李 朋

(安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院，安徽 合肥 230051)

近年來(lái)，我國(guó)的天然氣管道建設(shè)如火如荼，天然氣輸送用管線鋼級(jí)也從起初的X60迅速提高到了X80，2005年我國(guó)首次開始使用X80級(jí)管線鋼[1]。X80管線鋼的最小屈服強(qiáng)度為555MPa，材料強(qiáng)度高，焊接性較差。焊接時(shí)容易產(chǎn)生諸多缺陷，特別是容易出現(xiàn)裂紋，對(duì)工程質(zhì)量有很大危害。只有通過(guò)不斷地總結(jié)分析，找出導(dǎo)致焊接接頭缺陷產(chǎn)生的諸多因素，才能更好的指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。

某西氣東輸管線工程，管道規(guī)格為φ1219×22、φ1219×18，材質(zhì)為API 5L X80，焊接完成經(jīng)過(guò)射線檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)有很多焊接接頭存在未熔合、氣孔甚至裂紋缺陷，對(duì)工程進(jìn)度和焊接質(zhì)量造成了不小的影響。本文通過(guò)對(duì)照射線底片上缺陷的位置，對(duì)該工程中如此頻繁的出現(xiàn)此三類缺陷的原因，從人機(jī)料法環(huán)五個(gè)方面進(jìn)行了分析總結(jié)。

1 X80管線鋼的焊接工藝

經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定，該工程所選用的焊接工藝如下：焊接方法為GMAW根焊、FCAW填充和蓋面；預(yù)熱溫度100～200℃，預(yù)熱方法是火焰加熱，加熱寬度是坡口兩側(cè)各50 mm；根焊GMAW選用的ER70S-G、ER70C-6M、 E80C-Ni1焊絲，填充和蓋面FCAW填充選用的E81T8-Ni2、E81T8-G焊絲；GMAW保護(hù)氣體是80%Ar和20%CO2；單絲填充，根據(jù)焊縫坡口寬度，允許多道焊；焊槍運(yùn)作方式是鋸齒形或者月牙形橫向擺動(dòng)；焊后熱處理無(wú)要求。

2 焊接接頭缺陷

焊接接頭的射線檢測(cè)采用單壁單影的透照方式，經(jīng)過(guò)對(duì)底片進(jìn)行評(píng)定，以下三類缺陷的出現(xiàn)比較頻繁：未融合、氣孔、裂紋。尤其是裂紋，返修的焊接接頭中頻繁出現(xiàn)此類缺陷。

2.1 未融合

未熔合是一種面積型缺陷，坡口側(cè)未熔合和根部未熔合會(huì)明顯減小焊接接頭承載截面積，應(yīng)力集中比較嚴(yán)重，其危害性僅次于裂紋。本工程中頻繁出現(xiàn)的未融合類型如圖1～4所示。

圖1 未融合1

圖2 未融合2

圖3 未融合3

圖4 未融合4

由圖分析可知圖1～3為接近焊縫表面的坡口未融合，圖4為根部未熔合。未融合缺陷的出現(xiàn)如此頻繁，從人機(jī)料法環(huán)幾個(gè)方面分析，焊接工藝經(jīng)過(guò)若干工程的驗(yàn)證，工藝參數(shù)已然很成熟，所以具體原因在于人、機(jī)環(huán)節(jié)上。焊工沒有按照正確的焊接工藝作業(yè)指導(dǎo)書焊接，為了加快焊接速度，擅自提高電流。在長(zhǎng)輸管道焊接現(xiàn)場(chǎng)，此類現(xiàn)象屢見不鮮，工藝規(guī)程上的電流參數(shù)只是一個(gè)范圍，焊工通常都會(huì)選擇最高的電流參數(shù)，以提高焊條、焊絲的熔化速度，達(dá)到提高焊接速度的目的，從而導(dǎo)致熔化的金屬未能充分流動(dòng)就已凝固，出現(xiàn)未融合缺陷。此外，焊接前坡口未清潔干凈、存在雜質(zhì)或油污，焊接時(shí)焊槍沒有充分?jǐn)[動(dòng)、電弧指向偏斜、焊接位置有死角，也會(huì)導(dǎo)致未融合缺陷。此類原因?qū)е碌奈慈诤吓既恍暂^大，不會(huì)大批量存在。機(jī)具方面考慮的話，焊機(jī)電性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致焊接時(shí)熱輸入高低變化，焊絲未能充分熔化流動(dòng)就已凝固。

