壓力管道焊接缺陷成因及對策研究

王家駿

涼山州綜合檢驗檢測中心 四川 涼山 615000

引言

當(dāng)前，作為我國五大交通運輸系統(tǒng)之一的管道運輸已經(jīng)取得了非常巨大的進(jìn)步，這對于我國的工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要，為我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供巨大助力。正因如此，管道的安裝質(zhì)量和運行維護(hù)工作是至關(guān)重要的。在特種設(shè)備行業(yè)中，壓力管道安裝時會遇到很多問題，比如大多數(shù)情況下壓力管道的施工環(huán)境是比較復(fù)雜的，有的會經(jīng)過人員密集區(qū)域，有的會穿過學(xué)校、醫(yī)院等重點場所，還有的需要跨越河流甚至湖泊，因此很多時候都不具備適合的工作環(huán)境和條件，施工時很容易受到外部因素的影響。雖然就管道焊接能力來看我國已經(jīng)有了非常成熟的體系和工藝，但是在實際情況中對一些特定壓力管道進(jìn)行焊接時還是不能完全保證高質(zhì)量完成，這也是壓力管道的焊接質(zhì)量受到關(guān)注的原因。

1 壓力管道焊接工藝

1.1 定位和組對

管道的焊前定位和組對工作是管道焊接工作中頗為重要的一環(huán)，它在整個焊接工作中起到基礎(chǔ)性作用，對焊接的質(zhì)量產(chǎn)生非常大的影響，所以我們應(yīng)該首先做好定位和組對工作，這將對于形成良好的焊縫起到促進(jìn)作用。在焊接過程中組對的間隙是否符合規(guī)范要求是組對工作的重要參考指標(biāo)，管道的同心度也會受到管道定位工作的影響，這些工作中的誤差應(yīng)該控制在1.5mm內(nèi)[1]。

1.2 焊材的烘烤

在焊接時，溫度和時間對于焊接工藝來說是非常重要的，不同的焊接材料所需要滿足的時間和溫度條件也會有不同的要求，因此在焊接前需要進(jìn)行焊材烘烤的工作。在進(jìn)行焊材烘烤的時候，要對時間和溫度進(jìn)行記錄，這對于保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定是非常重要的。如果使用的溫度遠(yuǎn)高于要求，就會非常容易使焊接材料發(fā)生氧化，出現(xiàn)材料過早分離的情況，導(dǎo)致材料的表面失去保護(hù)。與之相反的是，如果使用的溫度過低，就會造成焊接材料還保留有一些水分，這些水分就會造成焊接接頭出現(xiàn)氣孔或者裂紋。不僅如此，在進(jìn)行焊接的時候，溫度和時間也應(yīng)該匹配，當(dāng)然在這二者之間溫度是更為重要的。這是因為即使對焊接的時間進(jìn)行延長，然而在溫度沒有達(dá)到要求的情況下，同樣不能得到良好的焊接效果。在溫度選擇方面，呈現(xiàn)酸性的材料一般選擇150℃～250℃之間，而對于呈現(xiàn)堿性的材料來講則需要選擇溫度在350℃～400℃之間，在時間上都選擇1～2h[2]。

1.3 焊接過程中的控制

負(fù)責(zé)焊接的持證作業(yè)人員在進(jìn)行焊接工作之前就應(yīng)當(dāng)對整個工藝流程認(rèn)真學(xué)習(xí)掌握，嚴(yán)格控制原材料和焊材質(zhì)量，弄清焊接要素和焊接方法。不僅如此，負(fù)責(zé)焊接的人員在焊接工作開始前就需要對工藝參數(shù)以及操作條件進(jìn)行確認(rèn)，前者包含了組對間隙、坡口形式、焊接的層數(shù)、速度、使用材料、電壓、電流等條件，后者則包含了焊接順序、焊接方法和角度等。除了這些條件外，進(jìn)行焊接工作的人員也應(yīng)該在焊接過程中持續(xù)檢查，及時對出現(xiàn)的問題進(jìn)行處理，嚴(yán)格按照WWI施焊，保證整體的焊接質(zhì)量。

