L415M 管線(xiàn)鋼焊縫橫向裂紋產(chǎn)生原因與預(yù)防措施

劉慶忠， 張敬洲， 朱文學(xué)， 葉 勇

（大慶油田工程建設(shè)有限公司， 黑龍江 大慶163712）

0 前 言

L415M （X60M） 管線(xiàn)鋼具有高強(qiáng)度、 高韌性、良好的低溫韌性和焊接性能， 一般不易產(chǎn)生冷、熱裂紋， 主要用于石油天然氣工業(yè)中的氣、 水、油的輸送。 L415M 管線(xiàn)鋼組織為多邊形鐵素體+少量珠光體， 但生產(chǎn)工藝不同， 也有由多邊形鐵素體、 針狀鐵素體、 粒狀貝氏體與珠光體組成。 目前， L415M 管線(xiàn)鋼已在國(guó)內(nèi)外多項(xiàng)工程中得到成功應(yīng)用， 西南油氣田某區(qū)塊地面工程外輸管道采用了此鋼種， 該工程外輸干線(xiàn)共計(jì)72 km， 管道規(guī)格主要為Φ508 mm×7.1 mm， 采用焊條與自保護(hù)組合焊接模式。 該外輸管線(xiàn)于2019 年3 月末開(kāi)始焊接， 6 月份之前焊接質(zhì)量完好， 進(jìn)入6 月雨季后開(kāi)始出現(xiàn)焊接裂紋， 7 月中旬焊接裂紋集中爆發(fā)。 筆者從焊材、 冶金、 工藝等方面對(duì)裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析， 并制定相應(yīng)預(yù)防措施， 希望能為L(zhǎng)415M管線(xiàn)鋼在潮濕環(huán)境下的焊接應(yīng)用提供部分借鑒。

1 現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝與裂紋情況

1.1 現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝及執(zhí)行情況

按照GB/T 31032—2014 標(biāo)準(zhǔn)要求的焊接方法， 采用纖維素焊條電弧焊打底+自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊填充、 蓋面。 現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝所用焊材分別選用伯樂(lè)Fox cel （AWS E6010）Φ4.0 mm 焊條、 金橋JC-29Ni1 （AWS E71T8-Ni1J） Φ2.0 mm 自保護(hù)焊絲， 焊材化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 焊材化學(xué)成分

焊接坡口形狀及尺寸如圖1 所示， 現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝規(guī)范見(jiàn)表2。

現(xiàn)場(chǎng)采用外對(duì)口器進(jìn)行組對(duì)， 間隙一般為3.0～4.0 mm， 預(yù)熱溫度為100～150 ℃， 焊接3 層，自保護(hù)焊絲干伸長(zhǎng)一般在30 mm 左右， 實(shí)際電流200～220 A。 打底焊時(shí)并沒(méi)有嚴(yán)格執(zhí)行對(duì)稱(chēng)焊接，且自保護(hù)焊電流偏向上限， 2 名焊工幾乎同時(shí)起弧， 起弧點(diǎn)過(guò)于接近， 收弧點(diǎn)同樣如此。

圖1 焊接坡口形狀及尺寸

表2 L415M（X60M） 管線(xiàn)鋼焊接規(guī)范

1.2 裂紋統(tǒng)計(jì)情況

工程自2019 年3 月26 日開(kāi)始焊接， 裂紋出現(xiàn)前， 焊接一次合格率約96.6%。 截止7 月18 日，共計(jì)發(fā)現(xiàn)有裂紋及疑似裂紋的焊口74 道， 根據(jù)裂紋爆發(fā)時(shí)間、 范圍和部位， 總結(jié)出以下主要特征：一是爆發(fā)期較集中， 最早出現(xiàn)于6 月13 日， 其中6 月份只有12 道， 爆發(fā)高峰期為7 月9 日—14 日共計(jì)45 道； 二是涉及班組普遍， 全線(xiàn)19 個(gè)班組，其中12 個(gè)班組發(fā)現(xiàn)有裂紋； 三是缺陷絕大部分出現(xiàn)于管道下部4 點(diǎn)～7 點(diǎn)焊縫部位， 走向?yàn)闄M向裂紋和45°裂紋， 長(zhǎng)度一般在2 mm 左右， 位于填充與蓋面層； 四是裂紋出現(xiàn)時(shí)間段大多集中于陰雨天氣（6 月13 日至7 月18 日期間， 除12 個(gè)晴天，其余全是陰雨天氣， 空氣濕度明顯增大）。