2.2 氣孔

圖5 條孔1

圖6 條孔2

圖5、圖6所示條孔缺陷位于焊縫的中間。該類缺陷的出現(xiàn)，根本原因是焊接過(guò)程中，焊接本身產(chǎn)生的氣體或外部氣體進(jìn)入熔池，在熔池凝固前沒有來(lái)得及溢出熔池而殘留在焊縫中。如果某一個(gè)焊工在完成的焊口中多次出現(xiàn)此類缺陷，而其他焊工沒有。那排除掉機(jī)、料、法、環(huán)的因素，就是人的操作出現(xiàn)的問(wèn)題。焊接過(guò)程中，焊接速度過(guò)快、焊前焊件周圍未充分清理干凈、焊接時(shí)未采用短弧焊接，都會(huì)導(dǎo)致氣體進(jìn)入熔池形成氣孔缺陷。此類缺陷如果是焊工完成焊口的共性問(wèn)題，那就是料、法、環(huán)的問(wèn)題了。焊材未清理干凈，存在油污雜質(zhì)；焊接線能量過(guò)大，熔池凝固速度太快；焊接施工環(huán)境溫度低，有風(fēng)時(shí)未搭設(shè)防風(fēng)設(shè)施，管子焊接有穿堂風(fēng)。底片上氣孔顏色不均勻，具有一定的方向性，平行于焊縫。從形態(tài)上可以得出，此類缺陷很可能是由于焊工焊接電流過(guò)大、焊接速度過(guò)快引起的。

2.3 裂紋

由射線底片(圖7、圖8)可見，該類缺陷位于焊縫的根部熔合區(qū)附近，沿焊接方向伸展。通常該裂紋缺陷和底片上根部的熔合線會(huì)纏繞在一起，在底片靈敏度低、黑度不足的情況下很可能會(huì)漏檢。X80鋼的小鐵研試驗(yàn)證實(shí)根部裂紋主要出現(xiàn)在焊接接頭熔合區(qū)附近，屬于穿晶裂紋，是典型的焊接冷裂紋[2]。由于冷裂紋一般受組織淬硬性、焊接接頭殘余應(yīng)力、焊縫金屬擴(kuò)散氫含量三個(gè)因素影響。我們可以從人機(jī)料法環(huán)五個(gè)方面出發(fā)，對(duì)這三個(gè)因素進(jìn)行控制并采取相應(yīng)措施，降低冷裂紋出現(xiàn)的可能性，提高焊接接接頭的質(zhì)量。

控制組織淬硬性、焊接接頭殘余應(yīng)力、氫含量，可以從料和法上兩個(gè)方面出發(fā)。在選材上，對(duì)于焊材和母材的匹配，在強(qiáng)度設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，盡量不選擇用高強(qiáng)匹配。因?yàn)楦邚?qiáng)匹配的焊接接頭淬硬傾向會(huì)加大，熔合區(qū)組織晶粒韌性較低，從而導(dǎo)致熔合區(qū)易出現(xiàn)焊后冷裂紋。工藝上，由于在X80鋼現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，采用了自保護(hù)藥芯焊絲等含氫量高的焊材，如果焊接電流大，冷卻速度又快，晶粒就會(huì)長(zhǎng)大嚴(yán)重，如果冷卻速度慢，又會(huì)導(dǎo)致焊縫脆化，嚴(yán)重影響焊接接頭的性能。從防止冷裂紋出發(fā),要求冷卻速度慢為最佳,但對(duì)于脆化來(lái)說(shuō),卻要求冷卻快較好，因此為了兼顧兩者的冷卻速度范圍。焊接時(shí)可以采取小電流、快速焊、多層多道焊的工藝達(dá)到防止冷裂紋和脆化的目的。除此之外，焊前預(yù)熱一定要嚴(yán)格執(zhí)行。研究表明，焊前對(duì)母材進(jìn)行一定的預(yù)熱，可以有效的改善熔合區(qū)的組織性能和組織應(yīng)力及降低管道組對(duì)時(shí)的拘束應(yīng)力。同時(shí)焊前對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，氫在焊接接頭中擴(kuò)散的速度會(huì)明顯加快，在焊縫金屬中的殘留的氫濃度也會(huì)下降。因?yàn)轭A(yù)熱情況下焊接， 焊接接頭冷卻速度減慢，預(yù)熱溫度越高，冷卻越緩慢，擴(kuò)散氫逸出時(shí)間越長(zhǎng)，大量的擴(kuò)散氫會(huì)通過(guò)加速擴(kuò)散而逸出[2]，從而降低冷裂紋的敏感性。

圖7 裂紋1

圖8 裂紋2

3 小結(jié)

人機(jī)料法環(huán)是對(duì)全面質(zhì)量管理理論中的五個(gè)影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要因素。在產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，肯定是這五個(gè)方面中的某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)了問(wèn)題。通過(guò)對(duì)本工程X80鋼焊接過(guò)程中頻繁出現(xiàn)的缺陷分析，人的因素至關(guān)重要。焊接過(guò)程中，未嚴(yán)格按照工藝規(guī)程操作，包括焊前準(zhǔn)備不全、焊前清理不認(rèn)真、焊接工藝參數(shù)執(zhí)行不到位、焊接機(jī)具未焊前檢查、焊接過(guò)程中責(zé)任心不強(qiáng)等。無(wú)論是配備怎樣的機(jī)具、選用怎樣的材料、制定怎樣的工藝、注意怎樣的環(huán)境，最終還是要由人去實(shí)現(xiàn)、去付諸實(shí)施。人的因素至關(guān)重要。機(jī)料法環(huán)的環(huán)節(jié)是宏觀可控的，人的因素不可控。所以，要從提高人的認(rèn)識(shí)、人的水平、人的責(zé)任心上出發(fā)，控制好人的因素，再去修正其他因素才能從根本上控制好X80鋼的焊接質(zhì)量。