1.4 焊后檢查

在焊接完成后，要對焊縫的表面質(zhì)量進(jìn)行檢查，這一步驟要在開展無損檢測和耐壓試驗之前進(jìn)行。檢查標(biāo)準(zhǔn)以及檢查方法都應(yīng)該明確到焊接流程中，都需要滿足相應(yīng)的施工要求，在進(jìn)行記錄的時候要按照事實進(jìn)行，不能出現(xiàn)違規(guī)操作。焊件達(dá)標(biāo)的前提就是不能有裂紋或者氣孔等肉眼可見的缺陷出現(xiàn)在焊件之上，施工單位也需要對接頭的錯邊量、咬邊等情況進(jìn)行檢查。

如果這些方面出現(xiàn)問題，還需要對之前的檢查結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，找到其他存在的問題。如果懷疑缺陷出現(xiàn)在焊接接頭比較深的位置，就需要結(jié)合RT底片和報告分析問題出現(xiàn)的位置和原因。

2 壓力管道焊接缺陷的基本類型

2.1 焊接夾渣

在進(jìn)行焊接工作的時候，比較常見的缺陷就是焊接夾渣。一般會出現(xiàn)兩種情況：金屬夾渣和非金屬夾渣，表現(xiàn)的形式也不一樣，可能會出現(xiàn)斑點狀缺陷、條紋狀缺陷等。結(jié)合相關(guān)的資料和研究我們可以發(fā)現(xiàn)，于焊縫內(nèi)深埋的斑點狀焊接夾渣和條紋狀夾渣屬于壓力管道焊接中最多見的一類夾渣，針對此類焊接夾渣的斷層進(jìn)行檢查，能夠看出其形狀通常為類似橢圓形滑面。

2.2 焊接氣孔

在對壓力管道進(jìn)行焊接的時候，可能會出現(xiàn)焊接氣孔。氣孔缺陷是一種體積形缺陷，因占據(jù)了焊縫金屬一定的體積，所以使焊縫的有效工作截面面積減小，導(dǎo)致焊縫的力學(xué)性能降低，尤其是焊縫的彎曲和沖擊強(qiáng)度等塑性指標(biāo)降低。氣孔可能造成應(yīng)力集中，甚至成為焊縫裂紋源，同時，由于氣孔缺陷超標(biāo)造成返修次數(shù)增多，影響產(chǎn)品質(zhì)量，增加成本。

2.3 未焊透或未熔合

在進(jìn)行焊接工作時，母材金屬未熔化，導(dǎo)致焊縫金屬沒有進(jìn)入接頭根部的現(xiàn)象，就是未焊透。而未熔合主要指的是焊縫金屬與母材金屬或者是焊縫金屬之間未能夠完全熔化、結(jié)合所形成的缺陷。未熔合具體表現(xiàn)為面積缺陷，在坡口未熔合或者根部未熔合的情況下很容易出現(xiàn)承載截面積大幅度的減小問題，造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中和接頭強(qiáng)度降低，因此未熔合的危害強(qiáng)度僅次于裂紋。

2.4 焊接裂紋

焊縫表面或內(nèi)部熔合位置的原子結(jié)構(gòu)形成了原子層，而層面上的晶體中粒子之間存在著相互作用力影響，若作用力不規(guī)則，則易在焊縫處產(chǎn)生裂紋。裂紋對壓力管道來講屬于非常致命的缺陷，所以裂紋缺陷通常是壓力管道發(fā)生事故的主要原因。焊接裂紋通常分為以下幾類：焊接熱裂紋、焊接冷裂紋、再熱裂紋、應(yīng)力開裂裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋和其他性質(zhì)的裂紋等形式。

