張 娜 張 寧 陳 潔 劉建濤

（河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 河北唐山 063000）

1 前言

隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,焊管在建筑給排水工程中的應(yīng)用已占主導(dǎo)地位。在施工過程中,人們廣泛使用卡箍式(又稱溝槽式)連接方式，即用滾槽機(jī)在鋼管周圍開出標(biāo)準(zhǔn)深度的凹槽，再用帶有密封橡膠圈的卡箍件將2 段鋼管緊密連接在一起。相對于絲接、法蘭連接，卡箍式連接省去了螺紋加工或焊接的麻煩，操作簡單，施工迅速，安全環(huán)保，維修方便，已成為流體輸送管道連接的首推技術(shù)。在管道滾槽加工過程中，容易出現(xiàn)開裂問題，給管道安全施工與運(yùn)行造成了巨大損失。

2 概述

某企業(yè)生產(chǎn)的熱鍍鋅焊接鋼管（以下簡稱“管”），主要用于流體輸送管道，管道連接采用溝槽連接方式。下游客戶反饋，管有壓槽開裂現(xiàn)象。取3個開裂管樣品進(jìn)行原因分析發(fā)現(xiàn)，開裂部位集中在焊縫位置。樣品編號 1#、2#、3#，見圖1。樣品規(guī)格型號為：1#，DN150×3.95,Q215B；2#，DN150×3.95,Q215B；3#，DN150×4.25，Q195。

圖1 開裂管樣品

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，管的生產(chǎn)工藝流程如下：鋼帶→裁邊→卷曲→高頻焊→切焊線→水冷→定尺→酸洗（鹽酸+緩蝕劑）→清水沖洗→溶劑浸洗助鍍→烘干→熱鍍→冷卻→鈍化→出廠。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3.1 取樣

在管基體部位截取化學(xué)成分檢測用樣品。在焊縫位置截取橫向、縱向2 塊樣品，用于顯微組織檢測和焊縫熔合線檢測。將管開裂部位壓扁打開后，截取斷口觀測試樣。

3.2 化學(xué)成分檢測

使用斯派克LAB M10 型直讀光譜儀，依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》標(biāo)準(zhǔn)，對3個管化學(xué)樣品進(jìn)行化學(xué)成分檢測，并計算Mn/Si 比、Mn/S 比、碳當(dāng)量 CE，結(jié)果詳見表1。其中，3 個樣品5 元素檢測結(jié)果均符合GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對Q215B、Q195 牌號的要求。

表1 化學(xué)成分檢測結(jié)果（%）

3.3 斷口形貌觀測

對3 個斷口試樣進(jìn)行超聲清洗后，使用蔡司EVO MA15 型掃描電鏡觀測斷口形貌。3 個斷口樣品整體形貌相似，均為朽木狀條帶斷口，基體為韌性斷裂，局部呈現(xiàn)脆性解理斷口特征，如圖2～圖4所示。斷面上有較多的顯微氣孔及微裂紋存在。顯微孔洞呈現(xiàn)喇叭狀，內(nèi)有光滑自由的表面，孔壁呈現(xiàn)波紋狀特征[1]，如圖4～圖6所示。

3.4 顯微組織檢測

檢測設(shè)備：蔡司Axio Obser 倒置生物型顯微鏡。檢測依據(jù)：GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。經(jīng)研磨、拋光、4%硝酸酒精腐蝕后，對3 個樣品切向縱截面進(jìn)行顯微組織檢測。

1#樣品焊縫兩側(cè)顯微組織不對稱，一側(cè)組織粗大有魏氏組織，另一側(cè)組織較細(xì)小，且焊縫有未焊合現(xiàn)象，見圖7～圖8；2#樣品焊縫兩側(cè)金相組織比較對稱，發(fā)現(xiàn)有魏氏組織，且焊口附近發(fā)現(xiàn)與焊縫成一定角度的微裂紋，見圖9～圖11；3#樣品焊縫兩側(cè)金相組織比較對稱，焊口位置有魏氏組織，見圖12～圖13。

