X70管線鋼根焊裂紋淺析

■ 徐占江，王傳友，唐元生，胡善芳

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在長輸管線X70鋼的焊接施工中，采用纖維素焊條下向焊根焊、自保護(hù)焊絲氣體保護(hù)焊下向焊填充蓋面工藝，在直管與直管對接焊縫焊接，外觀檢查和X射線探傷均未發(fā)現(xiàn)裂紋。在規(guī)格為φ813mm×22.23mm直管與彎頭對接焊縫進(jìn)行根焊時，發(fā)現(xiàn)根焊層有裂紋出現(xiàn)，裂紋長度30～370mm不等。裂紋出現(xiàn)在錯口較大的部位，裂紋表征為冷裂紋。而同材質(zhì)＜φ813mm的管線施焊沒有出現(xiàn)裂紋，這些管件壁厚與直管差別不大。

通過現(xiàn)場考察與X70鋼下向焊工藝分析，發(fā)現(xiàn)焊口兩側(cè)壁厚差別大、管內(nèi)壁錯口大和焊工操作不當(dāng)是導(dǎo)致根焊裂紋的主要原因。

1. 產(chǎn)生裂紋的原因分析

（1）裂紋情況分析 直管對接焊縫和直管+管件焊縫焊接采用相同的焊接工藝、相同的焊條、相同的焊工和工序，在相同的環(huán)境下進(jìn)行焊接，外觀檢查與射線檢測沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。

但現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，管件壁厚較厚，最大的部位超出直管15mm，且坡口處倒角不合理，直管與管件內(nèi)壁有錯口現(xiàn)象。

纖維素焊條采用的是BOHLER FOX CEL E 6010進(jìn)口焊條，E6010纖維素焊條是專門為工業(yè)設(shè)計的管道打底專用焊條，它的特點是電弧穩(wěn)定、電弧吹力大、低飛濺、熔池清晰，單面焊雙面成形好，全位置焊接性好。焊工反映該焊條焊接性好，以往很少出現(xiàn)這么多的裂紋，即使以往出現(xiàn)裂紋，經(jīng)打磨補焊后不會再出現(xiàn)裂紋。但這次的裂紋不僅出現(xiàn)的多，且打磨補焊后還出現(xiàn)，焊工隨即停止焊接該類型的焊口。

（2）焊接性分析 X70管線鋼因具有高強度、高抗動態(tài)撕裂能力、高低溫沖擊韌性，以及較高的耐壓強度，而用于天然氣長距離輸送管線。根焊裂紋的表征為冷裂紋，根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算公式，碳當(dāng)量＜0.40%時，表明材料的焊接性較好，具有較好的抗冷裂紋能力，X70管線鋼碳當(dāng)量為0.3797。焊條和管材的化學(xué)成分如表1、表2所示。

（3）壁厚差對根焊的影響 由于管件一側(cè)壁厚大，對根焊焊縫的冷卻速度大于焊縫另一側(cè)較薄的直管段，導(dǎo)致該處焊縫及熱影響區(qū)脆性增大，焊縫金屬韌性不足，是導(dǎo)致焊縫開裂的一個因素（見圖1）。

表1 焊條化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 管材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）焊縫錯口對根焊的影響 由于管徑較大，直管有不同程度的橢圓現(xiàn)象。管件端口部位在出廠時經(jīng)過機械加工，端口是圓的。兩者組對時，導(dǎo)致管內(nèi)壁錯口。由于壁厚大，即使采用機械矯正錯口，還是會出現(xiàn)管內(nèi)壁錯口。

采用下向焊打底根焊時，管內(nèi)壁局部錯口，焊工沒有在高坡口一側(cè)多做停留，導(dǎo)致該處焊層厚度較薄，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，不足以抵抗焊縫收縮產(chǎn)生的拉力，導(dǎo)致焊縫開裂。

理想的根部焊縫成形是焊縫與母材自然圓滑過渡，不會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。實際焊接中，在水平固定焊口的上半部，由于鐵液自然流淌，焊工操作不當(dāng)時，會出現(xiàn)圖2所示的根部成形狀態(tài)，焊縫與母材交界處形成死角，導(dǎo)致應(yīng)力集中，是產(chǎn)生開裂的重要因素。