3 壓力管道焊接缺陷成因

3.1 夾渣

在焊接過程中，一是電流參數(shù)較小，金屬熔池受熱緩慢并且溫度較低的情況下，熔化金屬和熔渣所得到的熱量不足，使其流動性降低，而熔化金屬凝固速度快，熔渣來不及浮出；二是金屬焊條通常分為酸性焊條和堿性焊條，不同的焊條類型對電流的要求不盡相同，如果在電流調(diào)節(jié)上不規(guī)范合理的話，特別是使用堿性焊條時，若熔渣未除凈，就更容易產(chǎn)生夾渣；三是由于壓力管道的結(jié)構(gòu)特殊性，很多壓力管道焊接接頭采取雙層或是多層結(jié)構(gòu)，在多層焊接時如果未對每層焊接表面進(jìn)行及時徹底的清理，助焊劑或是殘余物就會遺留在焊縫處而形成夾渣。

3.2 氣孔

出現(xiàn)氣孔的原因主要是焊接材料經(jīng)焊弧加熱而逐漸融化成為一種池狀的熔融物，存在于其中的氣體在這些熔融物冷卻凝固之前沒有及時排出，這些氣體就會留在焊縫之中，并在其中產(chǎn)生空洞，或者有其他一些途徑形成焊接氣孔。這些焊接氣孔中主要的氣體是H2或者CO[3]。針對存在焊接氣孔的部位，通常情況下，均具有銹蝕痕跡或污染痕跡。焊接氣孔產(chǎn)生的物理因素通常是由于焊條未能完全烘干，因焊弧熱而熔化成池狀的母材部分的冷卻速度高于預(yù)期導(dǎo)致殘留氣體來不及逸出。通常來講，焊接氣孔大部分散布于焊縫接近管道表面部位，同樣屬于導(dǎo)致壓力管道外表面裂紋出現(xiàn)的關(guān)鍵因素。

3.3 未焊透或未熔合

焊工焊接技術(shù)不熟練是主要原因。如，選用焊接電流過大時母材還未熔化，焊條已熔化，導(dǎo)致母材與焊條熔敷金屬未熔合在一起；當(dāng)選用過小電流時，運條的速度過快，使母材與焊條的熔敷金屬未能很好地熔合；或是在焊接時焊條的角度不正確，熔池偏向一側(cè)或焊接時產(chǎn)生偏吹現(xiàn)象，都會在電弧作用不到之處形成未焊透或者未熔合。在進(jìn)行實際焊接的時候，還通常因為焊接人員沒有完全按照施工的要求進(jìn)行操作，出現(xiàn)了違反工藝參數(shù)施工的情況，這樣就導(dǎo)致了普遍未焊透、未熔合情況的發(fā)生，在對這些現(xiàn)象進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)原因之一是管口形狀不規(guī)則[4]。

3.4 裂紋

不同類型的裂紋產(chǎn)生機(jī)理也各不相同。熱裂紋是母材在焊接過程中，焊縫金屬因熱脹冷縮發(fā)生變化，但焊縫周邊的冷態(tài)金屬部分變化幅度較小，對膨脹部分產(chǎn)生約束作用，焊縫在周邊熱區(qū)的影響下出現(xiàn)壓縮應(yīng)力，并隨著焊接時間的延長、熱點不斷前移，整個焊接接頭溫度下降不一致，焊縫金屬收縮速度不同步，因此產(chǎn)生熱裂紋。而冷裂紋是焊接接頭冷卻到馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，即Ms線附近，在氫、殘余應(yīng)力以及淬硬組織的共同作用下產(chǎn)生的。冷裂紋具有延遲性，容易造成重大危害。

4 解決壓力管道焊接缺陷的對策

4.1 針對錯邊或偏心的解決方法

在進(jìn)行焊接工作的時候，出現(xiàn)錯邊或偏心現(xiàn)象是很常見的事情，但要盡可能避免錯邊、偏心現(xiàn)象的發(fā)生。在實際操作時需要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)和工藝的要求進(jìn)行施工，主要是施焊前定位及組對的工藝和方法的實用性，并對施工過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行控制和改進(jìn)，盡可能將這些問題控制在能夠進(jìn)行調(diào)整或者校準(zhǔn)的范圍內(nèi)。

