淺談導(dǎo)管架卷制管埋弧自動焊終端裂紋防止措施(定稿)

1、淺談導(dǎo)管架卷制管埋弧自動焊終端裂紋防止措施韓福君 王亮 張洪濤 吳金（中國天辰工程有限公司 天津北辰 300400）（中國石油天然氣第一建設(shè)公司 河南洛陽 471023）摘要：在導(dǎo)管架卷制管埋弧自動焊接過程中，通常在焊縫終端產(chǎn)生裂紋，本文分析了終端裂紋的形成原因及相應(yīng)的防止措施。為以后同類工程提供了參考與借鑒。關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架 卷制管 埋弧自動焊 終端裂紋 防止0前言：導(dǎo)管架平臺又稱樁式平臺，是由打入海底的樁腿來支撐整個平臺，導(dǎo)管架是樁基式平臺的主要組成部分，是平臺的支撐結(jié)構(gòu)件，是先在陸地上制作完成，然后在海上用鋼樁穿入導(dǎo)管打入海底，使其固定在海上，后與平臺通過焊接連接固定成導(dǎo)管架平臺。導(dǎo)管架是

2、由管件經(jīng)過組對、焊接而形成剛性框架結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架整體結(jié)構(gòu)剛性大，能適用于各種土質(zhì)，是目前最主要的固定平臺的結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架主要由鋼樁、隔水套管等主要構(gòu)件組成，各組成件通過單根管件的焊接連接形成，焊接是導(dǎo)管架建造的主要施工方法。以我公司青島項(xiàng)目建造的番禺30-1深海導(dǎo)管架為例，由于焊接工作量大導(dǎo)管架在預(yù)制時主要采用埋弧自動焊接。在導(dǎo)管架卷制管焊接的過程中，發(fā)現(xiàn)12mm18mm壁厚范圍的管段焊縫熄弧板處容易產(chǎn)生裂紋，本文對埋弧自動焊接過程中終端裂紋的產(chǎn)生原因及防止措施進(jìn)行了詳盡的描述。1 終端裂紋特點(diǎn)及產(chǎn)生的原因分析1.1 終端裂紋的主要特點(diǎn)番禺30-1深海導(dǎo)管架管件為16MnR鋼管，焊絲采用H10Mn

3、2，焊劑采用SJ101，這是經(jīng)過長期使用已經(jīng)成熟的工藝方法。在焊接完畢清除掉焊劑藥皮后發(fā)現(xiàn)終端部位有裂紋（圖1），該裂紋產(chǎn)生在焊縫金屬中，裂紋沿著焊縫中心長度方向開裂，即裂紋與焊縫的波紋線相垂直，露在焊縫表面有明顯的鋸齒形狀，可以確定該裂紋為結(jié)晶裂紋。在以后的焊接過程中多次出現(xiàn)該種裂紋，出現(xiàn)的裂紋均有以下幾個特點(diǎn)：（1）裂紋一般分布在焊縫的熄弧板一端，并且與焊縫的波紋線呈垂直分布。（2）管件的壁厚越大出現(xiàn)該種裂紋的幾率越大。（3）在鋼板和焊劑的化學(xué)成分中C、P、S等合金成分偏上或超過規(guī)定含量上限時易產(chǎn)生裂紋。1.2 終端裂紋產(chǎn)生原因分析焊接過程中，電弧作用中心的前方金屬出于急劇升溫并迅速熔化的

4、階段，而電弧作用中心后方的金屬則已經(jīng)開始降溫并進(jìn)入凝固或結(jié)晶階段（圖2）。運(yùn)動中的焊接電弧始終在焊縫上的局部位置發(fā)生作用，并在電弧作用中心的溫度最高，遠(yuǎn)離此作用中心的溫度逐漸變低，焊接過程中母材上的溫度和焊接熔池中的溫度分布是不均勻的，固體母材同液體熔池的交界處的溫度應(yīng)等于母材金屬的熔點(diǎn)，而越往熔池中心溫度就越高。在電弧電壓焊接電流及焊接速度保持穩(wěn)定的情況下，熔池的尺寸形狀也較為穩(wěn)定（圖3），從圖3可知，其輪廓剛好為熔點(diǎn)的等溫面，熔池的寬度和深度沿焊接方向（X軸方向）連續(xù)變化，一般情況下，增大焊接電流時，熔池的最大深度Hmax增大，而最大寬度Bmax則相對減少；增大電弧電壓時Hmax減小而Bm

5、ax則相對增大。熔池的長度L的大小與電弧能量成正比。由于熔池溫度高，而周圍金屬溫度較低，隨著熔池的前移，原來熔池內(nèi)的液態(tài)金屬溫度迅速下降快速進(jìn)入凝固階段，隨著凝固時熔池體積的不斷減小，從而形成各方向的拉應(yīng)力，這些拉應(yīng)力并在焊縫金屬逐漸冷卻時會逐漸變大，而且焊縫越長，越接近終端時，各種變形能量越大，應(yīng)力和變形的累計(jì)使終端焊縫內(nèi)的應(yīng)力值增高。另外，由于卷制管受下料尺寸精度、卷圓程度、使用的機(jī)具和操作者技能的影響，并且在焊縫組對過程中，常存在著不同程度的強(qiáng)制組對現(xiàn)象，強(qiáng)制組對將導(dǎo)致在點(diǎn)固焊處產(chǎn)生復(fù)雜的彈性應(yīng)力，在焊縫進(jìn)行打底焊時由于焊接區(qū)域加熱和冷卻的不均勻性，使各部分金屬發(fā)生的相變過程不一樣，當(dāng)溫