綜上所述，焊口兩側(cè)壁厚差別大、管內(nèi)壁錯口大和焊工操作不當(dāng)三個因素綜合作用，導(dǎo)致根焊時焊縫裂紋出現(xiàn)。

2. 裂紋處理方案

經(jīng)過綜合分析，擬采取以下方法進(jìn)行處理。

第一，對焊縫兩側(cè)預(yù)熱100℃，以降低根焊焊縫冷卻速度，改善焊縫韌性，提高焊縫抗裂性能。

第二，根焊錯口部位時，焊工對錯口部位要加強焊層厚度的控制，在保證焊縫背面成形的同時，保證焊層厚度均勻，以減小厚度差，進(jìn)而減小應(yīng)力集中，降低應(yīng)力對焊縫的影響。

第三，根焊完成后，經(jīng)外觀檢查和滲透檢測確定沒有裂紋后，采用正常的工藝進(jìn)行后續(xù)焊層的焊接直至完成。

采取以上方法，首先對出現(xiàn)裂紋的焊口進(jìn)行返修，驗證上述方法的可行性。根據(jù)返修結(jié)果情況，經(jīng)RT檢測焊縫沒有裂紋后，再在新的焊口上進(jìn)行焊接措施驗證。經(jīng)RT檢測焊縫沒有裂紋后將此方法用于其他焊口的焊接。

3. 焊接操作要點

根焊操作要點在于控制錯口部位根焊背面成形與焊縫形狀，正常焊縫焊接時，焊條在焊縫兩側(cè)的停留時間基本相等。

在錯口部位焊接時，焊條應(yīng)在朝向外側(cè)高的焊縫一側(cè)，向坡口上多焊一些，增加此處焊縫厚度；在低的焊縫一側(cè)，焊條移動要快速準(zhǔn)確，防止將另一側(cè)焊縫的鐵液過多的帶到這一側(cè)。這樣，盡量控制焊縫在兩側(cè)坡口厚度均勻，減少應(yīng)力集中。

由于母材經(jīng)100℃預(yù)熱，根焊電流要適當(dāng)減小。在保證焊縫背面成形、坡口兩側(cè)熔合良好的前提下，盡量增加焊層厚度，提高焊縫抗裂能力。根焊焊接參數(shù)如表3所示。

4. 處理方案驗證

首先在現(xiàn)場進(jìn)行焊接驗證，選擇一個有缺陷的焊口，同一個焊工施焊，采用氧乙炔火焰對焊口兩側(cè)預(yù)熱100℃。焊工加強焊縫兩側(cè)停留時間的控制，采用以往的焊接工藝進(jìn)行焊接，打底根焊沒有出現(xiàn)裂紋，對焊縫熱焊后放置一晚上，第二天外觀檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，隨后進(jìn)行填充蓋面焊接完成該焊口，48h后進(jìn)行RT射線檢測。

采取同樣的工藝，將其他出現(xiàn)裂紋的焊口進(jìn)行返修處理，該焊口有三處裂紋，平焊位置裂紋長度350mm，立焊位置裂紋長度40mm，根焊后目視檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，蓋面完畢放置48h后進(jìn)行RT射線檢測。

經(jīng)RT無損檢測合格后，新組對一道焊口進(jìn)行整口焊接驗證。按照常規(guī)的方法組對定位焊后，用兩把焊炬對焊口兩側(cè)預(yù)熱100℃，兩名焊工同時根焊打底。

根焊完畢對焊道進(jìn)行打磨處理，仔細(xì)檢查焊縫表面，確認(rèn)無裂紋后填充、蓋面，整個過程除必要的焊道清理，應(yīng)一次連續(xù)焊接完成。

圖1 直管與管件組對示意

圖2

表3 根焊焊接參數(shù)

5. 結(jié)語

通過全面分析裂紋產(chǎn)生原因，制定正確的焊接工藝措施，加強焊工操作技能水平，是解決焊接裂紋的重要舉措。經(jīng)過X射線檢測，返修焊口和新焊焊口全部合格，驗證了返修方案的正確性，為工程順利交工提供保障。