圖2 朽木狀條帶斷口

圖3 局部解理斷口

圖4 基體韌性斷裂，有較多的顯微氣孔

圖5 斷面微裂紋

圖6 喇叭狀孔洞孔內(nèi)壁波紋狀特征

圖7 樣品1#焊縫顯微組織

圖8 樣品1#魏氏組織

圖9 樣品2#焊縫顯微組織

3.5 焊縫熔合線夾雜物檢測

檢測設(shè)備：蔡司Axio Observer 倒置生物型顯微鏡。檢測依據(jù)：GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。經(jīng)研磨、拋光后，對焊縫夾雜物進(jìn)行檢測，檢測方向?yàn)楹缚p位置外壁一側(cè)切向縱截面。檢測結(jié)果顯示，3 個樣品焊縫位置均有不同程度的夾雜物聚集的現(xiàn)象，見圖14～16。

3.6 焊縫金屬流線檢驗(yàn)

檢測設(shè)備：蔡司Axio Observer 倒置生物型顯微鏡。檢測依據(jù)：GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。經(jīng)研磨、拋光、苦味酸+洗滌劑熱浸腐蝕后，對焊縫金屬流線進(jìn)行檢測。檢測方向?yàn)楹缚p橫截面，并在1/4 壁厚處測量上升角，檢測結(jié)果見表2。檢測發(fā)現(xiàn)3 個樣品均存在不同程度的鉤狀偏析，見圖17～圖22。

圖10 樣品2#魏氏組織

圖11 樣品2#焊口附近微裂紋

圖12 樣品3#焊縫顯微組織

圖13 樣品3#魏氏組織

圖14 樣品1#夾雜物在焊縫聚集

圖15 樣品2#夾雜物在焊縫聚集

圖16 樣品3#夾雜物在焊縫聚集

表2 焊縫金屬流線角(°)

圖17 樣品1#內(nèi)壁焊縫金屬流線

圖18 樣品1#外壁焊縫金屬流線

圖19 樣品2#內(nèi)壁焊縫金屬流線

圖20 樣品2#外壁焊縫金屬流線

圖21 樣品3#內(nèi)壁焊縫金屬流線

圖22 樣品3#外壁焊縫金屬流線

3.7 焊縫熔合線寬度檢驗(yàn)

檢測設(shè)備：蔡司Axio Observer 倒置生物型顯微鏡。檢測依據(jù)：GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》。經(jīng)研磨、拋光、苦味酸+洗滌劑熱浸腐蝕后，對焊縫熔合線寬度進(jìn)行檢測。檢測方向?yàn)楹缚p橫截面，檢測位置為1/2 壁厚處，檢測結(jié)果如圖23～圖25所示，檢測數(shù)據(jù)見表3。

4 結(jié)果分析及討論

綜合以上檢測結(jié)果，開裂管斷口形貌呈現(xiàn)氫致開裂特征。焊縫位置存在夾雜、偏析、魏氏組織、未焊合等多種缺陷。氫容易在這些缺陷處聚集，當(dāng)局部氫濃度達(dá)到臨界值時，就會在缺陷處產(chǎn)生微裂紋。在焊縫殘余應(yīng)力和壓槽時，在焊縫的剪切拉應(yīng)力綜合作用下，最終引起氫致延遲性開裂。下面從以下幾個方面綜合分析管壓槽開裂的原因：

表3 焊縫熔合線寬度（μm）

圖23 樣品1#中心熔合線寬度

圖24 樣品2#中心熔合線寬度

圖25 樣品3#中心熔合線寬度

4.1 氫來源分析

根據(jù)管的工藝過程，氫來源主要有以下方面。

4.1.1 焊接過程

焊接可視為一種局部的冶煉過程，包括焊縫金屬的熔化和凝固。焊管焊接時有噴水冷卻，冷卻水直接澆到鋼帶邊緣上，水汽中的氫容易進(jìn)入熔池，尤其高溫下（約焊接溫度1 500℃），氣體氫更容易分離成原子氫而滲入焊縫金屬[2]。