6、度恢復(fù)到原始的均勻狀態(tài)后，這些應(yīng)力在焊接溫度場的作用下，將進(jìn)行恢復(fù)和再結(jié)晶，這將給焊縫產(chǎn)生新的拉應(yīng)力。焊接拉應(yīng)力的存在是產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的一個原因。通常，焊縫結(jié)晶時先結(jié)晶部分化學(xué)成分比較單一，后結(jié)晶的部分雜質(zhì)與合金化元素較多，這種結(jié)晶偏析造成了化學(xué)成分不均勻，隨著柱狀晶長大，雜質(zhì)與合金化元素就不斷被排斥到平行生長的柱狀晶交界或焊縫中心線處，它們與金屬形成低熔點(diǎn)化合物或共晶體，隨著熔池的前移，這種低熔點(diǎn)化合物或共晶體多集中在焊縫的終端部位，最后被推向晶界，在晶粒之間形成一個液態(tài)薄膜。這一膜層結(jié)晶體相對抗拉能力弱，在焊縫拉應(yīng)力的作用下易形成裂紋。我們對卷制管鋼板化學(xué)成分（表1）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)C、S、P

7、、Si元素偏高，達(dá)到了上限，而Mn元素及Nb、Ti、AIt等微量合金元素略低。C是影響結(jié)晶裂紋的主要因素，并能加劇其他元素的有害作用，由Fe-C相圖（圖4）可知，由于鋼中含碳量的增加，初生相可由相轉(zhuǎn)為相，而S、P在相中溶解度比在相中低很多，S僅為1/3，P約為1/10。如果初生相或結(jié)晶終了前是相，S和P就會在晶界析出，使熱裂紋傾向增大。P和S在各類鋼中幾乎都會增加結(jié)晶裂紋的傾向。在鋼的各種元素中P和S的偏析系數(shù)最大，所以在鋼中都易引起結(jié)晶偏析。同時P和S在鋼中還能形成多種低熔化合物或共晶體。形成的化合物FeS和Fe3P的熔點(diǎn)分別為1190和1166，而與FeO形成的共晶體FeS-Fe和Fe3P

8、-Fe熔點(diǎn)為985和1050，這些化合物和共晶體在結(jié)晶期極易形成液態(tài)薄膜，對各種裂紋都很敏感。Mn具有脫硫作用，能置換FeS為球狀的高熔點(diǎn)的MnS，因而能降低裂紋傾向，隨著鋼中含碳量的增加，Mn/S的比值也應(yīng)隨之增加。Mn 、S、C在焊縫和母材中常同時存在，在一定含碳量的條件下，隨著含硫量的增高，裂紋傾向增大，隨著含錳量的增多，而裂紋傾向下降，而隨著含碳量的增加，硫的作用則會加劇，而C的含量超過0.16%時，P對結(jié)晶裂紋的作用超過了S繼續(xù)增加Mn/S值對防止結(jié)晶裂紋已無意義，從而增加了產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向。Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4時，容易形成硅酸鹽夾雜，造成裂紋源，從而增加裂紋

9、傾向。2 終端裂紋的防治措施通過以上分析我們可以確定終端裂紋是焊接拉應(yīng)力和低熔點(diǎn)化合物或共晶體共同作用的結(jié)果，所以我們在實(shí)際生產(chǎn)中要從解決這兩方面的影響入手。一是從力學(xué)因素方面減少焊接拉應(yīng)力，二是從冶金因素方面減少低熔點(diǎn)化合物或共晶體的存在，降低其危害性，從而從根本上解決終端裂紋的問題。2.1 減少焊接拉應(yīng)力的措施2.1.1 嚴(yán)格控制管段組對的質(zhì)量、選擇合理的坡口型式為了減少管段在組對過程中產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變，防止誘發(fā)終端裂紋的產(chǎn)生，在管段制造的全過程應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制。在管段下料過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制下料尺寸，提高下料尺寸的精度，以便提高卷圓質(zhì)量，避免焊口組對過程中的強(qiáng)制組對，減少組對應(yīng)力，適當(dāng)減小焊

