厚壁不銹鋼焊管焊接橫向裂紋的分析與控制

針對某工程使用的厚壁不銹鋼焊管初期出現過焊縫橫向裂紋的問題，通過查找裂紋產生的原因，研究、制定控制橫向裂紋產生的措施，分析了厚壁不銹鋼焊管焊接橫向裂紋產生的原因，從焊管的成型、焊前預熱、焊接工藝、焊接材料和設備、焊后保溫緩冷、消氫熱處理、CTOD試驗和垂直氣電立焊等方面提出了控制焊接橫向裂紋的方法，簡要介紹了出現焊接橫向裂紋的返修方法。

近年來，隨著國民經濟的發展，厚壁不銹鋼焊管在海洋平臺、高溫高壓的壓力容器、風力發電管樁等方面得到越來越廣泛的運用。在制造壁厚≤50.8mm的不銹鋼焊管時，一般選擇JCO或UO成型工藝，該生產工藝技術成熟，產品質量穩定，生產效率高；而當壁厚超過50.8mm時，由于JCOE和UOE機組設備能力的限制，難以成型，目前一般使用RB成型卷制不銹鋼焊管。由于制造這類鋼管一般使用D36鋼、S355鋼及具有Z向性能的結構鋼板，板材厚度較大，含碳量較高，且碳當量較高，可焊性較差，淬硬傾向大，使焊接接頭的焊接性能降低，易產生冷裂紋。生產某工程使用的厚壁不銹鋼焊管的初期出現過焊縫橫向裂紋的問題，通過查找裂紋產生的原因，研究、制定控制橫向裂紋產生的措施，最終解決了問題，保證了最終產品的質量和工程的安全性。

1出現焊接橫向裂紋產品的情況

出現橫向裂紋的這一批厚壁鋼管，壁厚31.75～75mm，直徑610～1752mm，材質為S355，S355NL-Z35等，鋼板經過正火處理，部分具有Z向性能。在焊接結束超聲波檢測時未發現裂紋缺陷，但48h后再進行超聲波檢測時，發現有少量焊管整條焊縫的中間位置斷斷續續存在橫向裂紋，可見裂紋具有延遲性，橫向裂紋的磁痕如圖1所示；部分橫向裂紋修磨后肉眼可見，如圖2所示。

2焊接橫向裂紋的產生原因

從裂紋出現的時機和形態來看，這種橫向裂紋屬于結晶裂紋，其產生原因可能有以下幾個方面。

（1）應力作用。即鋼管成型后的殘余應力和焊接應力。

（2）焊接工藝不合理。如焊縫成形系數過小、預熱溫度不夠或未進行焊前預熱、焊接線能量過大、焊接后熱處理不當、保溫時間太短等。

（3）由于氫的存在所致。如焊劑烘干不夠，預熱溫度不充分或未進行焊前預熱、以及多層焊的層間溫度不夠。

（4）冶金因素。焊接過程中（熔池階段或焊縫紅熱狀態下）有低熔點雜質進入，如銅及銅合金。銅的來源主要有焊絲表面所鍍的用于防止焊絲銹蝕的銅，或者導電嘴、銅合金導電桿內壁被磨損產生的銅。這些銅屑從導電嘴內孔進入焊劑，在焊接過程中接觸焊接熔池導致橫向裂紋。

3控制焊接橫向裂紋的措施

厚壁不銹鋼焊管往往使用在比較惡劣的環境下，如海洋平臺會有海浪、海潮、風暴的沖擊，壓力容器會在高溫、高壓下運行，在這些惡劣的環境下存在的焊接橫向裂紋最終會導致構件的開裂或脆斷，產生重大的事故。因此，通過適當的方法控制厚壁不銹鋼焊管的橫向裂紋就顯得特別重要。針對焊接橫向裂紋可能產生的各種原因，通過總結，可以從如下幾個方面進行控制。

3.1焊管的成型

對于不銹鋼焊管，成型前要經過板邊的預彎，如果直縫兩側的板邊預彎沒有達到理想的輪廓，焊接后在直縫處就會形成“桃嘴”，整形后會產生一定的殘余應力，可能導致焊接橫向裂紋的產生。因此，為了合理控制殘余應力，不僅需要采用針對性的設備和工藝，還需要在鋼管成型前進行必要的成型工藝評定，對成型的設備、材料、產品的規格、預彎的程度、成型的速度、成型時的壓力、成型后產品達到的參數和性能等進行試驗和評定，評定合格且具有經過審批的成型工藝指導卡（成型工藝作業指導書）后方可進行焊管的成型。

