華金四 唐元生 馬志才

中石化第十建設(shè)有限公司 山東青島 266555

國家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲運(yùn)有限公司某輸油站遷建工程站場安裝工程施工第三標(biāo)段共計(jì)8 臺5 萬m3原油儲罐，編號為T1- 8# ，分別由中石化某油建公司和中石化第十建設(shè)有限公司（以下簡稱十公司）建設(shè)。其中十公司承建T5- 8# 儲罐，該儲罐為單盤內(nèi)浮頂結(jié)構(gòu)，上有穹頂，單臺質(zhì)量約為1258.4t，油罐內(nèi)徑60000mm，罐壁高度20000mm。單臺儲罐共計(jì)有8 帶板，第1—5 帶板型號為Q345R, 規(guī)格為H2420mm，厚度分別為32、27、23、19.5、15mm；第6—8 帶板型號為Q235B，規(guī)格為H2340×δ12mm。

為了提高組裝和焊接效率，壁板立縫采用氣電立焊，環(huán)縫采用埋弧橫焊，排版圖見圖1。

圖1 5 萬m3 原油儲罐壁板排版圖

1 裂紋的發(fā)現(xiàn)

按照標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件規(guī)定，編號為B1 的儲罐第一帶板環(huán)縫和其他丁字焊縫進(jìn)行RT 檢測。為了提高施工進(jìn)度，業(yè)主經(jīng)過研討，擬采用TOFT 檢測，同時采用PAUT相共陣進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果在相共振圖譜中發(fā)現(xiàn)，8 臺儲罐AB1 環(huán)縫（第1 帶板環(huán)縫）內(nèi)側(cè)環(huán)橫縫均不同程度出現(xiàn)了多處疑似裂紋缺陷，導(dǎo)致儲罐建設(shè)進(jìn)度嚴(yán)重滯后。

該項(xiàng)目儲罐縱縫編號A1、環(huán)縫編號B1，由于儲罐壁板施工焊接周期較短，8 臺儲罐的無損檢測基本在焊后15d 之后陸續(xù)進(jìn)行。焊縫檢測項(xiàng)目分別使用RT、TOFD、PAUT 方法，RT 均未檢測出明顯的表面缺陷，而使用PAUT 對TOFD 圖譜可疑部位進(jìn)行檢測時，發(fā)現(xiàn)儲罐壁板B1 環(huán)縫不同程度地出現(xiàn)了疑似表面裂紋（圖2）。經(jīng)現(xiàn)場檢查，表面裂紋深度一般在1～3mm 左右，部分裂紋打磨至3～5mm 后消失。

圖2 儲罐B1 環(huán)焊縫內(nèi)側(cè)裂紋

2 現(xiàn)場施工情況檢查和調(diào)查

（1）現(xiàn)場對T- 05 罐實(shí)地觀察，發(fā)現(xiàn)儲罐內(nèi)部焊縫由于安裝浮頂，已全部修磨。對應(yīng)的儲罐外側(cè)焊縫外觀成型良好（圖3），蓋面焊縫為橫焊縫3 道，排布均勻，沒有層道間夾溝現(xiàn)象，層道間焊縫錯開均大于100mm。因此判斷焊工技能操作水平良好，工藝參數(shù)執(zhí)行良好，基本不存在不規(guī)范執(zhí)行焊接工藝的情況。

圖3 儲罐B1 環(huán)焊縫外側(cè)焊縫成型

（2）檢查現(xiàn)場橫焊焊機(jī)設(shè)備情況，設(shè)備均進(jìn)行報(bào)驗(yàn)，且運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)良好，合格證等資料完整。

（3）儲罐施工鋼板為甲供材料，由湛江寶鋼鋼鐵有限公司生產(chǎn)，質(zhì)保書齊全且均已進(jìn)行報(bào)驗(yàn)，預(yù)制和安裝過程中未發(fā)現(xiàn)表面缺陷。第一帶、第二帶鋼板材質(zhì)型號為Q345R，鋼板厚度分別為3mm、27mm，共計(jì)11 批次鋼板。

（4）對焊接焊材進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)橫焊埋弧焊焊材品牌為四川大西洋，B1 環(huán)縫采用CHW- S3CG CHF71H牌號焊材。施工過程中，十公司嚴(yán)格按照焊材管理要求進(jìn)行焊材管理，現(xiàn)場對焊材發(fā)放記錄和焊材烘干記錄進(jìn)行了檢查，均符合焊材發(fā)放的管理要求。

