厚壁不锈钢焊管焊接横向裂纹的分析与控制

针对某工程使用的厚壁不锈钢焊管初期出现过焊缝横向裂纹的问题，通过查找裂纹产生的原因，研究、制定控制横向裂纹产生的措施，分析了厚壁不锈钢焊管焊接横向裂纹产生的原因，从焊管的成型、焊前预热、焊接工艺、焊接材料和设备、焊后保温缓冷、消氢热处理、CTOD试验和垂直气电立焊等方面提出了控制焊接横向裂纹的方法，简要介绍了出现焊接横向裂纹的返修方法。

近年来，随着国民经济的发展，厚壁不锈钢焊管在海洋平台、高温高压的压力容器、风力发电管桩等方面得到越来越广泛的运用。在制造壁厚≤50.8mm的不锈钢焊管时，一般选择JCO或UO成型工艺，该生产工艺技术成熟，产品质量稳定，生产效率高；而当壁厚超过50.8mm时，由于JCOE和UOE机组设备能力的限制，难以成型，目前一般使用RB成型卷制不锈钢焊管。由于制造这类钢管一般使用D36钢、S355钢及具有Z向性能的结构钢板，板材厚度较大，含碳量较高，且碳当量较高，可焊性较差，淬硬倾向大，使焊接接头的焊接性能降低，易产生冷裂纹。生产某工程使用的厚壁不锈钢焊管的初期出现过焊缝横向裂纹的问题，通过查找裂纹产生的原因，研究、制定控制横向裂纹产生的措施，最终解决了问题，保证了最终产品的质量和工程的安全性。

1出现焊接横向裂纹产品的情况

出现横向裂纹的这一批厚壁钢管，壁厚31.75～75mm，直径610～1752mm，材质为S355，S355NL-Z35等，钢板经过正火处理，部分具有Z向性能。在焊接结束超声波检测时未发现裂纹缺陷，但48h后再进行超声波检测时，发现有少量焊管整条焊缝的中间位置断断续续存在横向裂纹，可见裂纹具有延迟性，横向裂纹的磁痕如图1所示；部分横向裂纹修磨后肉眼可见，如图2所示。

2焊接横向裂纹的产生原因

从裂纹出现的时机和形态来看，这种横向裂纹属于结晶裂纹，其产生原因可能有以下几个方面。

（1）应力作用。即钢管成型后的残余应力和焊接应力。

（2）焊接工艺不合理。如焊缝成形系数过小、预热温度不够或未进行焊前预热、焊接线能量过大、焊接后热处理不当、保温时间太短等。

（3）由于氢的存在所致。如焊剂烘干不够，预热温度不充分或未进行焊前预热、以及多层焊的层间温度不够。

（4）冶金因素。焊接过程中（熔池阶段或焊缝红热状态下）有低熔点杂质进入，如铜及铜合金。铜的来源主要有焊丝表面所镀的用于防止焊丝锈蚀的铜，或者导电嘴、铜合金导电杆内壁被磨损产生的铜。这些铜屑从导电嘴内孔进入焊剂，在焊接过程中接触焊接熔池导致横向裂纹。

3控制焊接横向裂纹的措施

厚壁不锈钢焊管往往使用在比较恶劣的环境下，如海洋平台会有海浪、海潮、风暴的冲击，压力容器会在高温、高压下运行，在这些恶劣的环境下存在的焊接横向裂纹最终会导致构件的开裂或脆断，产生重大的事故。因此，通过适当的方法控制厚壁不锈钢焊管的横向裂纹就显得特别重要。针对焊接横向裂纹可能产生的各种原因，通过总结，可以从如下几个方面进行控制。

3.1焊管的成型

对于不锈钢焊管，成型前要经过板边的预弯，如果直缝两侧的板边预弯没有达到理想的轮廓，焊接后在直缝处就会形成“桃嘴”，整形后会产生一定的残余应力，可能导致焊接横向裂纹的产生。因此，为了合理控制残余应力，不仅需要采用针对性的设备和工艺，还需要在钢管成型前进行必要的成型工艺评定，对成型的设备、材料、产品的规格、预弯的程度、成型的速度、成型时的压力、成型后产品达到的参数和性能等进行试验和评定，评定合格且具有经过审批的成型工艺指导卡（成型工艺作业指导书）后方可进行焊管的成型。

