第一篇：在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施
在役压力容器焊接裂纹的成因分析及预防措施
陈冰川，陈伟民，朱伟青
（国核电站运行服务技术有限公司，上海 200233）
摘要：对某在役奥氏体不锈钢压力容器进行现场金相检测时发现其下封头的纵向焊缝处存在微裂纹。分析了裂纹的形成原因，结果表明该裂纹是由焊接引起的横向沿晶液化裂纹和由压制成型引起的纵向裂纹共同构成的混合型裂纹。针对如何预防此类裂纹，提出了相应的工艺改进措施。
关键词：奥氏体不锈钢； 压力容器； 焊缝； 裂纹； 应力分析 中图分类号：
文献标志码：A
文章编号：
The Cause Analysis and Prevention Measures of Welding Cracks on the In-service Pressure Vessel
CHEN Bing-chuan，CHEN Wei-min，ZHU Wei-qing(State Nuclear Power Plant Service Co.Ltd., Shanghai 200233, China)Abstract: In the local metallographic examination process for an austenitic stainless steel in-service pressure vessel, the microscopic cracks had been found in the longitudinal weld of its lower head.Formation mechanism of cracks is analyzed, the result show that those cracks are composed of transverse liquefaction cracks cause by welding and vertical cracks caused by the suppression molding in manufacture.Some measures have proposed to the prevention of this kind of cracks.Keywords: austenitic stainless steel;pressure vessel;weld;cracks;stress analysis
在压力容器、锅炉和管道等设备部件制造中，常常需要依靠焊接工艺实现两部分母材间的结合。由于在焊接过程中母材被瞬间加热熔化形成熔池，随后熔池液态金属快速冷却结晶而形成焊缝。在熔池金属结晶过程中，焊接接头的显微组织会发生变化，产生焊接应力和变形，同时可能产生各种焊接缺陷，从而影响焊接件的力学性能。因此焊接是一种比较容易出现缺陷的热加工工艺。
金山某化工厂的在役压力容器R2204A聚合反应器标称为II类容器，材质为316L超低碳奥氏体不锈钢，容器规格Φ5060×22 mm，运行介质为有机催化剂，设计温度200℃，业主方未提供其他有关的运行参数。该压力容器主要由筒体和上下封头组成，筒体为钢板卷曲为圆筒状后焊接而成，上下封头则为多块钢板拼焊后冷压制成椭圆形，最后筒体与上下封头通过环形焊缝焊接而成，具体的焊接工艺不详。在2009年12月国核电站运行服务技术有限公司按照《在用压力容器检验规程》的有关规定及业主方的委托，对其内部进行了定期无损检测和金相检验，检测部位见图1，包括椭圆形下封头拼接钢板的两条纵向焊缝和一条筒体与封头连接的丁字焊缝，图中所示的1#、2#和3#依次为这三条焊缝上的现场金相检验的取样部位。
图1 压力容器的检测部位示意图
Figure 1 Schematic diagram of pressure vessel inspection part 在对这三条焊缝进行渗透检测时，表面均未出现记录性缺陷显示。渗透检测对表面缺陷的检出灵敏度一般为1mm宽，低于这一尺寸的缺陷一般难以通过渗透检验检出。在渗透检验的焊缝中黑色区域为现场金相检验的取样部位，如图2所示。
a． 纵向焊缝的渗透检测及金相检验的1#取样部位
a.Penetration test and metallographic examination of No.1 sampling part on longitudinal weld
b． 丁字焊缝的渗透检测及金相检验的3#取样部位
b.Penetration test and metallographic examination of No.3 sampling part on T-weld 图2 焊缝的渗透检测及金相检验取样部位
Figure 2 Penetration test and metallographic examination sampling part on weld 现场金相检验结果发现封头上的两条纵缝（1#、2#取样部位）的熔合线靠近母材侧存在微裂纹，裂纹形貌如图3所示。
a.100倍 a.100X
b.400倍 b．400X
图3 纵向焊缝处的裂纹形貌
Figure 3 The cracks morphology of the longitudinal weld
检测结果交给业主方后，按照《在用压力容器检验规程》的安全状况等级评定有关内容，将该压力容器的安全状况等级降为4级。由于无法对在役压力容器进行破坏性试验，《在用压力容器检验规程》中所要求的检测方法主要包括无损检测、硬度测定、金相检验、应力测定和耐压试验等，而作为一种重要的分析手段，现场金相检验对压力容器的完整性影响极小，可以在不破坏其使用的情况下研究材料的微观组织变化，分析和推测这台压力容器产生微裂纹的产生原因，故对其的微裂纹成因分析主要借助于金相分析。裂纹的成因分析 1.1 横向裂纹的成因
1.1.1 各区域金相组织的差异
焊接接头包括焊缝、熔合区和母材热影响区三个区域，各区域的组织和力学性能差异较大。从图3可以看出，该焊接接头的焊缝组织为奥氏体柱状晶；在100倍的金相照片上可观察到，其熔合线上方有较宽的黑色条状区域，说明熔合区存在较严重的偏析和杂质聚集，这种化学成分的不均匀性会导致力学性能严重下降，其组织为奥氏体柱状晶+枝晶；熔合线下方为母材热影响区中的过热区，组织为较粗大的奥氏体孪晶。焊接接头上的微裂纹多位于熔合区附近，向母材热影响区沿晶扩展，一定数量的垂直于焊缝的横向裂纹与少量平行焊缝但尚未贯穿的纵向裂纹构成一条混合型裂纹带。
1.1.2 液化裂纹的形成机理
在母材与焊缝交界处，即熔合区或多层焊缝层间的金属由于在焊接过程中快速加热和快速冷却，且往往在晶间还存在低熔点合金和夹杂物，容易发生局部熔化而形成沿晶扩展的裂纹，这种裂纹称为液化裂纹 [1]。
图4 液化裂纹示意图
Figure 4 Schematic diagram of liquid cracks
从纵向焊缝的金相照片中观察到，该焊接接头的熔合区过宽、低熔点共晶体偏析严重说明化学成分控制不佳，这些都对液化裂纹的形成产生了重要影响。结合微裂纹的形貌特征，认为其中的横向裂纹主要是焊接热裂纹中的液化裂纹，呈沿晶开裂方式产生在熔合区附近，向母材热影响区中的过热区发展，如图4所示。
1.2 纵向裂纹的成因
