的应力集中。
（2）避免密集焊缝，采用合理的焊接顺序，以减少焊缝刚度。
4 结束语
影响延迟裂纹的原因很多，它与设计、材料、工艺、焊接、维护保养、使用管理等各方面因素有关。正确地选择预热、后热和焊后热处理可有效地防止延迟裂纹，而对设备每年的检验、检修是发现事故隐患，防止、杜绝因延迟裂纹的发展、断裂引起事故的重要措施。应从全方位进行综合控制，使设备处于良好的工作状态，对防止设备因延迟裂纹引起失效或推迟设备失效的时间是可行的。
［2］范钦珊.压力容器的应力分析与强度设计.北京：原子能出版社，1979
［3］李泽震.压力容器安全评定.北京：劳动人事出版社，1987
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