4.1.2 酸洗過程

酸洗工序洗劑為鹽酸，出酸后有兩道水洗。在酸洗過程中，由于酸濃度、溫度的影響，在氧化鐵皮被溶解的同時，鋼管基體也發(fā)生反應(yīng)。其陰極反應(yīng)是析氫反應(yīng)，故，氫原子能夠進(jìn)入金屬，尤其鹽酸屬強(qiáng)還原性酸，酸洗過程能夠吸收較高的氫量。

4.1.3 烘干過程

在烘干工序過程中，如果焊管上的水不能有效干透，那么，管基體中因酸洗而產(chǎn)生的氫就不能充分排出去，從而增加氫致開裂傾向。

4.2 焊縫質(zhì)量分析

4.2.1 焊縫顯微組織分析

3 個樣品的顯微組織檢測結(jié)果顯示：焊縫區(qū)域有魏氏組織、焊縫兩側(cè)組織不對稱、未焊合、焊縫附近位置有微裂紋等缺陷。

魏氏組織的存在，會使鋼的力學(xué)性能尤其是塑性和沖擊韌性顯著降低。一般來講，魏氏組織的產(chǎn)生主要與鋼中含碳量、奧氏體晶粒大小及冷卻速度有關(guān)[3]。在本文中，主要是由于焊縫區(qū)域由高溫通過水冷，速度較快的冷卻下來，造成焊縫位置出現(xiàn)魏氏組織。

出現(xiàn)焊縫兩側(cè)組織不對稱的原因主要是：擠壓輥、導(dǎo)向輥存在不對稱或是偏離軋制中線的現(xiàn)象；或是鋼帶寬度公差較大，S 彎、鐮刀彎等缺陷比較嚴(yán)重。

焊縫附近位置的微裂紋，主要原因是在焊口附近存在焊接殘余應(yīng)力，氫在應(yīng)力作用下，在此處釋放形成微裂紋。

焊縫未焊合主要是焊接中氧化物大量產(chǎn)生后，由于擠壓力不足形成未焊合，少量則會以片狀或鏈狀存在。

4.2.2 焊縫熔合線分析

熔合線形態(tài)與焊接輸入能量的高低、焊接壓力的大小、焊接速度等參數(shù)關(guān)系密切，是衡量焊縫質(zhì)量的重要標(biāo)志[4]。

對熔合線寬度而言，有資料顯示，通常20～140 μm作為合格的標(biāo)準(zhǔn)范圍，把 10～20 μm 和 140～170 μm作為警告范圍[5]，其余為不合格范圍。按照該評定標(biāo)準(zhǔn)，3 個樣品中，有2 個樣品該項(xiàng)不合格，1 個樣品合格。不合格數(shù)據(jù)均是大于上限值，即熔合線粗大。粗大熔合線多是焊接溫度偏高、擠壓力不足所引起。

夾雜物檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，3 個樣品中焊縫位置均發(fā)現(xiàn)夾雜物聚集的現(xiàn)象，焊縫的夾雜物是影響強(qiáng)度和韌性的重要因素，常成為裂紋源。

綜合以上熔合線檢測結(jié)果，可以推測，焊接過程中存在焊接溫度偏高，擠壓力偏小或板邊平行度不好的現(xiàn)象，導(dǎo)致上述問題的發(fā)生。

4.2.3 金屬流線分析

金屬流線是在高溫條件下，局部熔化或半熔化的金屬，在擠壓力作用下所形成的一種特殊形狀的結(jié)晶組織，也是一種焊接壓力大小與方向、線能量與焊接速度的綜合體現(xiàn)[6]。

有資料顯示，流線角的評定標(biāo)準(zhǔn)可以遵循以下標(biāo)準(zhǔn)：

標(biāo)準(zhǔn)值：45°～75°，極差≤10°；

警告值：40°～45°或 75°～80°，極差 10°～15°；

禁止值：＜40°或＞80°，極差≥15°。

按照以上標(biāo)準(zhǔn)，3 個檢驗(yàn)樣品中，內(nèi)壁流線角均在可接受范圍內(nèi)，但是外壁流線角不合格率100%，極差不合格率100%。