纵向裂纹源于应力集中引起的开裂，该压力容器的封头采用拼板焊接后再压制成型工艺，在焊接完成后，内部容易产生焊接残余应力和焊接变形。当焊接后再进行封头压制成型时，焊接残余应力与冷压成型应力相叠加，造成焊缝局部区域应力过高，使焊缝产生新的塑性变形，故诱发了纵向裂纹。关于焊接残余应力和冷压成型应力的具体分析如下：
1.2.1 焊接残余应力
由于焊接过程是局部加热，焊接件各部分不能同步加热和冷却，也不能自由膨胀和收缩。在加热时，焊缝金属及其附近区域的母材受周围冷金属的拘束，不能自由膨胀而受到塑性压缩；在冷却后不能自由收缩而受拉应力，同时还可能发生焊接变形[2]。这种冷却后的拉应力如果不经过恰当的去应力处理便会成为焊接残余应力，影响焊接构件的承载能力。
但对于奥氏体不锈钢，一般不宜进行去应力处理。因为奥氏体不锈钢如果在500~850℃左右温度下热处理时易发生敏化，析出Cr23C6型碳化物[3]，导致不锈钢的冲击韧性以及耐腐蚀性能大大下降，甚至诱发再热裂纹。显然，焊接后未进行去应力处理的奥氏体不锈钢便会有少量残余应力存在[4]，为垂直于焊缝方向的拉应力。
1.2.2 冷压成型应力
该封头的制造工艺主要为三块奥氏体不锈钢拼板纵向焊接而成，之后在压制力F的作用下，封头拼板受压变形，最终达到所要求的形状。压制过程采用冷压成型工艺，工艺简图见图5。
压制力拼板焊缝
图5 封头压制成型工艺示意图
Figure 5 Schematic diagram of pressure molding process for lower head
在压制过程中，在两条纵向焊缝区域内，外加压制应力会引起内应力，其方向为垂直于焊缝的拉应力，如图6所示。这种拉应力与焊接残余应力相叠加，在力学性能最差的焊缝熔合区附近造成应力集中，导致焊缝熔合区内塑性较差的区域出现大量微裂纹。
a.拼板纵向焊缝剖面示意图
a.Schematic diagram of the section of longitudinal weld in splice plate
b.熔合区任一点应力分析
b.Stress analysis of random point in the fusion zone
图6 焊缝区域应力分析 Figure 6 Stress analysis of weld
按照断裂力学理论[5]，断裂强度因子KI于含穿透裂纹的无限板，YYa，式中：Y表示裂纹形状系数，对
；表示裂纹扩展时受到的外加应力值；a表示裂纹长度。在已形成的微裂纹处，应力集中程度最高，一旦超过了微裂纹能够承受的应力值后就会使裂纹不断向前扩展，最终扩展为大致与焊缝平行的纵向裂纹。裂纹的预防措施
根据此种裂纹的成因分析结果，我们建议业主加强对该台容器的检测频率，重点跟踪微裂纹的扩展情况。同时，还为今后压力容器封头避免出现此类裂纹，提出了以下预防措施：
2.1 严格控制化学成分
严格限制奥氏体不锈钢焊接材料和母材中的硫、磷等低熔点杂质元素的含量；改进冶金技术，有效降低含碳量；适当添加钒、钛、铌等微量元素。
2.2 控制焊接接头质量
业主方虽未能提供实际所采用的焊接工艺，但从焊缝金相照片上的熔合线过宽可推断出焊接工艺存在问题，故建议在焊接方面应当控制焊接工艺参数以适当提高焊缝成形系数，一般不采用大热输入量进行焊接。焊条电弧焊时，宜采用小焊接电流，快速多道焊，对于工艺要求高的焊缝，甚至可以采用浇冷水等措施以加速冷却，防止焊缝晶粒严重长大和焊接热裂纹的形成。采用合理的焊接顺序来减小焊接应力，并控制焊接质量。在焊接后或封头压制完成后可进行低温去应力处理，温度范围控制在300~350℃，不宜超过450℃，以免析出高铬碳化物造成晶界贫铬，引起晶间腐蚀。同时在焊接过程中，应采用气体保护焊，避免其他杂质进入熔池。
2.3 优化封头制造工艺
随着原材料加工工艺的进步以及宽大的钢板制造能力的提高，以上的拼板焊接压制的封头制造工艺已经逐渐淘汰，而采用更先进的独幅板材压制成型技术来制造大型压力容器的封头。这种更先进的封头制造工艺以及合理的结构设计可以有效地避免焊接和冷压成型过程的应力集中问题。结论
综上所述，该容器的封头拼板焊缝由于焊缝熔合区的化学成分控制不佳，存在严重偏析和夹杂物，使力学性能下降，从而增加了横向的液化裂纹倾向；同时受到冷压成型应力和焊接残余应力的联合作用，在熔合区应力集中引发了纵向裂纹，一定数量的横向裂纹与少量尚未贯穿的纵向裂纹构成了一条混合型裂纹带。
参考文献 [1]王荣.焊接件的金相检验[M]// 徐祖耀,黄立本,鄢国强主编, 中国材料工程大典: 第26卷,材料表征与检测技术, 第7篇, 金相分析.北京:化学工业出版社, 2006;740~747.[2]王志海主编.热加工工艺基础[M].武汉:武汉工业大学出版社, 1996;174~179.[3]杨力.不锈钢、耐热钢及高温合金的金相检验[M]// 徐祖耀,黄立本,鄢国强主编, 中国材料工程大典:第26卷, 材料表征与检测技术, 第7篇, 金相分析.北京:化学工业出版社, 2006;719~722.[4]戈兆文主编.承压设备焊接工程师[M].昆明:云南科技出版社, 2004;105.[5]褚武扬编著.断裂力学基础[M].北京:科学出版社, 1978;11.
第二篇：焊接裂纹的形成机理与预防措施
焊接裂纹的形成机理与预防措施
1、产生焊接冷裂纹的原因
焊接冷裂纹在焊后较低的温度下形成。由于这种裂纹形成与氢有关，且有延迟开裂的特点，因此又称之为焊接氢致裂纹或延迟裂纹。
产生焊接冷裂纹的三个必要条件：
（1）氢。氢的主要来源是焊材中的水分和焊接区域中的油污、铁锈、水以及大气中的水汽等。这些水、铁锈或有机物经焊接电弧的高温热作用分解成氢原子而进入焊接熔池中。在焊接过程中氢除向大气中扩散外，余下的在焊缝中呈过饱和状态，即在焊缝中存在着扩散氢。根据氢脆理论，这种扩散氢将向应变集中区（如微裂纹或缺口尖端附近）扩散，当该区的氢浓度达到某一临界值时，裂纹便继续扩展。
（2）应力。依据目前国内及国际的施工水平，在球罐的组装过程中总会存在或多或少的强力组对，所以在组装完成后便存在着内应力，这种应力在焊后整体热处理完成后也不可能完全消除。再加上球罐焊接是一个局部加热过程，在焊接过程中产生应力与应变的循环，因此球罐焊接后必然存在残余应力。
（3）组织。焊接热影响区组织中过硬的马氏体含量越多越容易产生冷裂纹。
3、防止产生焊接冷裂纹的措施
（1）尽量选用对冷裂纹不敏感的材料选用内在质量好的母材。即选用碳当量低的优质钢材，尤其是避免母材大型夹渣。所以在球壳板制造前必须对板材进行严格的超声波检查，对有严重夹层等缺陷的钢材不得使用。
（2）尽量减少氢的来源。第一，球罐的焊接选用低氢型焊条，必要时要采用超低氢型的焊条；第二，焊条使用前一定要按产品使用说明进行烘干，并贮存在100～150℃的恒温箱中，在使用时放入保温筒内并随用随取，在保温筒内存放时间不得超过4h，否则要按原烘干温度重新烘干，重复烘干不得超过两次；第三，要彻底去除焊接坡口表面及坡口两侧20mm范围内的油污、水分，、铁锈及其他杂物；第四，不在雨雪天及空气相对湿度大于90%时施焊；第五，采取有效的防风措施，以防止吹弧，使焊接熔池得到有效的隔离保护。
（3）选用适当的焊前预热温度和预热范围。适当的预热温度降低了焊缝冷却速度，可使氢更易从焊缝熔池向大气中扩散，减少了焊缝中扩散氢含量，并且可以降低焊接区的温度梯度和焊缝的冷却速度，尽量减少马氏体的含量，减小温差应力。预热温度应通过工艺评定来确定，预热范围一般为坡口两侧三倍球壳板厚度且不小于100mm。当环境温度低时还应增大预热温度和预热范围。对纵缝应整条焊缝同时预热，不能分段预热。