3.2焊前预热

焊缝部位焊前未预热或预热不充分可能是焊接产生横向裂纹的主要因素之一，要根据具体的材质、具体的工作环境确定预热及层间温度，对于S355钢推荐的基本预热及层间温度见表1。

3.3焊接工艺

由于材料比较厚，形成的焊道宽而且厚，焊接热输入较大时，会导致焊缝晶粒粗大，降低了焊缝的韧性和延展性，容易产生横向裂纹，因此，制定焊接工艺时要注意如下几点。

3.3.1采用单丝多层多道焊

采用埋弧焊时，为了减少焊接热输入，不建议采用多丝焊，建议尽量采用单丝多层多道焊，焊道平行排列，且每条焊道的宽度控制在15mm以内；控制层间温度在110～250℃之间，并要趁着焊道的温度连续焊接，一直焊完每道焊口的所有焊道。

3.3.2制定合理的焊接工艺参数

不同的材料、不同的焊接设备，焊接工艺参数不同，要根据具体情况，通过焊接工艺评定（PQR），确定具体的焊接工艺规范（WPS），按照焊接工艺规范编制焊接工艺指导卡（焊接工艺作业指导书），经过批准后按其进行焊接。制定焊接工艺的时候，在保证焊缝性能和宏观形貌的前提下，根据实际需要，调整工艺，尽量减小焊接线能量，以4.0mm的焊丝为例，推荐的埋弧焊接工艺参数见表2。

3.3.3严格控制焊道宽度

焊道越宽，产生横向裂纹的可能性越大。焊接时，要尽量地采用窄焊道，多分道，减少焊道宽度，减少热输入，尽量把焊道宽度控制在表2规定的范围内。

3.4焊接材料和设备

3.4.1焊丝

只要能满足强度要求，尽量选择低强度的焊丝，这样可以适当降低焊缝的碳当量，提高焊缝的塑性，有助于减少焊接裂纹的产生。对于S355钢级材质的焊接，建议采用H08MnA（CHW-S3）焊丝（相当于AWSEH14或DINS4或BSS4），尽量少用H10MnSi等较高强度的焊丝；在实践中使用H08MnA焊丝对防止焊接横向裂纹很有效。使用不镀铜的焊丝，防止铜或铜合金进入焊缝熔池。但要注意不镀铜焊丝的保管，注意防潮和防生锈。

3.4.2焊剂

采用CHF101（即SJ101G）焊剂，焊剂在使用前必须按照焊剂厂家推荐的烘干工艺烘干，烘干后在烘箱内进行保温，不可烘干后就倒出来，防止受潮。

及时对焊接过程中使用的焊剂进行磁选，磁选后放进保温桶中储存，防止在空气中受潮。尽量采用颗粒较大的焊剂，需要吹去使用过的焊剂中的粉灰，防止粉灰在焊接过程中阻碍气体的逸出，产生夹渣、气孔，降低焊缝的抗裂性能。

及时更换焊剂，防止流落到焊剂内的铜及铜合金的交互污染，保证焊材的清洁。

3.4.3导电嘴、导电杆

使用端头为耐磨合金的导电嘴，及时更换被磨坏的导电杆，全面清理内、外焊装置，保证焊接设备的清洁，减少铜及铜合金进入焊缝熔池。

3.5焊后保温、缓冷

根据不同的季节采取不同的焊后保温、缓冷措施。以S355钢级为例：

夏秋两季，焊接好以后可以在室温下直接暴露在空气中缓冷。

春冬两季，焊接好以后可以在室温下用保温棉（如石棉布）把焊缝两面覆盖，在空气中缓冷。

3.6消氢热处理

如果焊后保温、缓冷不能够消除焊接横向裂纹，可以考虑对焊缝进行局部热处理，消除残余应力，降低氢含量。具体做法是：焊接完成后立即用陶瓷电热毯对焊缝及其附近区域加热至200℃，保温2h后关电缓冷。