由此可見，焊接過程中內(nèi)外壁流線角不對稱的問題比較嚴(yán)重。出現(xiàn)此問題主要由于板邊平行度控制不好，出現(xiàn)“V”字形。在該對接方式下，管內(nèi)壁比外壁要先接觸，電流密度、加熱溫度均高于外壁，造成內(nèi)外壁焊接溫度差異較大，外壁擠壓力不足。從而出現(xiàn)外壁金屬流線角偏小，焊縫夾雜物熔融金屬和氧化物擠出不足，焊縫夾雜物偏多聚集，甚至未焊合等現(xiàn)象。這些缺陷破壞了焊縫強(qiáng)度，容易成為氫聚集區(qū)，形成裂紋源或成為加速裂紋擴(kuò)展的通道。

4.3 原材材質(zhì)分析

化學(xué)成分檢測結(jié)果顯示，碳當(dāng)量為0.10%～0.23%，整體處于易焊區(qū)（0.1%～0.12%）和可焊區(qū)（0.12%～0.49%），維持在比較低的水平，反應(yīng)整體材質(zhì)焊接性良好。

3 個樣品 Mn/Si 比為 1.24～1.94，處于較低水平，焊縫裂紋傾向增大。有資料顯示：提高M(jìn)n/Si 比有助于降低焊縫開裂。當(dāng)Mn/Si 比為3～4 時，焊縫夾雜物裂紋指數(shù)明顯下降；當(dāng)Mn/Si 比大于5 時，夾雜物裂紋指數(shù)處于穩(wěn)定的低水平[7]。在高頻加熱過程中，金屬中的 Mn、Si 與 FeO 發(fā)生反應(yīng)生成 MnO 和 SiO2[8]。MnO 與 SiO2發(fā)生反應(yīng)生成 MnO-SiO2，該氧化物熔點(diǎn)為1 270℃，容易從焊縫中排出。如果Mn/Si 比較低，SiO2與 MnO 發(fā)生反應(yīng)后，仍有部分 SiO2剩余，而SiO2為高熔點(diǎn)氧化物（熔點(diǎn)1 713℃），不容易從焊縫排出。

元素S 屬于鋼中雜質(zhì)元素，使得鋼材明顯變脆，嚴(yán)重影響鋼材的力學(xué)性能和工藝性能[9]。而元素Mn與S 的親和力大于Fe，可與S 形成高熔點(diǎn)的MnS，降低FeS 在晶體間的析出率，從而減少鋼材熱脆性，降低鋼材裂紋傾向。有資料介紹，Mn/S 比以大于25為宜[10]。本文中 3 個樣品的 Mn/S 比為 8.04～15.10，鋼材裂紋傾向較高。

5 結(jié)語

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

（1）焊管在高頻焊接、酸洗過程中，氫滲入基體。這是由于鋼管焊縫位置存在夾雜、魏氏組織、未焊合等多種缺陷。氫在缺陷處聚集，達(dá)到臨界值時產(chǎn)生微裂紋。在焊縫殘余應(yīng)力和壓槽時對焊縫的剪切拉應(yīng)力綜合作用下，導(dǎo)致氫制延遲開裂。

（2）氫的來源主要是焊接過程、酸洗水洗過程及烘干過程的不徹底。

（3）由于“V”形對接焊接，擠壓輥、導(dǎo)向輥不對稱或是偏離軋制中線等焊接工藝問題，導(dǎo)致焊縫質(zhì)量不佳。焊縫區(qū)域存在魏氏組織、焊縫兩側(cè)組織不同、熔合線粗大、熔合線夾雜物聚集、未焊合、外壁熔合線流線角偏小、內(nèi)外壁流線角極差大等缺欠。

（4）原材料化學(xué)成分中Mn/Si 和Mn/S 的比值是影響焊管開裂率的重要指標(biāo)。