碱管线泄漏成因及措施研讨

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某储运中心成品车间液碱管线于2010年10月投入使用，2011年1~3月，陆续有8处焊口发生泄漏，泄漏焊口经补焊处理后继续使用。2011年4月，又有一处补焊后的焊口发生泄漏，泄漏焊口位于弯头下方。该管线的材质为20#钢，管内部介质为30%NaOH溶液，为防止由于温度过低使碱液在管线内凝固，碱线全部采用伴热线进行加热，伴热线共有热水伴热和蒸汽伴热2种介质，泄漏的8处焊口全部位于蒸汽伴热部位。伴热蒸汽压力为1.0MPa，伴热温度为180℃。为查明该碱线多次发生泄漏的原因，对该碱线进行综合分析。

1取样和宏观检验

在整条管线上取2道焊口进行分析［1］，1道焊口为发生泄漏的焊口，见图1；另1道焊口为未发生泄漏的焊口，见图2。在泄漏的焊口处仔细观察，发现在焊缝中部有1条穿透性裂纹，裂纹长度为50mm，见图3。将带裂纹的焊口切开后观察，断口表面有一层黑色物质覆盖，断口平齐，无明显塑性变形，呈脆性断口特征［2］，见图4。

2扫描电镜断口分析

将切开的焊口进行扫描电镜观察。经高倍观察，断口表面被一层产物所覆盖，无法观察到原始形貌见图5。图5扫描电镜结果为去除断口表面覆盖的产物，取2块断口试样，在稀盐酸中反复清洗，直至断口表面显露出金属光泽，再经超声波清洗后装入扫描电镜内进行观察，发现经过稀盐酸清洗后的断口表面均显露出沿晶界断裂的特征［3］，见图6。

3微观检验

在与断口垂直的焊缝上磨制显微金相试样，经抛光后用光学显微镜观察，未见超标冶金缺陷。断口2侧的焊缝试样上均存在裂纹，裂纹较深，有分枝和断续现象，裂纹尖端较尖锐，呈树枝状，见图7。图7光学显微镜观察结果将带有裂纹的焊缝采用4%硝酸酒精腐蚀后观察，组织为：铁素体+珠光体，裂纹呈树枝状沿晶界扩展，见图8。图8用4%硝酸酒精腐蚀后的组织在未发生泄漏焊口部位的焊缝、热影响区和母材上分别制取显微金相试样，经4%硝酸酒精腐蚀后观察，焊缝组织为：铁素体+珠光体，见图9；热影响区组织为：魏氏组织铁素体+珠光体，见图10；母材组织为：铁素体+珠光体，见图11。

4力学性能检验

由于泄漏焊口在弯头部位，无法加工成力学试验试样，故在未发生泄漏的直管段焊缝部位分别制取1件拉伸试样和1件弯曲试样。经力学试验，拉伸试件抗拉强度为477MPa，断裂位置为母材。焊缝弯曲后未见缺陷，材料强度合格［4］。

5分析讨论

根据对管线焊口部位的综合分析，特别是宏观检查、金相分析及断口分析所揭示的各种宏观和微观形态，可以看出：断口平齐，无明显塑性变形，呈脆性断口特征，高倍观察断口表面有沿晶断裂特征，裂纹有分枝和断续现象，裂纹尖端较尖锐，呈树枝状。结合断口表面氧化腐蚀产物的能谱分析和力学试验结果，认为该碱线焊口的开裂属于碱脆破裂。碱脆破裂的原因是焊缝区在碱液中的应力腐蚀引起开裂。在电化学腐蚀中，当NaOH的浓度大于30%时，阳极区的Fe和NaOH发生溶解反应：Fe+2NaOH=Na2FeO2+H2，生成物中的Na2FeO2为可溶性的铁酸盐，不会在焊缝区表面形成保护膜，故该反应会不断进行，在残余拉应力的作用下，焊缝区最终会产生裂纹，形成开裂。NaOH含量30%时，碳钢易发生碱脆的温度是60℃至沸点。实验证明，金属中的碳含量在0.01%~0.25%范围内容易产生碱脆现象，大于或小于这个范围时，都难以发生碱脆，20#钢的碳含量0.17%~0.24%之间，正处于发生碱脆的条件范围内，再加之蒸汽伴热温度为180℃，因而促成了碱管线焊口发生碱脆。

6结论

（1）该碱管线焊口开裂属于应力腐蚀开裂（即碱脆）造成的开裂；（2）180℃的蒸汽伴热线为20#钢碱线的焊口开裂提供了温度条件；（3）碱管线安装过程中产生的应力及焊接产生的残余应力，为焊口的开裂提供了应力条件。降低碱线的伴热温度，严格控制碱线温度在60℃以下；如需对焊口进行返修，必须打磨掉肉眼可见的裂纹和气孔，用3%的医用硼酸反复涂刷焊缝及周围区域，再用水反复冲洗干净；施焊前进行预热，预热温度大于50℃，焊后进行600~650℃高温回火，最大限度地消除残余应力。