这种方法的不足是大大增加产品制造的成本和工期，对环境的要求也比较高，只能降低应力峰值，不能完全消除残余应力，而且不是所有材料都适合进行焊后消除应力热处理。

4出现焊接横向裂纹后的返修

以S355钢为例说明出现焊接横向裂纹后的返修措施。

（1）确认缺陷。对所有焊缝进行100%UT检验（包括焊缝两侧扫查及焊缝表面扫查），标出裂纹的位置、长度、深度及方向。如果整条焊缝都有缺陷，建议刨掉整条焊缝重新进行埋弧焊接，局部返修建议采用焊条电弧焊。

（2）刨前预热。预热温度为110～170℃，预热温度检测位置为焊缝两侧不小于150mm，加热范围为距离缺陷四周500mm以内。如果证明可行的话，可考虑降低刨前预热温度或取消刨前预热。

（3）气刨。气刨范围为裂纹缺陷两端向外、完好焊缝不少于50mm处向中间气刨，刨槽两端为圆滑平缓过渡，过渡面与垂直线至少大于45°，如图3所示。

气刨碳棒角度应在60°以下，尤其是在将要到达裂纹处，角度应尽可能小，如图4所示。

（4）打磨。打磨至无黑皮（渗碳层），打磨之后的表面应平滑过渡，不应有尖锐的深坑。

（5）冷却至合适温度后做渗透检测（PT）。

（6）打磨。依据渗透检测（PT）的结果指导打磨，打磨至没有红线为止。

（7）磁粉检测（MT）。打磨好后做磁粉检测（MT），确认没有残余裂纹。有裂纹的话，则继续打磨，直到MT检测出没有裂纹为止。

（8）清除MT和PT残余液体。完全去除裂纹后，清理PT和MT残余液体，以免影响焊接质量。

（9）焊前预热（与刨前预热要求相同）。焊前预热可有效防止或降低冷裂纹倾向，要根据具体使用的钢材的碳当量以及焊接件的具体结构选择适当的预热温度。推荐的预热温度为110～170℃，预热温度检测位置为焊缝两侧不小于150mm，加热范围为距离焊缝500mm以内。

（10）焊接。严格按照补焊作业指导书所规定的焊接参数进行焊接。焊道宽度不超过15mm，能分道就分道。

如果采用焊条电弧焊返修，S355钢级的返修建议使用CHE58-1（即J506Fe-1，相当于AWSE7018-1）焊条。如果采用自动埋弧焊工艺，焊接材料、焊接规范等与原来进行埋弧焊接采用的一样。焊接收弧处必须要打磨至圆滑过渡，留意是否有弧坑裂纹或夹渣。

（11）焊后保温、缓冷。焊后保温、缓冷与前面3.5所述一致。

（12）焊后热处理。焊后热处理能使扩散氢逸出，在一定程度上消除、降低焊后残余应力的影响，对一些脆硬倾向较大的钢还能韧化热影响区和焊接组织，在工程上对某些刚度较大的焊接结构专门进行“消氢处理”、“消除应力热处理”，作为一种有效的手段广泛应用，其目的就是去氢，降低拘束应力。推荐的热处理制度是：焊接完成后立即用陶瓷电热毯加热至200℃，保温2h后关电缓冷。如果证明可行的话，可考虑取消焊后消氢热处理，只做保温、缓冷即可，以降低制造成本。

（13）焊接完成48h后按技术文件或标准规定的要求进行NDT检验。

5结语

（1）通过对厚壁不锈钢焊管焊缝横向裂纹产生的原因进行分析，提出了控制焊缝横向裂纹产生的各种措施及焊缝横向裂纹出现后的返修方法。

（2）不同的企业、不同的产品、不同的时期出现质量问题时，产生问题的原因不一定完全相同，要针对各自的具体情况进行具体分析，认真排查，找出原因，进行控制。

（3）尽管焊接横向裂纹在刚生产完的厚壁不锈钢焊管的表面并不可见，但由于这种焊接横向裂纹在焊缝冷却后的多发性，以及裂纹的延迟性，特别是厚壁不锈钢焊管往往运用在工况比较恶劣的情况和比较重要的场合，如果不被发现，在产品使用时扩展很快，极易发生难以想象的重大事故，因此，对于厚壁不锈钢焊管的产品无损检测时要考虑焊缝横向裂纹的检测，不能遗漏。

（4）垂直气电立焊技术对解决厚壁不锈钢焊管的作用值得我们尝试、探讨、研究。