（4）选用适当的后热温度和后热时间。随着焊接层数的增多，焊缝中扩散氢会逐渐积累。因此焊后应立即进行后热，使扩散氢有充分的时间溢出，同时还可以降低焊缝中的残余应力，减少冷裂纹产生的机率。
（5）焊接过程中保持适当的层间温度，适当的层间温度也能延缓焊缝的冷却时间，起到一定的去氢和降低残余应力的作用，层间温度不得低于预热温度下限值。
（6）采用合适的线能量。若焊接线能量过小，焊缝热影响区容易出现淬硬组织，再加上扩散氢的作用，焊缝容易产生冷裂纹；若线能量过大又会使焊缝热影响区的软化区宽度增加，使焊缝缺口的韧性降低，球罐整体的机械性能下降。
焊接缺陷是影响焊接质量最直接的原因，而焊接裂纹作为最难解决的焊接缺陷之一，在焊管生产中时有出现。
焊接裂纹有横向裂纹和纵向裂纹两种，其中纵向裂纹为可见典型裂纹断口，带圆弧的光滑自由面，有时有氧化物，电子探针发现没其他夹杂物。预防措施为：
1冶金因素
控制焊缝中S、P、C含量，是提高抗裂性、减少结晶裂纹的有效措施。在焊管生产中，选择合适的焊丝、焊剂，有效控制其S、P、C含量，使减少焊缝纵向裂纹的有效措施。
2接头坡口形式 合适的焊接坡口是减少焊接裂纹的有效措施，当卷板较厚，板位控制难时会增加裂纹成形几率，提高对头质量，尽量使钢管在成型过程中产生较小的残余应力，能减少结晶裂纹。
3工艺因素
减少热输入，能在焊缝中形成较小晶粒尺寸组织；降低焊接速度，可以使晶粒的端部并列长大挤压在一起，避免偏析集中；此外宽焊缝相对窄焊缝能防止晶粒长大直接鹏在一起，避免偏析集中。
焊接横向裂纹，其走向垂直于焊缝，具有沿晶和穿晶特点，预防措施为：
1冶金方面
1）要保证板材优良的力学性能，保证强度和韧性要求，尽量减少钢中杂质；
2）尽量选用低氢和高强度、高韧性的焊接材料，选用合适的焊丝、焊剂匹配，严格清理焊丝和焊接区域，烘干焊剂。
2工艺方面
1）焊接线能量过大，会使近缝区晶粒粗大；线能量过小，会使热影响区淬硬，这些都导致横向裂纹产生，应选择合适的焊接线能量；
2）预热可降低冷却速度，有效防止横向裂纹产生；
3）焊后延缓冷却可使氢充分逸出，也能防止焊缝横向裂纹产生
焊接是利用加热或加压等手段，使分离的两部分金属，借助于原子的扩散与结合而形成原子间永久性连接的工艺方法。焊接方法的种类很多，根据实现金属原子间结合的方式不同，可分为熔化焊、压力焊和钎焊3大类。
焊接方法具有如下优点：
（1）成形方便：焊接方法灵活多样，工艺简便；在制造大型、复杂结构和零件时，可采用铸焊、锻焊方法，化大为小，化复杂为简单，再逐次装配焊接而成。
（2）适应性强：采用相应的焊接方法，不仅可生产微型、大型和复杂的金属构件，也能生产气密性好的高温、高压设备和化工设备；此外，采用焊接方法，还能实现异种金属或非金属的连接。
（3）生产成本低：与铆接相比，焊接结构可节省材料10%～20%，并可减少划线、钻孔、装配等工序。另外，采用焊接结构能够按使用要求选用材料。在结构的不同部位，按强度、耐磨性、耐腐蚀性、耐高温等要求选用不同材料，具有更好的经济性。
焊接电弧是电极与工件之间的强烈而持久的气体放电现象。
电弧的构造：焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成。
采用直流弧焊机焊接时有正接法与反接法之分，正接是将工件接电源正极，焊条接负极；反接是将工件接电源负极，焊条(或电极)接正极。
用钢焊条焊接工件时，阳极区温度约为2600K，阴极区温度约为2400K，电弧中心区温度最高，可达6000～8000K。
焊条电弧焊时，对焊接电源的基本要求有：（1）具有陡降的特性；
（2）具有一定的空载电压以满足引弧的需要，一般为50～90V；（3）限制适当的短路电流，以保证焊接过程频繁短路时，电流不致无限增大而烧毁电源。短路电流一般不超过工作电流的1.25～2倍。
常用焊接电源的类型有交流弧焊机、直流弧焊机和交、直流两用弧焊机。
四、焊接冶金过程有何特点？焊接过程中为什么要对焊接区进行有效保护？
焊接冶金过程特点：电弧焊时，被熔化的金属、熔渣、气体三者之间进行着一系列物理化学反应，如金属的氧化与还原，气体的溶解与析出，杂质的去除等。因此，焊接熔池可以看成是一座微型冶金炉。但是，焊接冶金过程与一般的冶炼过程不同，主要有以下特点。
（1）冶金温度高：容易造成合金元素的烧损与蒸发；
（2）冶金过程短：焊接时，由于焊接熔池体积小(一般2～3cm3)，冷却速度快，液态停留时间短(熔池从形成到凝固约10s)，各种化学反应无法达到平衡状态，在焊缝中会出现化学成分不均匀的偏析现象。
（3）冶金条件差：焊接熔池一般暴露在空气中，熔池周围的气体、铁锈、油污等在电弧的高温下，将分解成原子态的氧、氮等，极易同金属元素产生化学反应。反应生成的氧化物、氮化物混入焊缝中，使焊缝的力学性能下降；空气中水分分解成氢原子，在焊缝中产生气孔、裂缝等缺陷，会出现“氢脆”现象。上述情况将严重影响焊接质量，因此，必须采取有效措施来保护焊接区，防止周围有害气体侵入金属熔池。
（7）防止强力组对。在球罐组对过程中选用合适的工艺和组装机具，尽量避免强力组对。强力组对将使球罐在焊接前就存在强大的附加内应力，这种内应力在焊后也不可能完全消除。
（8）减小错边和角变形。在错边和角变形存在的部位，曲率发生了突变，所以焊后将会存在强大的残余内应力。
（9）采用合理的焊接顺序。当采用合理的顺序焊接时，整台球罐将同时对称地收缩或膨胀，这样能控制焊接变形，减小焊接残余应力。球罐焊接应遵循先纵缝后环缝，先大坡口后小坡口，先赤道后温带最后极带的原则，而且焊工应对称、均匀施焊。球罐焊缝的打底焊要采用分段退焊法，分段长度为600～700mm。
（10）避免工艺缺陷的产生。咬边、未焊透、长条状夹渣等工艺缺陷部位是应力集中区，这些部位容易产生冷裂纹。
（11）确保封底焊缝的质量，封底焊缝要自上而下焊接，不能采用摆动、为了防止裂缝，减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。
3.1控制温度的措施如下：
3.1.1采用改善骨料级配，用干硬性混凝土，掺混合料，加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中水泥用量；
3.1.2拌和混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度；
3.1.3热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热；
3.1.4在混凝土中埋设水管，通入冷水降温；
3.1.5规定合理的拆模时间，气温骤降时进行表面保温，以免混凝土表面发生急剧的温度梯度；
3.1.6施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构，在寒冷季节采取保温措施。
3.2改善约束条件的措施是：
3.2.1合理地分缝分块；
3.2.2避免基础过大起伏；
3.2.3合理地安排施工工序，避免过大的高差和侧面长期暴露。
此外，改善混凝土的性能提高抗裂能力，加强养护，防止表面干缩，特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要，应特别注意避免产生贯穿裂缝，出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的，因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。