4.2 壓力管道焊接表面的氣孔和夾渣控制

在實際的壓力管道焊接工作中，焊接表面時常會出現(xiàn)一些夾渣或者氣孔缺陷，這些問題都會影響焊接接頭的質(zhì)量，在施焊過程中要針對其產(chǎn)生原因做針對性檢查，并在焊接完成后對整個接頭進(jìn)行焊后檢查，這是非常重要的工作環(huán)節(jié)。對那些存在比較嚴(yán)重問題的接頭進(jìn)行重新焊接，保證焊接的高質(zhì)量完成[5]。只有高的質(zhì)量才能保證管道有良好的使用效果，這直接關(guān)系到管道運輸?shù)陌踩浴?/p>

4.3 未焊透或未熔合的質(zhì)量控制

在進(jìn)行焊接的時候，應(yīng)該嚴(yán)格按照已評定合格的WPQ所編寫的WPS，制定的WWI進(jìn)行焊接，在根部、坡口或者層間以及焊縫其他的位置出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象時，經(jīng)無損檢測發(fā)現(xiàn)問題后立即進(jìn)行針對性補(bǔ)救，這樣才能夠保證工程的有效質(zhì)量，在日后的使用中才能夠保障安全。

目前，解決這個問題最有效的方式就是補(bǔ)焊，在進(jìn)行補(bǔ)焊時一定要對整個過程嚴(yán)格把控，從缺陷的消除到補(bǔ)焊的工藝，如果再次產(chǎn)生相同缺陷，應(yīng)考慮是否需要更換焊接工藝。在進(jìn)行焊接的時候發(fā)現(xiàn)規(guī)定范圍內(nèi)允許的未焊透現(xiàn)象，根據(jù)規(guī)定是不需要進(jìn)行返修的。

4.4 裂紋

裂紋對壓力管道而言是最為危險的一種缺陷，會對管道的使用產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。一般分為以下幾種情況：第一，如果是表面淺層的裂紋可以采用打磨消除的方式來解決；第二，如果出現(xiàn)的裂紋在打磨后形成的凹坑長度或者深度超過了規(guī)定的范圍值，那就需要使用補(bǔ)焊來處理；第三，如果在使用中發(fā)現(xiàn)有嚴(yán)重危害管道安全運行的裂紋出現(xiàn)，就需要將該道焊縫完全清除后，重新采用合格工藝進(jìn)行焊接。如果條件允許，有一些在使用中未對管道安全造成危害的微小裂紋可以暫不進(jìn)行處理，這樣就能夠?qū)α鸭y出現(xiàn)和發(fā)展的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)研究，并且將其趨勢進(jìn)行記錄，在日后的工作中防止類似情況的發(fā)生。

5 結(jié)束語

綜上所述，在對壓力管道進(jìn)行焊接作業(yè)時會遇到多種多樣的焊接環(huán)境和技術(shù)問題，不僅要在地面或坑底工作，更可能會出現(xiàn)高空作業(yè)的情況，但是，保證高的焊接質(zhì)量是焊接工作的第一要求。在管道的焊接工作中，每一環(huán)的工作都與下一環(huán)息息相關(guān)，任意一環(huán)出現(xiàn)問題，都會對整體工作的完成度和安全質(zhì)量造成影響，對特殊壓力管道焊接時更為明顯，其焊接質(zhì)量會對工程安全、國家財產(chǎn)甚至是人民生命和財產(chǎn)相掛鉤。因此，相關(guān)工作人員特別是焊接作業(yè)人員在施工過程中要做到嚴(yán)格控制和管理，制定針對性策略，保證壓力管道焊接工作的質(zhì)量。