2 裂紋分析

2.1 裂紋性質(zhì)

圖2 X 射線(xiàn)探傷部位

圖3 滲透探傷結(jié)果

圖2 為采用X 射線(xiàn)對(duì)仰焊部位疑似裂紋的焊縫進(jìn)行打磨滲透檢測(cè)， 檢測(cè)結(jié)果如圖3 所示。從圖3 檢測(cè)結(jié)果可以看出， 裂紋確實(shí)位于焊縫區(qū)仰焊部位， 深度位于母材表面下2～3 mm。 熱裂紋是焊接過(guò)程中焊縫金屬冷卻到固相線(xiàn)附近的高溫區(qū)時(shí)所產(chǎn)生的， 在凝固結(jié)晶末期， 固相線(xiàn)附近， 因晶間殘存液膜使塑性下降所造成的熱裂紋成為結(jié)晶裂紋。 依據(jù)文獻(xiàn)描述內(nèi)容， 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施焊環(huán)境和工藝等因素， 判定裂紋應(yīng)為由自保護(hù)焊導(dǎo)致的熱裂紋。 判定理由如下： 一是施焊環(huán)境溫度≥25 ℃， 且母材強(qiáng)度等級(jí)較低， 對(duì)冷裂紋敏感性較低； 二是下向焊管道下部與上部相比所受剛性拘束應(yīng)力較大； 三是現(xiàn)場(chǎng)自保護(hù)焊接熱輸入較大以及母材壁厚較薄導(dǎo)致熔池高溫停留時(shí)間較長(zhǎng)， 低熔點(diǎn)共晶物易偏析聚集。

2.2 裂紋產(chǎn)生原因

2.2.1 焊材方面

在確定裂紋性質(zhì)后， 從低熔點(diǎn)共晶物角度首先對(duì)使用的焊絲批次進(jìn)行了重新復(fù)檢， 檢測(cè)結(jié)果完全符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 表1 化學(xué)成分顯示， 金橋JC-29Ni1 自保護(hù)焊絲中C、 S、 P、 Si 含量很低，且其焊絲類(lèi)別具有強(qiáng)脫硫作用， 應(yīng)該不會(huì)形成以FeS 為主要成分的常規(guī)低熔點(diǎn)共晶物。 況且此前焊接合格率一直較高， 未有裂紋出現(xiàn)， 基本可以排除焊絲本身質(zhì)量問(wèn)題。 其次， 經(jīng)監(jiān)理同意， 換用之前庫(kù)存郝博特自保護(hù)焊絲進(jìn)行試焊， 也出現(xiàn)了熱裂紋。 二者共同之處都是在使用和存儲(chǔ)過(guò)程中未采取嚴(yán)格的防潮措施， 前者未焊完焊絲在潮濕環(huán)境下沒(méi)有按操作規(guī)程摘下做防潮處理； 后者生產(chǎn)日期已超出焊絲保質(zhì)期2 年且沒(méi)經(jīng)復(fù)驗(yàn)。 綜合對(duì)比裂紋出現(xiàn)前后的影響因素， 焊絲受潮可能是影響焊接質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素。

2.2.2 冶金方面

前述已分析熱裂紋應(yīng)該不是由傳統(tǒng)意義上的低熔點(diǎn)共晶物引起。 已有文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)， 由于化學(xué)冶金的不平衡性， 金屬氧化物極易形成復(fù)合氧化物硅酸鹽， 低于Fe 的熔點(diǎn)， 但是高于以FeS為主要成分的低熔點(diǎn)共晶物； 藥芯焊絲焊縫中的氧化夾雜物增多， 不但會(huì)引起氣孔傾向的增大，而且會(huì)引起熱裂紋傾向的增加。 對(duì)于藥芯焊絲來(lái)說(shuō)， 焊縫中的氧化夾雜物增多是導(dǎo)致熱裂紋產(chǎn)生的主要誘因。 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)裂紋出現(xiàn)前后的因素變化， 分析其產(chǎn)生原因應(yīng)是焊絲受潮后， 焊絲中的水分受電弧高溫加熱分解， 產(chǎn)生的氧氣導(dǎo)致焊絲中的脫氧元素氧化失效， 造成熔池中脫氧不足，形成多種金屬氧化物并最終形成復(fù)合氧化物， 這些復(fù)合氧化物應(yīng)該就是產(chǎn)生熱裂紋的主要因素——低熔點(diǎn)共晶物的來(lái)源。