在混凝土的施工中，为了提高模板的周转率，往往要求新浇筑的混凝土心早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间，以免引起混凝土表面的早期裂缝新浇筑早期拆模，在表面引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期，由于水化热的散发，表面引起相当大的拉应力，此时表面温度亦较气温为高，此时拆除模板，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力迭加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，就在导致裂缝的危险，但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料，如泡沫海棉等，对于防止混凝土表面产生过大的拉应力，具有显著效果。
加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小，因为大体积混凝土的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下，钢的各项性能是稳定的，而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数相差很小，在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7—15倍，当内混凝土应力过到抗拉强度而开裂时，钢筋的应力将不超过100—200kg/cm.因此，在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与尝试较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时，对提高混凝土抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝，其中大多数量属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。
挑弧、灭弧的施焊方法
目前，砌体结构的房屋出现各种型式的裂缝，非常常见。其裂缝程度轻重不一，差别很大。轻则影响房屋正常使用和美观，严重的将形成结构安全隐患，甚至发生工程事故。随着住宅商品化的发展，房屋裂缝问题越来越引起人们的关注。
砌体属于脆性材料，裂缝的存在降低了墙体的质量，如整体性、耐久性和抗震性能，同时墙体的裂缝给居住者在感观上和心理上造成不良影响。特别是随着我国墙改、住房商品化的进展，人们对居住环境和建筑质量的要求不断提高，对建筑物墙体裂缝的控制的要求更为严格。由于建筑物的质量低劣，如墙体裂缝、渗漏等涉及的纠纷或官司也越来越多，建筑物的裂缝已成为住户评判建筑物安全的一个非常直观、敏感和首要的质量标准。因此加强砌体结构，特别是新材料砌体结构的抗裂措施，已成为工程量、国家行政主管部门，以及房屋开发商共同关注的课题。
砖砌体结构裂缝产生的原因
1、温差变形引发的砖砌体裂缝
这类裂缝较典型和普遍的是建筑物(特别是那些纵向较长的)顶层两端内外纵墙上的斜裂缝，其形态呈“八”字或“X”型，且显对称性，但有时仅一端有，轻微者仅在两端1～2个开间内出现，严重者会发展至房屋两端1/3纵长范围内，并由顶层向下几层发展。此类型缝对那种刚性屋面平屋顶、未设变形缝、隔热层的房屋，更易发生。产生的直接原因是混凝土结构屋面的伸缩变形牵引其下砖砌体超过其材料抗拉强度的结果。具体的机理可认为是：在阳光照射下(特别是南方地区)屋面板温度可高达60～70℃，而在其下的砖砌体仅为30～35℃，如此大的温差，加上混凝土线膨胀系数比砖砌体近似大一倍，可计算出砌体中的主拉应力。
2、地基基础不均匀沉降引起的裂缝
一般在建筑物下部，由下往上发展，呈“八”字、倒“八”字、水平及竖缝。当长条形的建筑物中部沉降过大，则在房屋两端由下往上形成正“八”字缝，且首先在窗对角突破；反之，当两端沉降过大，则形成的两端由下往上的倒摪藬字缝，也首先在窗对角突破，还可在底层中部窗台处突破形成由上至下竖缝；当某一端下沉过大时，则在某端形成沉降端高的斜裂缝；当纵横墙交点处沉降过大，则在窗台下角形成上宽下窄的竖缝，有时还有沿窗台下角的水平缝；当外纵墙凹凸设计时，由于一侧的不均匀沉降，还可导致在此处产生水平推力而组成力偶，从而导致此交接处的竖缝。对于不均匀沉降导致的裂缝应以预防为主，即无地质勘察资料严禁做施工图设计，严格按图施工，不得擅自更改、任意处理，根据本地区通病，如能在那些开大窗洞的教学楼底层窗台下设置构造圈梁与地梁构成刚度较大的复合墙梁结构，对防止所述裂缝有明显效果。
3、特殊砌体材料产生的裂缝
如混凝土小型空心砌块、灰砂砖等的砌体，前者致裂的主要原因是竖缝砂浆难以饱满以及特殊的构造要求未能跟上。后者一般使用南方地区蒸压灰砂砖，由于其本身对温差敏感、表面光滑等特殊性，虽然外观、尺寸指标均较好，但在实际使用中对严格的灰砂砖砌体施工规程不熟悉，缺少使用经验，导致除存在粘土砖常见裂缝外，还常见在较长墙段中及外墙窗台下的竖斜裂缝。
其机理可以认为：
1、刚出厂的灰砂砖稳定性差。灰砂砖主要由细砂和石灰组成，蒸压养护后，一般不到一周即已出厂，但根据生产经验，灰砂砖在出厂的一月内其释放的热量较大，存在着反复的化学反应过程，而且实际上一时难以完全反应，因此，体积极不稳定。
2、对含水率有苛刻的要求，据有关试验资料和使用经验表明，含水率控制在7%～10%之间砌体可获得较好的粘结力和抗剪强度，否则影响明显。
第三篇：铬钼钢焊接延迟裂纹分析（最终版）
铬钼钢焊接延迟裂纹产生原因分析
这次检修焊接合格率出现问题主要是在铬钼耐热钢Cr5Mo和15CrMo上，铬钼钢焊接在我公司并不是新材料的焊接，而是有20几年的历史了，是比较成熟的焊接工艺。但是这次焊接施工不论是预制和安装都出现了大量的裂纹，以往是没有这样的结果的。通过这次的教训的确要总结一些问题来进行分析。
一、从焊接工艺来分析：铬钼钢Cr5Mo和15CrMo在退火状态下是珠光体，而在淬火状态下是马氏体，在焊接时在没有预热和缓冷的情况下焊接熔池快速形成、快速冷却，焊缝组织二次相变就停留在马氏体区间内，大家知道马氏体属于淬硬组织，在冷却过程中受焊接应力作用和时效作用下很容易产生冷裂纹，所以焊前预热，保证焊间温度和焊后缓冷是非常必要的。我公司的铬钼钢的焊接工艺评定规范是没有问题的，15CrMo钢，焊前预热150~200℃，层间温度150~200℃，焊后加热200℃后用保温石棉包裹缓冷；Cr5Mo焊前预热350~400℃，层间温度350~400℃，焊后加热300~350℃后用保温石棉包裹缓冷，再等焊后热处理.这都是铬钼钢常规工艺要求。而我门出现裂纹这么多问题是为什么呢？是执行焊接工艺不严谨而造成的，预热温度焊工应该都是作到了，而层间就没有做到那样严谨，填充盖面时中途喝喝水抽抽烟或中午吃饭放到下午再焊，没有加热也就焊完了，焊后也没有加热缓冷，包裹石棉布也不是很严实等，还有就是流水性作业抢进度，几道焊缝氩弧焊全打完底后再填充盖面焊接，层间温度肯定是不能保证的。这都是造成裂纹的直接原因；要说前期预制对工艺的疏忽，出现焊接裂纹质量问题后，后期现场安装按说已经严格了工艺措施，但还是出现裂纹，我是认为现在安装时还是在加热温度上有偏差，毕竟火焰加热是没有控制温度定量的，也不是每个队伍有测温仪可以用上的，室外的管道加热后，冷却速度也是比较快的，检修期间天气也不好下几天雨，湿度也比较高,造成氢致裂纹。还有些焊接位置比较复杂如水坑下焊接对于连续焊接造成时间延长影响层间温度下降的因素。这都是原因。