3.2焊前預熱

焊縫部位焊前未預熱或預熱不充分可能是焊接產生橫向裂紋的主要因素之一，要根據具體的材質、具體的工作環境確定預熱及層間溫度，對于S355鋼推薦的基本預熱及層間溫度見表1。

3.3焊接工藝

由于材料比較厚，形成的焊道寬而且厚，焊接熱輸入較大時，會導致焊縫晶粒粗大，降低了焊縫的韌性和延展性，容易產生橫向裂紋，因此，制定焊接工藝時要注意如下幾點。

3.3.1采用單絲多層多道焊

采用埋弧焊時，為了減少焊接熱輸入，不建議采用多絲焊，建議盡量采用單絲多層多道焊，焊道平行排列，且每條焊道的寬度控制在15mm以內；控制層間溫度在110～250℃之間，并要趁著焊道的溫度連續焊接，一直焊完每道焊口的所有焊道。

3.3.2制定合理的焊接工藝參數

不同的材料、不同的焊接設備，焊接工藝參數不同，要根據具體情況，通過焊接工藝評定（PQR），確定具體的焊接工藝規范（WPS），按照焊接工藝規范編制焊接工藝指導卡（焊接工藝作業指導書），經過批準后按其進行焊接。制定焊接工藝的時候，在保證焊縫性能和宏觀形貌的前提下，根據實際需要，調整工藝，盡量減小焊接線能量，以4.0mm的焊絲為例，推薦的埋弧焊接工藝參數見表2。

3.3.3嚴格控制焊道寬度

焊道越寬，產生橫向裂紋的可能性越大。焊接時，要盡量地采用窄焊道，多分道，減少焊道寬度，減少熱輸入，盡量把焊道寬度控制在表2規定的范圍內。

3.4焊接材料和設備

3.4.1焊絲

只要能滿足強度要求，盡量選擇低強度的焊絲，這樣可以適當降低焊縫的碳當量，提高焊縫的塑性，有助于減少焊接裂紋的產生。對于S355鋼級材質的焊接，建議采用H08MnA（CHW-S3）焊絲（相當于AWSEH14或DINS4或BSS4），盡量少用H10MnSi等較高強度的焊絲；在實踐中使用H08MnA焊絲對防止焊接橫向裂紋很有效。使用不鍍銅的焊絲，防止銅或銅合金進入焊縫熔池。但要注意不鍍銅焊絲的保管，注意防潮和防生銹。

3.4.2焊劑

采用CHF101（即SJ101G）焊劑，焊劑在使用前必須按照焊劑廠家推薦的烘干工藝烘干，烘干后在烘箱內進行保溫，不可烘干后就倒出來，防止受潮。

及時對焊接過程中使用的焊劑進行磁選，磁選后放進保溫桶中儲存，防止在空氣中受潮。盡量采用顆粒較大的焊劑，需要吹去使用過的焊劑中的粉灰，防止粉灰在焊接過程中阻礙氣體的逸出，產生夾渣、氣孔，降低焊縫的抗裂性能。

及時更換焊劑，防止流落到焊劑內的銅及銅合金的交互污染，保證焊材的清潔。

3.4.3導電嘴、導電桿

使用端頭為耐磨合金的導電嘴，及時更換被磨壞的導電桿，全面清理內、外焊裝置，保證焊接設備的清潔，減少銅及銅合金進入焊縫熔池。

3.5焊后保溫、緩冷

根據不同的季節采取不同的焊后保溫、緩冷措施。以S355鋼級為例：

夏秋兩季，焊接好以后可以在室溫下直接暴露在空氣中緩冷。

春冬兩季，焊接好以后可以在室溫下用保溫棉（如石棉布）把焊縫兩面覆蓋，在空氣中緩冷。

3.6消氫熱處理

如果焊后保溫、緩冷不能夠消除焊接橫向裂紋，可以考慮對焊縫進行局部熱處理，消除殘余應力，降低氫含量。具體做法是：焊接完成后立即用陶瓷電熱毯對焊縫及其附近區域加熱至200℃，保溫2h后關電緩冷。