2.2.3 焊接工藝方面

從現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝執(zhí)行情況看， 一是打底焊未按工藝要求采用對(duì)稱(chēng)焊接， 因此仰焊部位應(yīng)力自然就比上部高； 二是在撤除外對(duì)口器后， 存在徑向回彈現(xiàn)象， 導(dǎo)致管道周向應(yīng)力出現(xiàn)疊加現(xiàn)象，圖4 中焊縫根部橫向裂紋即與此有關(guān)； 三是自保護(hù)下向焊電流偏大， 且下部收弧點(diǎn)過(guò)于接近， 存在熱輸入過(guò)大， 從而導(dǎo)致熱應(yīng)力變大現(xiàn)象； 四是管線(xiàn)壁厚較薄， 散熱較慢； 五是焊絲干伸長(zhǎng)較長(zhǎng)（≥30 mm）， 導(dǎo)致焊絲過(guò)熱， 從而加劇焊絲內(nèi)部脫氧元素的氧化程度。 總之， 上述因素相互疊加， 最終導(dǎo)致在管道仰焊部位出現(xiàn)熱裂紋。

圖4 焊縫根部裂紋形貌

3 裂紋預(yù)防措施

3.1 焊絲使用和存儲(chǔ)方面

從焊絲儲(chǔ)存到使用必須要制定完備的防潮措施， 并安排專(zhuān)人進(jìn)行檢查。 現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)天未使用完的焊絲， 應(yīng)摘下用塑料袋包好、 扎緊， 避免受潮。

3.2 工藝方面

（1） 對(duì)口間隙宜控制在2.5～3 mm， 以減小焊縫橫截面積， 焊接電流不宜過(guò)大， 以控制應(yīng)力并減小飛濺。

（2） 調(diào)整根部焊道打底順序， 嚴(yán)格執(zhí)行對(duì)稱(chēng)施焊。 拆卸外對(duì)口器前， 仰焊部位盡量多焊。 整個(gè)打底焊道要稍厚（不小于2.5 mm）， 這樣可減少自保護(hù)填充量。 盡量減少打磨量， 在保證根焊均勻前提下只打磨接頭， 用絲輪對(duì)整個(gè)焊道兩側(cè)進(jìn)行徹底清理即可。

（3） 嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)熱制度， 控制預(yù)熱溫度及層間溫度在100～120 ℃左右（尤其是裂紋頻出的下部接頭位置） 即可。

（4） 干伸長(zhǎng)保證在20 mm 左右前提下， 降低自保護(hù)焊接電流， 嚴(yán)格控制焊接熱輸入。 自保護(hù)送絲速度設(shè)定在65～80 in/min （電流160～200 A）， 仰焊部位取此范圍下限。 同時(shí)兩名焊工起弧點(diǎn)要拉大間距， 即一人從12 點(diǎn)起弧， 另一人從3 點(diǎn)或4 點(diǎn)起弧， 以分散熱輸入， 避免過(guò)熱。下一層接頭與上一層焊道接頭錯(cuò)開(kāi)至少50 mm。

（5） 從降低熱輸入角度考慮， 仰焊部位也可采用滅弧焊， 但前提是保證焊縫質(zhì)量。

4 結(jié) 論

（1） 熱裂紋的產(chǎn)生是焊材受環(huán)境因素影響與工藝因素相互疊加導(dǎo)致的。

（2） 熱裂紋產(chǎn)生主因是焊絲受潮后， 脫氧元素失效導(dǎo)致熔池中氧化物含量過(guò)高， 這些低熔點(diǎn)氧化物與普通C、 S、 P、 Si 導(dǎo)致的低熔點(diǎn)共晶物不同。

（3） 工藝措施的不當(dāng)加重了熱裂紋出現(xiàn)的傾向。

（4） 應(yīng)從焊絲使用和存儲(chǔ)、 焊接工藝方面制定合理的預(yù)防措施， 避免熱裂紋的產(chǎn)生。