二、从焊接材料来分析：焊接材料对于焊接质量影响是非常大的，这次检修铬钼钢前期用热系列焊材，由于返工问题后工期使用奥氏体A307焊条，这在工艺上都是可行的，只是执行工艺到不到位而已。但不同的厂家的产品优劣却相差很大，除操作不当外，焊材造成缺陷程度也不同.记得前年在长炼焊铬钼钢在使用天津金桥焊条，几个公司的焊接合格率都96%以上，不料市场断货后改用珠州的焊条全部合格率都下降在40%左右，缺陷也是很多的裂纹，我们紧急求援自己公司，寄来库存金桥焊条才又使焊接质量提上去，没有改焊条厂家的其他公司质量就是起不来。这说明不同厂家焊材是有区别的，所使用焊接钢材和药皮的制作工艺有差别。这次在催化检修尾期进的A307焊条就有问题，焊接时成型差，还大块大块掉药皮，严重影响焊接质量。建议公司以后对于焊材在进料前作焊接材料鉴定，来选定焊材厂家。
三、从焊前焊件装配分析：前年焦化检修四道15CrMo，直径377mm焊缝，由于焊接盲目进行，没有进行现场焊前分析，焊缝强力组对，焊接工艺也执行也不严谨，结果造成焊缝产生裂纹，以至于泄露。今年检修特别是现场，为了抢进度忽视了组对质量，有些焊缝组对间隙大得撑进手指小又没有缝隙和错边是非常严重的，这给焊工施焊带来极大困难，缝过大容易焊瘤焊穿，产生的冷缩应力也是很大的，在打底较薄时冷却过快很容易产生裂纹；缝隙过小对于铬钼耐热钢用奥氏体焊材作填充钎料是是不利的，增加了母钢在焊缝中的融合比，使焊缝中奥氏体金属和母材之间的熔合区形成一个比较厚而高硬度的含碳化铬的夹层，在冷却过快时就很容易产生应力裂纹，就算是当时合格，在以后长时间在温变作用下，碳化铬晶粒组织和奥氏体晶粒组织膨胀系数不一样，这样两种组织间会产生间隙，也就是裂纹，在交变温差中裂纹会延长，从而减少焊缝服役寿命。错边是焊接应力集中位置，和焊接咬边同时作用下会产生叠加应力，应力峰值可能达到最高，极易使焊缝产生融合区断裂。焊缝在处于临界温度时更加出现无法料到的裂纹。所以对于铬钼钢焊接，无论什么钢材的焊接，焊缝的组对的质量是影响焊接质量的一个重要因素。焊工要对自己的焊缝质量负责，也一定对焊缝有一定的要求，不要再不计后果的焊接，也不要为了抢进度方便了别人可能苦了了自己，让自己的劳动成果白白流失。
四、从焊接环境分析：今年的检修连连降雨，对于铬钼钢焊接很不利的，湿度比较大，加上有风，使焊缝的温度下降较快，焊条吸潮加快，在激烈的焊接冶炼过程中混入的水分子分解成氢、氧离子，而氢离子以游离状态溶入液态金属中，在熔池结晶冷却过程中，氢离子析出聚集在晶界间或缺陷内（如气孔、夹渣空隙内）在冷缩应力下形成高内压，从而造成晶界开裂也就是氢致裂纹，是产生裂纹的一个重点因素。
五、从焊接管理来分析：目前工作中焊接技术管理，焊接质量放在了靠无损检测来保证。当焊接质量出现问题时，焊接人员不会致力于找焊接缺陷的形成原因，如何改进焊接工艺过程等问题，而关心的是检验人员的一句“合格”，探伤人员发现缺陷后，下达缺陷返修通知单，焊工返修后，然后再探伤，如再不合格再返修，直到检验人员认为“合格”为止。至于焊接工艺过程，也不严格执行，外观检验、焊接质量评定等工作有时也无专人负责，实际上已不复存在。监督部门一直要求的无损检测制度虽一直严格执行，但起到的“保证焊接质量”的作用却不尽人意。
传统的焊接质量评定是以无损检验一次合格率作为唯一的标准。然而对于目前正在大量应用的耐热钢而言，由于其焊接裂纹倾向大，焊缝和热影响区性能对工艺敏感性大，因此对焊接接头合格率除包含无损检验一次合格率外，还应包含“使用性能合格”，也就是说，即使该焊缝当时合格了，并不能说明焊缝的内部力学性能达到要求，而使用性能的合格是以焊接工艺作为技术支持的。因此在实际焊接过程中焊接人员要严格执行焊接工艺规定。综上所述仅靠无损检测来保证焊接质量根本行不通，加强焊接技术管理工作势在必行。
这次石化老催化检修，发生了焊接工艺进行操作的不严谨，铬钼钢的焊接大量出现裂纹。
而催化塔201的焊接，复合板焊接，焊接不当也是很容易在覆层马氏体不锈钢侧出现焊接裂纹的，尽管是第一次接触复合板焊接，但由于管理者和焊工都从思想上予以了高度重视，并严格按照工艺要求进行操作，一次合格率达到100%。由此可以看出同是一项工作，焊接技术管理工作加强了，在同等无损检测的条件下，焊接质量有天地之别。诸如此类的问题在同一个工程中也体现得很明显。如某个部件焊接过程中管理到位，一次合格率随之提高，反之一塌糊涂。因此加强焊接技术管理工作，对焊接质量的提高有着重要的意义。
六、从焊接人员来分析：改制的波动和人事体制及待遇问题造成了我公司人才的流失与不足。前几年低谷期人才的流失以及后备力量补充不足致使在近期工程安装和检修工作进行时，焊接技术人员和焊接特殊金属焊工的短缺。，说起来有60~70名焊工，其中有气焊三分之一，合同工三分之一，和不在岗位上的工作的焊工和学徒，但真正能够独当一面的只有上十个。由于人手的不够，加上工程繁忙，焊前培训很难做到，往往以干代训或外聘焊工。加上焊工的待遇一直没有体现特殊工种价值，对于工作都有一种消极的态度，有事就做，不积极认真对待工作中出现的问题。
七、针对这些实际工作当中存在的问题，我认为焊接工作应从如下几方面入手：
1、焊工的培训：
1）
意识方面：加强焊接人员的技术培训同时，也要增强其责任心，提高其自身素质，把所加工产品质量与个人的荣誉结合起来。焊接人员还应多参加焊接分析会，查找焊接缺陷的产生原因，改进焊接工作，促进焊接的技术革新和技术攻关。还有关键的是提高焊接人员的待遇。
2）
操作方面：要使每个焊接人员认真学习焊接操作技能，并要在以后任何环境要对自己所掌握的操作方法并按焊接工艺要求严格进行。
焊接人员并不是焊完了事，必须对自己每道焊缝认真对待，焊前对焊缝的组对间隙要求要严格，影响焊缝质量的组对，焊工要及时提出返工，直到可保证质量要求为止、焊道焊前必须严格清理除锈除污、焊条的严格选用型号和控制干燥度；焊接过程中严格使用焊接参数，严格操作方法，焊渣的清理，如有缺陷马上处理；焊后对焊缝外观进行自检，并进行表面清理。
3）
近期特别要针对耐热钢的焊接培训中，既要培训提高焊工的操作工艺，又要给焊工灌输并理解执行焊接工艺的必要性和重要性。查找焊接过程中存在的缺陷，改进焊接工艺，使受训焊工在焊接理论、焊接技术上有一大的飞跃。
2、焊接技术人员：发挥其的作用，在过程管理中发挥更大的指导和监督作用，不断加强焊接工艺和焊接过程的工作。
3、焊接过程管理：
从过去“焊后”的无损检验唯一标准，转变为“前、中、后”，也就是说： “焊前”准备工作的监督如：焊接材料的选用和控制，焊接环境的控制，焊件的组对控制，焊接前工艺的宣传等； “焊中”过程如：执行焊接工艺的过程是否执行或脱节，是否严格按照焊接操作方法，无达到施焊要求就施焊等；“焊后”对外观的检验，无损检验等
4、各级领导应高度重视焊接的工作的重要性，为我们工作的开展创造便利的条件。是保证焊接质量的关键。
第四篇：钢结构焊接施工中裂纹和气孔的形成原因及预防措施
钢结构焊接施工中裂纹和气孔的形成原因及预防措施 作者：陈临泉