（5）對焊工資質(zhì)、儲罐焊接記錄進(jìn)行檢查，焊工資質(zhì)符合工藝要求，焊接記錄符合要求?，F(xiàn)場對儲罐橫焊焊工進(jìn)行了詢問，焊工反映，施工中使用的大西洋焊劑不易清渣。焊工反饋，B1 環(huán)焊縫先焊內(nèi)側(cè)焊縫，隨后外部焊縫清根，清根合格后進(jìn)行外側(cè)的焊接。焊接時內(nèi)環(huán)坡口焊縫3層6 道、外環(huán)坡口清根后焊縫焊接3 層6 道。焊接參數(shù)電流在480A、電壓32V 左右，包括焊接速度都保持在焊接工藝規(guī)程范圍內(nèi)，焊接工藝和勞動紀(jì)律符合要求。圖4 為儲罐B1 環(huán)焊縫焊接工藝示意圖。

圖4 儲罐B1 環(huán)焊縫焊接工藝示意圖

（6）B1 環(huán)縫施工過程中，最高溫度為23℃，最低溫度為11℃。其中2d 有小陣雨，均按照項(xiàng)目業(yè)主的要求停工，符合施工條件，不存在雨天施工違規(guī)操作的問題。

（7） 對編號T- 05 儲罐的焊縫標(biāo)號T5- B1- 008-（29～31#）、焊縫標(biāo)號T5- B1- 008-（25～27#）兩條裂紋進(jìn)行標(biāo)識，14h 后進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)2 條裂紋均沒有延伸。

（8）對T- 05 罐第一圈鋼板、B1 環(huán)焊縫及B1 熔合區(qū)硬度進(jìn)行檢測，其中鋼板表面檢測51 處，最高硬度HB195；B1 環(huán)焊縫硬度檢測50 處，最高硬度HB138；B1熔合區(qū)硬度檢測51 處，最高硬度HB141，均未出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

（9）分別對第二帶鋼板編號為B2 及以上5 道焊縫外觀進(jìn)行全面檢查，對疑似表面缺陷部位進(jìn)行打磨和外觀檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

（10）十公司組織施工、探傷人員對T- 06 罐疑似裂紋缺陷位置進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，共復(fù)位檢查8 處，確認(rèn)2 處為表面裂紋缺陷，長度分別為100mm 和30mm，位置在環(huán)縫下部熔合線。同時對A2、B2 外觀檢查疑似部位9 處，進(jìn)行打磨PT 檢測，均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

3 原因分析

裂紋出現(xiàn)在儲罐環(huán)焊縫編號B1 內(nèi)側(cè)焊縫（圖5），經(jīng)現(xiàn)場判斷呈直線型，為典型的冷裂紋外貌，沿內(nèi)側(cè)環(huán)焊縫下端的熔合線開裂，但現(xiàn)場很多疑似點(diǎn)打磨后缺陷消失，由此推斷可能是條渣或未熔缺陷。

圖5 儲罐B1 環(huán)焊縫內(nèi)側(cè)檢測出現(xiàn)疑似缺陷

3.1 坡口形式和焊槍角度分析

因環(huán)縫為K 型坡口，焊工在進(jìn)行該位置焊接時未及時準(zhǔn)確調(diào)整填充層和蓋面層焊槍角度，造成該道焊縫局部存在疑似假熔，導(dǎo)致出現(xiàn)檢測缺陷。該缺陷有些為表面細(xì)微缺陷，打磨后消失，有些發(fā)展為表面裂紋。

5 萬m3儲罐一帶板采用Q345R，立縫采用氣電立焊、橫縫采用埋弧橫焊。第1 帶板δ32mm，和它相連的第2 帶板δ27mm，δ32mm 和δ27mm 組對時，δ32mm坡口采用削邊處理。該焊縫坡口組對形式為釘子型，K 型焊縫，如圖6 所示。焊接時，先進(jìn)行內(nèi)坡口焊接，完成后外坡口根部清理，隨后完成焊接。該坡口焊縫在焊接過程中，電焊工操作時由于坡口較深，在打底層和填充層時埋弧焊焊槍在坡口內(nèi)角度基本為20°～30°。

圖6 儲罐B1 環(huán)焊縫內(nèi)側(cè)裂紋出現(xiàn)位置

在進(jìn)行蓋面焊接時，坡口內(nèi)焊槍角度要調(diào)整到45°～50°，如圖7 所示。蓋面層的第一道焊縫由于第一帶鋼板為直坡口，若焊槍的角度偏小容易導(dǎo)致電弧偏向坡口內(nèi)，電弧推力對坡口下沿差，熔池鐵水對直坡口下端“熔深”淺，容易造成焊縫“假熔”。在焊接應(yīng)力、震動等外部條件下，“假熔”部位產(chǎn)生表面微裂紋，并向焊縫內(nèi)部延伸。

圖7 儲罐B1 環(huán)焊縫焊接時焊槍示意圖

3.2 坡口切割導(dǎo)致硬化層

Q345R 板材坡口表面硬度一般不超過HB210。但坡口進(jìn)行火焰切割后，由于受到火焰速熱速冷的影響，會出現(xiàn)1mm 左右的硬化層，最高硬度可能會達(dá)到HB300 以上，如圖8 所示。

