Q235 钢管输碱管道泄露原因的分析
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摘要：本文着重分析了q235钢管输碱管道泄露的材料因素以及加工因素。从中找出预防措施，为工业化大生产提供最为直接证据。
关键词：Q235钢裂纹
中图分类号：TU81 文献标识码：A 文章编号：
1.输碱管道泄露的基本情况
管道材质：Q235 钢，管道内输送浓度为 30%的稀 NaOH 水溶液，溶液温度为 70℃。使用一段时间后发现在管道弯头与直管的焊接区域的某一点产生泄漏。通 过 PT 检验和体视显微镜观察，发现泄露发生在焊缝表面，泄露处焊缝表面存在 一条长度约为 15mm 的焊缝裂纹，如图 1(a)所示。管子外表面其它部位完好无损。 将管子切开后仍用 PT 检验和体视显微镜观察，发现与管子外表面焊缝裂纹相对 应的位置，管子内表面焊缝熔合线（焊缝根部）处存在一条长约 38mm 的裂纹， 裂纹走向沿焊趾扩展，如图 1(a)和图 2 图 3 所示，且在焊趾裂纹头部区域存在 三个小深坑，由裂纹相连。这三个小坑到底是局部根部未焊透还是夹渣或者由孔 蚀形成的，尚难以判定。
从上述现象可以判定，管道的泄露是由管道内表面焊缝的根部熔合线裂纹通 过向焊缝内部发展而形成的焊缝穿透性裂纹所致。另外，由于管道内表面金属的 腐蚀痕迹不太明显，只有个别地方存在点蚀坑，由此可知，碳钢对该碱液的抗均 匀腐蚀能力是具有足够的。
(a)管子外表面裂纹位置
(b)管子内表面裂纹位置
图 1 管道泄漏处的裂纹示意图
图 2 管内表面裂纹
图 3 管内表面裂纹
2.裂纹性质的判断
（1）裂纹金相分析 从管道上截取下裂纹试样，制备金相试样，用金相显微镜观察裂纹横截面。
裂纹横截面的金相如图 4 和图 5。
图 4 裂纹主干的金相图（金相试样腐蚀处理前）
2.裂纹性质的判断
（1）裂纹金相分析
从管道上截取下裂纹试样，制备金相试样，用金相显微镜观察裂纹横截面。 裂纹横截面的金相如图 4 和图 5。
图 5 裂纹主干和分支的金相图（金相试样腐蚀处理后）
图 6 裂纹的沿晶扩展形态
由图 4 可以看出，裂纹的扩展方向也是大致与管子轴向垂直（于沿焊缝方 向的纵向扩展裂纹），裂纹起源于管道的内表面的焊缝根部熔合线的缺陷部位（缺 陷性质尚无法判定）。裂纹扩展路径上不存在的明显的塑性变形，但有强烈的方 向性，裂纹尖端较锐利，裂纹较深而宽度较窄。由图 5 可以看出裂纹既有主干又 有分支，貌似树枝状或树根状。图 5 和图 6 可以明显看出裂纹扩展途径为沿晶
扩展。
（2）裂纹面扫描电镜分析
为了分析裂纹性质，把试样沿裂纹掰开，观察其裂纹面的特征。裂纹面基本 上呈黑色或黄褐色，大部分断口表面被一层较厚的氧化腐蚀产物所覆盖。呈明显 的腐蚀断口特征。在扫描电镜下的裂纹面形貌如图 7。
图 7 裂纹面形貌
由图 7 可以看出，裂纹面为大量的晶粒堆积而成，许多晶粒之间已无连接， 晶粒表面光洁，呈现明显的沿晶腐蚀断口特征。
谱图处理:
没有被忽略的峰
处理选项: 所有经过分析的元素(已归一化) 重复次数= 3
标准样品:
CCaCO3 1-Jun-1999 12:00 AM
OSiO2 1-Jun-1999 12:00 AM
MnMn 1-Jun-1999 12:00 AM
Fe Fe 1-Jun-1999 12:00 AM
图 9腐蚀裂纹表面成分
图 10腐蚀裂纹表面成分
图 8-10 是裂纹面各种不同形态的晶粒的成分分析结果，由能谱分析结果可 见，除了碳钢基本元素以及大量的氧元素之外，裂纹面内未发现其它容易引起晶 界开裂的杂质元素偏析。
由此可以判断，裂纹的沿晶扩展不是由于杂质的晶界偏析造成的。
（3）裂纹性质
根据金相显微镜和扫描电镜的观察，可以判定裂纹的性质为应力腐蚀性裂纹 （SCC）。裂纹的扩展、断口形貌等都符合低碳钢应力腐蚀性裂纹的特征。理由如 下。
1）碳钢和 NaOH 溶液组合容易发生应力腐蚀性裂纹
调查表明，约 60℃是产生碱脆与否的界限温度。高于 60℃，碳钢溶液容易 产生应力腐蚀。事故管道输送的 NaOH 水溶液的温度为 70℃。这样满足了产生应 力腐蚀性裂纹的条件。
2）焊缝焊趾部位特别是焊缝根部熔合区存在较大的焊接残余拉
伸应力和应力集中
从焊缝形态分析，此输送管道的环形焊缝分为四段进行焊接，焊接方向和顺 序为 DA-BA-BC-DC，如图 11 所示。由于一条焊缝的各个部分不是同时完成的， 先焊接的部分先冷却并恢复弹性，会对后冷却的部分的横向收缩产生阻碍作用， 因而产生横向应力。此管道的焊接从两端向中心施焊，造成两端先冷却并阻碍中 心部分冷却时的横向收缩，就会对中间部分施加拉应力并同时承受中间部分收缩 所带来的压应力。管道由 B 到 D 焊后受的横向残余应力用平板来表示如图 12 所 示。
另外，在焊缝与母材金属的过渡处（焊趾处）容易引起应力集中。特别是焊 缝根部熔合区域（焊缝背面与母材金属的过渡处）应力集中更大，如图 13 所示。 另外，焊缝的熔合区化学成分比较复杂容易发生点蚀，形成点蚀后也增加了相当 大的应力集中。在体式显微镜的观察中可以看到管道的熔合区裂纹处有局部的点 蚀。
图 11管道焊接顺序和方向示意图
图 12 裂纹处受到的横向残余应力
图 13焊缝根部应力集中示意图
由图 12 可以看出管道 A、C 处受到最大的横向残余拉应力，这两处最容易产 生应力腐蚀裂纹。由图 13 可知在焊缝与母材的过渡区产生应力集中，所受的应 力最大，此处容易形成应力腐蚀性裂纹的起点。体式显微镜的观察发现裂纹 A 处相比较裂纹 C 处，焊接的表面质量较差，容易产生较大的应力集中，如图 14 所示。
另外，观察管道的外表面发现，在交点 A 处，和其他交点比较，焊道 BA 和 DA 的宽度相差最大，也增加了裂纹 A 处的应力集中，如图 15 所示。这些都使 A 处成为最易发生应力腐蚀性裂纹的区域。
图 14交点 A 处焊缝背面的焊接质量
图 15交点 A 处的两焊道
3．结论
根据以上分析，判定输碱碳钢管道焊接接头泄露的 是由于焊接工艺原因导 致焊缝根部局部区域存在较大的焊接应力引起应力腐蚀裂纹所致。
4.建议
（1）改进焊接工艺，减小焊后残余应力；
（2）焊后进行去应力退火。
（3）提高焊接质量，防止因出现根部未焊透、咬边、夹渣等焊接缺陷，以免 引起应力集中。