（中国水利水电第三工程局有限公司)摘要：本文通过阐述，详细介绍了焊接施工中焊缝常见的裂纹与气孔缺陷的分类以及产生原因，从而深入浅出的为上述缺陷提出较为详细的预防措施，并谨以此为焊接施工提供一点技术经验，以供各位同行批评指正。
关键词：热裂纹冷裂纹气孔产生原因防治措施 裂纹
它是焊接施工中比较普遍的而又十分严重的缺陷，它是在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部区域的金属原子结合力遭到破坏而使焊接面产生裂纹，实质上，就是焊接后焊口在冷却过程产生的热应力超过材料强度所导致的裂纹。裂纹的分类：裂纹的分法多，按其产生温度可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹。按部位可以分为纵裂纹、横裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹、熔合线裂纹等等。这里主要介绍一下冷裂纹和热裂的产生、特点和预防。热裂纹的产生及预防 热裂纹的产生原因：
因为焊件及焊条内含硫、铜等低熔点杂质或多或少的存在，使得结晶凝固晚，凝固后的塑性和强度又极低。因此，在焊接熔池在结晶过程中存在偏析现象，偏析出的这些低熔点共晶和杂质，由于低熔点共晶熔点低，往往是最后结晶，在晶界以液态夹层的方式存在，这时，当外界结构约束应力足够大和焊缝金属的凝固收缩作用下，熔池中低熔点杂质在凝固过程中被拉开，被拉开的液态夹层产生的间隙己没有足够的低熔点液态金属来填充形成了裂纹，或在是在凝固后不久被拉开，造成开裂，这就是热裂纹产生的机理。热裂纹的特征：
多贯穿在焊缝表面，裂口多数贯穿表面，并断口被氧化色彩，裂纹末端略呈圆形； 多在焊缝中心位置，沿焊缝长度方向分布，极少数也产生在热影响区； 微观特征一般是沿晶界开裂，故又称之为晶间裂纹； 并在焊后立即可见，多可以用肉眼看见，热裂纹的防止措施：
限制或减小硫、磷等有害元素的含量，用含碳量较低的焊条焊接； 改善熔池的一次结晶，由于细化晶粒可以提高焊缝中的抗裂性，所以广泛采用向焊缝中加入细化晶粒的元素，如钛、铝、锆、硼、或稀土金属铈等。
控制焊接工艺参数，适当提高焊缝成形系数，如采用多层多道焊，避免偏析的产生等。采用碱性焊条和焊剂，由于碱性焊条脱硫、磷效果好，抗热裂纹的效果好，一般对于热裂纹倾向较大的构件，一般都采用碱性焊条进行焊接。采用适当的断弧方式，如埋弧焊采用断弧板，焊条电弧焊采用断弧焊或填满弧坑的方法来防止热裂纹的产生。
合理选用焊接规范，严格控制焊接工艺参数，并采用预热和后热，减慢冷却速度，适当提高焊缝形状系数，尽可能采用小电流多层多道焊，以避免焊缝中心产生裂纹；
采用熔深较浅的焊缝，改善散热条件使低熔点物质上浮在焊缝表面而不存在于焊缝中； 采用合理的装配次序，减小焊接应力，降低残余应力，避免应力集中。冷裂纹的产生及预防： 冷裂纹的产生原因：
冷裂纹主要产生在中碳钢、高碳钢、低合金钢和中合金高强度钢中。产生冷裂的原因主要有三个方面：钢的淬硬倾向，焊接应力，较多的氢的存在和聚集。许多情况下，氢是诱发冷裂纹最活跃因素之一。当焊缝中淬硬倾向和焊接应力过大，使热影响区存在显微缺陷时，氢会在这些缺陷处聚集，并由原子态转为分子态，加上焊接应力的作用，使显微缺陷扩大，从而形成冷裂纹。冷裂纹的特征：
冷裂纹断面表面没有氧化色彩，它是较低温度产生的，（200~300度以下）一般不可以用肉眼看到，要做着色才可以看到。
冷裂纹一般产生在热影响区或焊缝与热影响区的熔合线上，也有极少数产生在焊缝上。冷裂纹一般为穿晶裂纹，少数也有可能沿晶界发生。
冷裂纹一般在焊后并不立即出现，而是在焊后几小时、几天甚至更长时间才出现。冷裂纹的防止措施：
选用碱性低氢型焊条，减少焊缝中扩散氢的含量；
严格遵守焊接材料(焊条、焊剂)的保管、烘焙、使用制度，焊条和焊剂应按规定烘干，随用随取，谨防受潮；
保护气体要控制其纯度，严格清理焊条、焊件的油、锈、水分并控制焊接环境的湿度，从而减少氢的来源；
改善焊缝金属性能。如加入一些合金元素可以提高焊缝中的塑性。根据材料等级、碳当量、构件厚度、施焊环境等，正确的选择焊接工艺参数和线能量，例如：采用焊前预热，焊后缓冷，采取多层多道焊接，控制一定的层间温度等，改善焊缝热影响区的组织，去氢和消除焊接应力。
焊后紧急热处理，以去氢、消除内应力和淬硬组织回火，改善接头韧性； 采用合理的施焊程序，采用分段退焊法等，减少焊接变形和焊接应力。气孔
焊缝中的气孔是焊接缺陷之一，对一般非压力容器构件来说，不认为是重要缺陷，往往被人们所忽视，但气孔会降低焊接接头的机械性能，产生应力集中，它的存在减少了焊缝有效工作截面，降低了接头的机械强度。严重时会造成脆性破坏，影响产品质量。若是有穿透性或连续性气孔存在，将会严重影响焊件的密封性。可是，在钢制结构的焊接中，若在几米或十几米乃至更长的焊缝上，要保证不出一个气孔，只有通过采取采性气体对焊缝正面形成良好保护,保证一次焊透,或采用带背面止口的接头形式,才可防止气孔的产生。气孔的产生及预防 气孔的产生原因：
焊缝内部易形成气孔，主要原因是从熔池上方和熔池底部卷入空气所致。具体的讲，就是在钢结构焊接施工中，由于焊件表面的油、污、锈、垢及氧化膜没有清除干净、焊条受潮或质量不好、焊炬摆幅快而大、焊接现场周围风力较大、焊接速度过快、焊丝和母材的化学成分不匹配等诸多因素，造成焊缝金属在高温时，吸收了过多环境中的气体（如O2、H2、N2）或由于溶池内部冶金反应产生的气体（如CO），在溶池冷却凝固时来不及排出，而在焊缝内部或表面形成孔穴。气孔的防止措施
在焊接施工中，如何控制好过多的环境气体（如O2、H2、N2、）及时排除才是气孔预防措施的关键之所在，下面将逐一进行介绍各种有害气体的来源、危害以及具体的控制措施。氧在焊缝中的作用：
氧的来源：焊接区的氧主要来自电弧中的氧化性气体（如二氧化碳、氧、水等）、焊剂、药皮中的水份和焊件表面的铁锈、水份。氧对焊缝质量的影响： 加速焊缝中有益元素的烧损，而使焊缝的强度、塑性、冲击韧性降低。降低焊缝的物理性能和化学性能，如导电性、导磁性和抗腐蚀性等。
O2与H2、C反应，形成不溶于金属的气体，如果结晶时来不及逸出焊缝，则形成气孔。氧气孔在焊缝中的特征：氧气孔主要发生在碳钢焊缝中，一般情况下存在于焊缝的内部，气孔沿结晶方向分布，呈条状或不规则形状，表面光滑。控制氧的措施：
加强保护，如采用短弧焊，选用合适的气体流量，防止空气入侵。
清理焊件表面的水分、油污、铁锈，按规定烘干焊条、焊剂等焊接材料。对焊缝采用一定的脱氧措施。如采用含脱氧元素较高的焊条、焊剂。氢对焊缝的作用： 氢的来源：
焊缝中的氢主要来自受潮的药皮或焊剂中水份、焊条、焊剂中的有机物、空气中的水份、焊件表面的铁锈、油脂及油漆。氢对焊缝质的影响：
形成气孔，焊缝中饱和的氢来不及逸出焊缝时，就形成了气孔。产生氢白点和氢脆；
氢也是产生冷裂纹的主要原因之一。
氢气孔在焊缝中的特征：在焊接碳钢和低合金钢时，氢气孔主要出现在焊缝表面，以单个出现，在返修磨刨时明显感觉很深，气孔内壁光滑，焊接铝、镁等有色金属时，主要了产生在焊缝的内部。控制氢的措施：
清理焊件及焊丝表面的油污，铁锈、水份。
焊前按规定烘烤焊条、焊剂。气体保护焊对气体进行去水份、干燥处理。尽量选用低氢型焊条，焊接时采用直流反接、短弧操场作。对焊缝进行消氢处理，如焊前预热，焊后缓冷。氮对焊缝的作用：
氮的来源：焊接时熔池中的氮主要来自空气中。
氮对焊缝质量的影响：焊缝中饱和的氮来不及逸出焊缝时，就形成了气孔，同时也影响焊缝的力学性能。