這種方法的不足是大大增加產品制造的成本和工期，對環境的要求也比較高，只能降低應力峰值，不能完全消除殘余應力，而且不是所有材料都適合進行焊后消除應力熱處理。

4出現焊接橫向裂紋后的返修

以S355鋼為例說明出現焊接橫向裂紋后的返修措施。

（1）確認缺陷。對所有焊縫進行100%UT檢驗（包括焊縫兩側掃查及焊縫表面掃查），標出裂紋的位置、長度、深度及方向。如果整條焊縫都有缺陷，建議刨掉整條焊縫重新進行埋弧焊接，局部返修建議采用焊條電弧焊。

（2）刨前預熱。預熱溫度為110～170℃，預熱溫度檢測位置為焊縫兩側不小于150mm，加熱范圍為距離缺陷四周500mm以內。如果證明可行的話，可考慮降低刨前預熱溫度或取消刨前預熱。

（3）氣刨。氣刨范圍為裂紋缺陷兩端向外、完好焊縫不少于50mm處向中間氣刨，刨槽兩端為圓滑平緩過渡，過渡面與垂直線至少大于45°，如圖3所示。

氣刨碳棒角度應在60°以下，尤其是在將要到達裂紋處，角度應盡可能小，如圖4所示。

（4）打磨。打磨至無黑皮（滲碳層），打磨之后的表面應平滑過渡，不應有尖銳的深坑。

（5）冷卻至合適溫度后做滲透檢測（PT）。

（6）打磨。依據滲透檢測（PT）的結果指導打磨，打磨至沒有紅線為止。

（7）磁粉檢測（MT）。打磨好后做磁粉檢測（MT），確認沒有殘余裂紋。有裂紋的話，則繼續打磨，直到MT檢測出沒有裂紋為止。

（8）清除MT和PT殘余液體。完全去除裂紋后，清理PT和MT殘余液體，以免影響焊接質量。

（9）焊前預熱（與刨前預熱要求相同）。焊前預熱可有效防止或降低冷裂紋傾向，要根據具體使用的鋼材的碳當量以及焊接件的具體結構選擇適當的預熱溫度。推薦的預熱溫度為110～170℃，預熱溫度檢測位置為焊縫兩側不小于150mm，加熱范圍為距離焊縫500mm以內。

（10）焊接。嚴格按照補焊作業指導書所規定的焊接參數進行焊接。焊道寬度不超過15mm，能分道就分道。

如果采用焊條電弧焊返修，S355鋼級的返修建議使用CHE58-1（即J506Fe-1，相當于AWSE7018-1）焊條。如果采用自動埋弧焊工藝，焊接材料、焊接規范等與原來進行埋弧焊接采用的一樣。焊接收弧處必須要打磨至圓滑過渡，留意是否有弧坑裂紋或夾渣。

（11）焊后保溫、緩冷。焊后保溫、緩冷與前面3.5所述一致。

（12）焊后熱處理。焊后熱處理能使擴散氫逸出，在一定程度上消除、降低焊后殘余應力的影響，對一些脆硬傾向較大的鋼還能韌化熱影響區和焊接組織，在工程上對某些剛度較大的焊接結構專門進行“消氫處理”、“消除應力熱處理”，作為一種有效的手段廣泛應用，其目的就是去氫，降低拘束應力。推薦的熱處理制度是：焊接完成后立即用陶瓷電熱毯加熱至200℃，保溫2h后關電緩冷。如果證明可行的話，可考慮取消焊后消氫熱處理，只做保溫、緩冷即可，以降低制造成本。

（13）焊接完成48h后按技術文件或標準規定的要求進行NDT檢驗。

5結語

（1）通過對厚壁不銹鋼焊管焊縫橫向裂紋產生的原因進行分析，提出了控制焊縫橫向裂紋產生的各種措施及焊縫橫向裂紋出現后的返修方法。

（2）不同的企業、不同的產品、不同的時期出現質量問題時，產生問題的原因不一定完全相同，要針對各自的具體情況進行具體分析，認真排查，找出原因，進行控制。

（3）盡管焊接橫向裂紋在剛生產完的厚壁不銹鋼焊管的表面并不可見，但由于這種焊接橫向裂紋在焊縫冷卻后的多發性，以及裂紋的延遲性，特別是厚壁不銹鋼焊管往往運用在工況比較惡劣的情況和比較重要的場合，如果不被發現，在產品使用時擴展很快，極易發生難以想象的重大事故，因此，對于厚壁不銹鋼焊管的產品無損檢測時要考慮焊縫橫向裂紋的檢測，不能遺漏。

（4）垂直氣電立焊技術對解決厚壁不銹鋼焊管的作用值得我們嘗試、探討、研究。