圖8 儲罐鋼板氣割后坡口硬度檢測結(jié)果示意圖

對火焰切割的坡口進(jìn)行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)硬度在HB270～300。硬化層硬度較明顯，對焊縫焊接會造成一定影響?；鹧媲懈畹钠驴谶M(jìn)行輕度修磨后，表面硬度降到了HB220—HB250，由于修磨不均勻，硬度依然超過標(biāo)準(zhǔn)較多?；鹧媲懈畹钠驴谛弈サ?mm 以后，表面硬度下降到了HB210 以下。從本次坡口逐步修磨檢測出的表面硬度現(xiàn)象來說，儲罐壁板坡口在組對前需要將1mm 左右的硬化層清除掉，才能保證焊縫在焊接過程中具有穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，不會因?yàn)橛不瘜訉?dǎo)致延遲裂紋等。

現(xiàn)場對焊接完成的焊縫進(jìn)行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)焊縫表面硬度一般在HB140 ～170，熱影響區(qū)硬度一般在HB140～180，說明完成后的焊縫、熱影響區(qū)硬度恢復(fù)正常。

3.3 焊劑酸堿性問題

B1 環(huán)縫橫焊焊材品牌為四川大西洋牌號CHW- S3CG CHF71H。該焊劑為熔煉焊劑，一般具有熔點(diǎn)較低、松裝密度較大、顆粒不規(guī)則的特點(diǎn)，而且不宜吸潮，對油銹不敏感，不宜產(chǎn)生氣孔和夾渣。受焊絲焊劑堿度影響大，韌性相對堿性渣要差，脫氧性能差，焊縫中不宜添加合金元素。

埋弧焊劑堿度是熔渣的最重要冶金特征之一，對熔渣- 金屬相界面處冶金反應(yīng)，焊接工藝性能和焊縫金屬的力學(xué)性能有很大影響。埋弧焊劑按照熔渣的堿度分為酸性焊劑、中性焊劑和堿性焊劑。

（1）酸性焊劑（堿度B≤1.0）具有良好的焊劑工藝性能，焊縫成型美觀，但會使焊縫金屬增硅，焊縫金屬含氧量高，低溫沖擊韌性較低。

（2）堿性焊劑（堿度B≥1.5）：采用堿性焊劑得到的熔敷金屬含氧量低，可以獲得較高的焊縫沖擊韌性，抗裂性好，但焊縫工藝性能差。B≥2.0 的焊劑稱為高堿度焊劑，有除硫及降硅的作用，焊縫金屬的氧含量很低，低溫沖擊韌性值高。但是，隨著堿度的提高，焊道形狀變得窄而高，且容易產(chǎn)生咬邊、夾渣等缺陷。

（3）中性焊劑（堿度B=1.0～1.5）熔敷金屬的化學(xué)成分與焊絲的化學(xué)成分相近，焊縫含氧量有所降低。

經(jīng)查焊材合格證書，CHF71H 屬于高錳高硅低氟焊劑，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)說明屬于酸性焊劑。同時，通過應(yīng)用國際焊接學(xué)會（IIW）推薦的公式計(jì)算得出的CHF71H 焊劑堿度值為0.78 左右，為偏酸性焊劑。偏酸性焊劑形成的焊縫抗裂性較堿性焊劑要差。

同時，不排除焊工在焊劑重復(fù)使用過程中，可能存在受潮現(xiàn)象。焊縫焊接過程中存在不易脫渣的問題，可能存在焊劑保護(hù)不到位的情況。

3.4 焊縫組對時存在局部應(yīng)力

若焊縫組對時存在局部應(yīng)力，焊后可能誘發(fā)裂紋。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場調(diào)研和部分因素分析，本次疑似裂紋成因與以下三點(diǎn)有關(guān)：

（1）焊工在K 型坡口焊接時焊槍角度適應(yīng)性差。由于該儲罐B1 環(huán)焊縫采用K 型坡口，第一層焊接時，為了熔池深入到根部，焊槍角度傾斜較大。隨著填充層、蓋面層焊接，焊槍應(yīng)及時進(jìn)行角度調(diào)整，否則會容易導(dǎo)致電弧偏向坡口內(nèi)，電弧推力對坡口下沿差，熔池鐵水對直坡口下端“熔深”淺，從而造成焊縫假熔。在焊接應(yīng)力、震動等外部條件下，“假熔”部位產(chǎn)生表面微裂紋，并向焊縫內(nèi)部延伸。

（2）坡口氣割后坡口表面硬度會受到速熱、速冷影響產(chǎn)生硬化層，厚度約為1mm，硬度高達(dá)HB300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料硬度HB210。

（3）通過國際焊接學(xué)會焊劑酸堿度計(jì)算公式得出，埋弧焊劑CHF71H 為酸性焊劑。酸性焊劑具有良好的焊劑工藝性能，焊縫成型容易掌握，但會使焊縫金屬增硅，焊縫金屬含氧量高，導(dǎo)致沖擊韌性較低、抗裂性差。