氮气孔在焊缝中的特征：氮气孔一般发生有焊缝的表面（多层焊在每层的表面）成堆、蜂窝状出现，焊条电弧焊一般在接头引弧处出现较多，生产中也是出现得比较多的气孔。控制氮的措施：
清理焊件及焊丝表面的油污，铁锈、水份，焊前按规定烘烤焊条、焊剂。气体保护焊对保护气体进行去水份、干燥处理，气体纯度要达到要求，有风时要有防风措施。不得使用药皮开裂、药皮脱落、变质、偏心或生锈的焊条。
选用合适的焊接工艺参数，碱性焊条时要采用短弧焊，电流采用直反接。结束语： 综上所述：钢结构焊接施工中，裂纹和气孔缺陷均会导致焊缝出现应力集中，缩短使用寿命，造成脆裂，降低结构断面尺寸，影响焊缝的力学性能，危及安全。因此，在重要乃至关键部位的钢结构制作安装中，必须加强焊接工作中裂纹及气孔缺陷的数量控制，遵守焊接规范，严格施工工艺，保证焊缝质量，避免质量事故和危及到结构稳定和人民生民财产的事故发生。参考文献：
《金属工艺学》.邓文英主编.高等教育出版社；
第五篇：天然气管道冰堵成因分析和预防措施
天然气管道冰堵成因分析和预防措施
2016-06-07 09:58博思特 推荐214次
天然气,管道
近年来，西气东输管道二线、大-沈管道（大连-沈阳）、冀-宁管道（安平-青山）、秦-沈管道（秦皇岛-沈阳）、忠-武管道（忠县-武汉）等天然气管道均发生过冰堵问题，给管道的正常生产造成较大的影响。
一、冰堵成因及分类 冰堵成因
天然气管道冰堵一般发生在冬季，冰堵产生的根本原因是管道内部存在液态的或气态的水。液态水一般因管道投产前干燥不彻底而存留，温度较低时结冰，造成管道冰堵；气态水一般在一定含量、一定温度和压力下析出液态水，并在一定条件下生成天然气水合物，进而结成冰堵。前者一般发生在管道投产初期，并且，地形起伏较大、弯头及弯管较多的管段较易发生；后者一般在管道运行过程中，由于天然气中水含量过高而引起。天然气水合物是一种由水和甲烷、乙烷等小分子气体在一定条件下形成的固态结晶，外观像碎冰，点火即燃，又称“可燃冰”。其形成条件包括组分条件、热力条件和促生条件，其中，组分条件是存在硫化氢、二氧化碳及小分子烃类组成的气体分子和天然气在一定条件下析出的液态水；热力条件是具有足够高的压力和足够低的温度；促生条件是天然气在紊流状态下或有晶体微粒存在。2 冰堵类型
天然气管道主要包括干线管道和站场，两者均有可能发生冰堵。冰堵情景主要有4种。
投产干燥不彻底引起的冰堵
天然气管道在焊接完成后，为检验焊接质量、密封性和承压能力，需要对管道进行试压。目前，管道试压多采用水压试验。尽管试压完成后均要进行清扫及干燥处理，但是，在低洼处、弯头、弯管等特殊地段，管道内难免存有少量残留水，投产初期温度较低时易造成冰堵，影响站内阀门、调压装置等设备的正常运行，影响向下游用户分输供气。
大-沈管道在2011年底投产后，管道沿线营口、沈阳等分输站场及与其相连的秦-沈管道沿线盘锦、锦州等分输站场均多次发生冰堵现象，给管道正常运行造成较大影响。
干线管道清管作业引起的冰堵 管道运行初期，为进一步清除管道内残留的杂质和水分，需进行清管作业。在清管器运动过程中，由于前后压差的存在，清管球射流孔会产生节流效应，温度随之降低，天然气水露点较高时析出水分，并在一定条件下形成天然气水合物，进而造成冰堵，增加了清管作业的难度和风险。
2010年5月27日，西气东输管道二线清管作业时，张掖-永昌段及古浪压气站附近56#～59#阀室之间地势起伏大、地温变化快，多次发生冰堵。站场节流引起的冰堵
当天然气流经过滤分离器、调压橇、孔板流量计等装置时，会引起天然气节流，由于焦耳-汤姆森效应的存在，天然气温度随之降低，当天然气水露点较高时会析出水分，形成水合物，进而产生冰堵。若冰堵发生在过滤分离器，会造成滤芯堵塞，进而引发滤芯的变形和损坏；若发生在调压橇，会造成管内流通面积减小，甚至全部堵塞，进而影响向下游用户平稳供气；若发生在流量计处，会影响流量计的精准度；若发生在阀门引压管处，会引起控制单元无法准确检测信号，造成阀门误操作。2010年11月27日，涩-宁-兰天然气管道（涩北-西宁-兰州）兰州末站各分输支路均发生冰堵；2011年1月1日，西气东输管道二线黄陂站调压管路发生冰堵；2011年4月27日，西气东输管道二线红柳压气站卧式分离器发生冰堵。
输送露点较高气源引起的冰堵
我国忠-武管道、陕-京管道系统（陕西-北京）、冀-宁管道、永-唐-秦管道（永清-唐山-秦皇岛）等天然气管道在西气东输管道二线投产之前，由于气源水露点较低，运行较为平稳，很少出现冰堵现象。
西气东输管道二线投产后，由于这些管道的气源混有水露点较高的中亚天然气，沿线多数站场冰堵问题较为严重，给管道正常运行造成较大影响。
二、冰堵预防措施 1 严格控制气源质量 预防天然气冰堵最根本、有效的方法是降低天然气水露点，控制气源质量。天然气进入干线管道之前，先经处理厂干燥处理，常用的干燥方法有液体吸附法和固体吸附法2种。
液体吸附法是利用甘醇等具有良好亲水性的吸附剂进行脱水，以降低天然气水露点；固体吸附法是利用硅胶、活性炭、分子筛及氧化铝等具有较强吸附能力的吸附剂进行脱水，使天然气水露点达到相关要求。
我国典型管道对应气源的水露点：根据相关协议，中亚天然气管道（中亚-中国）气源水露点要求冬季在7.0MPa压力下不高于-7℃，根据GB/T22634-2008《天然气水含量与水露点之间的换算》附录E换算方法，折算其对应的水含量为67.3mg/m^3；
中缅天然气管道（缅甸-中国）气源水露点要求在10.0MPa压力下不高于-5℃，折算水含量为63.5mg/m^3；中俄东线天然气管道（黑河-上海）气源水露点要求冬季在4.0MPa压力下不高于-20℃，折算水含量为36.8mg/m^3；
西气东输管道一线气源水露点在6.0MPa压力下不高于-14℃，折算水含量为40.5mg/m^3；陕-京系统管道气源水露点在5.4MPa压力下不高于-13℃，折算水含量为51mg/m^3；川气东送管道（普光气田-上海）气源水露点在6.7MPa压力下不高于-15℃，折算水含量为40.1mg/m^3。再根据水含量折算各管道气源在不同压力条件下对应的水露点，具体见下表。由下表可以看出，中俄东线天然气管道气源水露点条件最好，中亚天然气管道气源质量最差。做好投产前的管道干燥
为清除管道水压试验产生的残留水，试压完毕后需进行干燥处理。常用的管道干燥方法包括干空气干燥法、真空干燥法及干燥剂干燥法。在实际工程中，常由于管道干线走向复杂、站场内部工艺管道规格较多、工期较紧等特点，选择多种方法共同完成管道干燥任务。
干空气干燥法包括通球法和干燥空气吹扫法2种施工方式。该方法具有干燥时间较短、工艺简单、成本较低、干燥材料来源较广等优点，是我国目前使用较为广泛的干燥方法。
真空干燥法利用真空泵对管道内气体进行抽吸，使管内气体压力降低，管道内壁上的水分沸腾汽化后被抽出。该方法具有可靠性较高、不会产生废弃物、符合站场HSE相关要求等优点，但是，成本相对较高。
干燥剂干燥法该方法通常采用甲醇、乙二醇或三甘醇等干燥剂与水以任意比例互溶，使水的蒸汽压大大降低，从而达到干燥管道的目的，部分残留在管道中的干燥剂同时又能够抑制天然气水合物的形成。
提高天然气温度为防止天然气水合物的形成，用加热炉对天然气加热或在调压橇、气液联动阀引压管等易堵管段安装电伴热带，使气体温度保持在水露点以上。目前，我国多数站场常采用该方法，效果较为明显。
化学抑制剂法为避免天然气水合物的产生，可向管道中注入一定量的化学抑制剂，改变水和烃分子之间的热力学平衡条件，达到保持天然气流动的目的。该方法也是一种常见的解堵方法。
其他方法为降低冰堵发生的概率，管道投产初期，可对站内调压橇、放空立管、阀门、过滤分离器、计量橇、排污罐等设备多次排污，将管道和设备内积液排出，并及时更换过滤分离器滤芯。若条件允许，也可适当提高分输支线管道运行压力，缩小分输调压橇前后压差，减少温度降低幅度，尽量避免冰堵发生。
三、冰堵治理方法
目前，管道干线和站场发生冰堵时，常用的解除冰堵方法有放空降压法、注醇法、对天然气加热法等。1 干线清管解堵
对于干线管道清管出现的冰堵问题，较为常用的方法是将冰堵段两端阀室阀门关闭，并适当放空降压，天然气水合物将随着压力的降低快速分解，从而达到解除冰堵的目的。也可配合使用蒸汽车向管道外壁喷射高温蒸汽，对冰堵管道进行充分加热，加速天然气水合物的分解。该方法在西气东输管道二线清管作业时得到使用。2 调压阀解堵
对于站场调压阀之后出现冰堵时，可注入适量甲醇等防冻剂，利用其良好的亲水性吸收天然气中的水分，降低水含量，进而降低天然气水露点而快速将水合物分解，达到解堵目的。该方法在大-沈管道投产初期被沿线多个站场采用。3 站内局部管段解堵
站场内局部管段出现冰堵时，可利用加热设备对天然气进行加热，提高天然气温度，使天然气水合物快速分解。加热设备一般有电加热器和水套炉2种，加热功率较小时常采用电加热器，加热功率较大时常采用水套炉。4 分输管路解堵
站场内分输管路冰堵时，可切换至备用管路，并在发生冰堵管段缠绕大功率电伴热带，对管道进行加热，使水合物快速分解。也可临时采用调压阀上游球阀节流的措施，减小调压阀前后压差来降低节流效应，达到解堵目的。5 压气站场解堵
对于联络压气站或分输压气站，站内发生冰堵时，可采用调节工艺流程，利用压缩机出口的高温天然气反吹冰堵段，加速水合物分解。西气东输管道二线红柳压气站出现冰堵时，利用掺混西气东输管道一线压缩机出口端高温气的方法对冰堵段管道进行解堵。分离器、排污管解堵
站内分离器、汇管排污管道出现冰堵时，可采用在线排污的方式解决冰堵问题，也可切换至备用分离器，待冰堵解除后恢复。7 引压管解堵
站内调压阀引压管或指挥器出现冰堵时，由于其管径较小，产生水合物不会太多，可采取较为简单有效的热水喷淋法，向引压管或指挥器上直接浇注开水。该方法较为简单易行，效果较为明显。
四、典型案例分析
近年来，我国西气东输管道二线、冀-宁管道、忠-武管道、中缅天然气管道境内段均有冰堵事故发生，针对不同的情景，选用了合适的解堵方法，均取得良好效果。1 西气东输管道二线干线清管冰堵
2009年12月，西气东输管道二线西段投产后，半年之内，沿线管道和站场发生约50处冰堵，对管道正常生产影响较大。
2010年5月26日，运行单位对西气东输管道二线进行清管作业，由于管道沿线甘肃段走向曲折、地形复杂、地温变化较大等各种原因，清管过程中张掖-永昌段及古浪压气站之后的56#～59#阀室之间多次发生冰堵，给清管作业造成了较大困扰。其主要原因：一是，管道沿线地势起伏较大，山丹压气站附近高程近2600m，之后约100km处降至1600m，随后又升高至2200m，地温变化较大；二是，由于清管器射流孔和泄流孔的存在，清管过程中会在清管器前后形成一定的节流效应，使得天然气温度降低形成天然气水合物，特别是清管器受阻时更为严重；三是，管道投产前干燥不彻底，管内含有液态水，清管期间在永昌压气站排出天然气水合物多达3.3m^3。运行单位采取了对冰堵段两端阀室放空降压、挖开管道用蒸汽吹扫冰堵处及搭建保温棚等多种解堵措施，才完成了本次清管任务。2 中缅天然气管道投产初期自用气橇冰堵
中缅天然气管道境内段投产初期，多数站场存在自用气橇冰堵问题，导致安全阀自动关闭和自动放空，特别是夜间温度较低时更为频繁，造成天然气放空浪费，并给正常生活用气造成了较大影响。其原因主要由于管道投产前干燥不彻底，管道内含有残留水。
2013年8月初投产期间，该管道保山站排出约30m^3的水，其余站场、阀室放空作业时，放空管也存在混有水柱的气体，说明该管道投产前的干燥不彻底。
2014年2月，瑞丽首站8.2MPa压力下水露点值介于-17～-13℃，能够满足相关协议气质标准，而下游禄丰分输站水露点明显升高，7.1MPa压力下水露点值介于-4.6～3.2℃，说明管道投产之后一段时间内，管道内仍存有液态水，导致下游管道内天然气水露点升高。
另外，自用气橇前后压力从约8.0MPa一次性降至0.4MPa，压降较大，按5℃/MPa计算，温度降低约38℃，也是产生冰堵的主要原因之一。
针对自用气橇冰堵的问题，投产初期，各站采用夜间停止用气、热水喷淋及增设电加热器等多种措施，后来通过协调自用气橇供货商对各站设备采取更换电阻丝、增大加热负荷的方式，彻底解决了冰堵问题。中亚管道气源露点较高对我国其他管道的影响
陕-京管道系统、冀-宁管道、永-唐-秦管道、忠-武管道等天然气管道在引进中亚气之前，天然气水露点一直较低，运行较为平稳。中亚天然气自2009年底引进我国并进入上述管道之后，2010年冬季气温较低时，沿线多数站场发生了较为严重的冰堵现象，给管道运行造成较大影响。
其主要原因为中亚天然气气质水露点较高。根据霍尔果斯首站水露点测量值，2010年冬季，霍尔果斯首站天然气水露点值为4～11℃，交气压力约为7.8MPa，水露点取平均值7.5℃时，折算水含量为164.5mg/m^3，远远高于相关协议规定值67.3mg/m^3。但是，冬季寒冷季节我国天然气正处于用气紧张状态，因此，无法大幅度压减进口气量。
中亚天然气管道天然气水露点合同规定值与实际测量值对比情况见下表。各站场冰堵事故初期，由于多数站场没有预防措施和处理经验，给正常生产造成较大影响。后来采取注醇法等临时措施，并在相关站场增设加热炉、电伴热带等加热设备，才较好地解决了冰堵问题。
五、建议
一是，严格控制进口天然气气质指标，加大对露点较高气的处罚力度。
随着我国对清洁能源需求的快速增长，进口天然气途经将进一步拓宽，对于今后的进口天然气管道，应充分吸取中亚天然气管道气源露点较高的教训，在前期技术谈判时，应对天然气水露点等气质指标进行严格控制，并在对应的商务条款中加大对露点较高气源的处罚力度，以确保我国天然气管网的安全平稳运行。
二是，严格控制管道水压试验后的干燥处理，最大限度地降低管内残留水。
我国近几年管道出现的冰堵事件，多数发生在管道投产初期，主要原因是管道水压试验后干燥不彻底。大-沈管道、中缅天然气管道境内段、西气东输管道二线西段投产初期均有发生。为防治和治理冰堵问题，多数站场增设加热炉、注醇装置等相应设施，不仅需要大量投资、增加运行成本，还需对设备进行运行、维护和保养，增加了运行人员的劳动强度和工作量。今后，新建的干线天然气管道进行干燥处理时，应加大监管力度，提高施工质量，最大程度减少管内残留水。
三是，充分考虑新建管道对管网系统的影响，并提出应对措施。
随着我国天然气管道行业的快速发展，国内基干管网基本形成并逐步完善，新建干线天然气管道应纳入对应的管网系统整体进行分析。充分借鉴西气东输管道二线露点较高气源对冀-宁管道、忠-武管道等造成的严重冰堵事故影响，新建管道投产和运行初期，应充分考虑因管道干燥不彻底引起的水露点偏高等相关问题对管网系统的影响，并提出相应的应对措施，确保管网系统的安全运行。(其他作者为赵永强，王小强，王志月，代运锋，原载《石油规划设计》)
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