10、縫的組對間隙，組對間隙越大在焊縫冷卻時收縮量越大從而產(chǎn)生的拉應(yīng)力就越大；減少焊接拉應(yīng)力是焊縫坡口選擇的重要考慮因素，實(shí)際上，結(jié)晶裂紋和焊縫的成形系數(shù)=W/H(即寬深比)有關(guān)，提高焊縫成形系數(shù)可以提高焊縫的抗裂性能，當(dāng)碳含量提高時，為了防止裂紋，要相應(yīng)的提高寬深比，要避免采用<1的坡口型式。2.1.2 控制點(diǎn)固焊的數(shù)量及長度卷圓完畢后，焊縫組對時在保證不燒穿的情況下，盡量減少點(diǎn)固焊的數(shù)量和長度，以降低坡口局部的剛度，從而達(dá)到降低焊接拉應(yīng)力的目的，通常點(diǎn)固焊的長度約80mm，間距約800mm。2.1.3 焊件預(yù)熱與焊劑烘干這項(xiàng)措施也是防止焊接拉應(yīng)力的有效措施，它的主要作用是減緩焊縫的溫度變化

11、，使焊接接頭處的熱量分部均勻，從而有利的減少內(nèi)應(yīng)力。特別是在環(huán)境氣溫較低（-10）的情況下，焊前預(yù)熱就尤為重要，我們通過火焰對焊縫實(shí)施預(yù)熱，在操作過程之中我們把預(yù)熱溫度控制在90100之間；焊劑使用前要進(jìn)行烘干，SJ101為燒結(jié)型焊劑烘干溫度范圍在300與350之間，保持烘干時間2小時，當(dāng)天使用后剩余的焊劑要及時返回倉庫保管，防止受潮。2.1.4 選用適當(dāng)?shù)南ɑ“逑ɑ“宓淖饔檬菍⑹栈r的弧坑引到焊件外；加強(qiáng)焊縫終端的約束度，承受終端部位產(chǎn)生的較大的拉伸應(yīng)力；改善終端部位的溫度場，有利于導(dǎo)熱，不使終端部位的溫度過高。由于通常的熄弧板在端部點(diǎn)焊的非常牢固，增加了局部剛度，因而加大了焊縫凝固時所受的

12、拉應(yīng)力。因此焊縫在此處最容易開裂。要解決這個問題，可采用彈性熄弧板（圖5）。該熄弧板在兩側(cè)割開兩個缺口，并且只點(diǎn)焊熄弧板的兩側(cè)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是由于收弧在熄弧區(qū)因兩側(cè)帶有缺口而產(chǎn)生熱隔離作用，把熄弧功能和拘束功能分開，從而減少管段終端與熄弧板部位的熱變形，同時可利用缺口來補(bǔ)償熱變形量，減少焊縫端部的剛度，進(jìn)而減少端部的焊接拉應(yīng)力。2.1.5合理選擇焊接工藝焊接參數(shù)直接影響到焊縫的成形系數(shù)，而焊縫的成形形狀又直接決定著焊縫凝固后的晶粒分部和低熔點(diǎn)共晶體的存在位置及受力情況，因而對結(jié)晶裂紋產(chǎn)生與否影響較大，為了控制成形系數(shù)，必須合理調(diào)整焊接工藝參數(shù)，我們就要從埋弧自動焊焊接參數(shù)的匹配現(xiàn)場操作上入手

13、，在生產(chǎn)中采用以下三種方法，這三種方法首先要有焊接工藝評定的支持?？刂坪附泳€能量。由于實(shí)際生產(chǎn)中焊接電流總是偏上限，造成線能量過大，線能量增大對結(jié)晶組織的形態(tài)有害，因此無論是打底焊還是埋弧自動焊，都適當(dāng)?shù)牟捎幂^小的焊接電流，這樣可以通過減少晶粒度和降低應(yīng)變量，同時增大了焊縫成形系數(shù)，減少結(jié)晶裂紋的傾向?？刂坪附铀俣?。焊接速度過快時形成的結(jié)晶組織對裂紋敏感性大，但是現(xiàn)場看來，由于焊縫的組對間隙控制不好、焊工操作等因素，往往焊接速度不是過快，而是過慢，過慢的焊接速度和較大的焊接電流結(jié)合在一起，造成線能量增大，其結(jié)果一是焊縫晶粒粗大，焊接內(nèi)應(yīng)力增大；二是根部母材中雜質(zhì)熔入過多，焊縫成形系數(shù)減小，從而

14、增大了結(jié)晶裂紋的傾向，因此適當(dāng)?shù)暮附铀俣?，是減少焊縫裂紋的重要因素。增大焊絲直徑。在焊接電流不變時，適當(dāng)?shù)脑龃蠛附z直徑，則電流的密度減小，電弧的吹力減小，電弧的擺動作用隨之加強(qiáng)，而熔深則有所下降，使焊縫的成形系數(shù)增加，有利于焊縫的成形。 根據(jù)實(shí)踐表明，我們通過表2中的焊接參數(shù)進(jìn)行施焊，能有效防止裂紋的產(chǎn)生。另外，在焊接中，應(yīng)該控制好首道焊縫的焊接參數(shù)，減少終端的偏弧，并應(yīng)注意背面的清根深度，尤其是終端的清根，從而有效的減少終端裂紋的產(chǎn)生。2.2焊縫金屬化學(xué)成分的控制控制焊縫中C、P、S等有害雜質(zhì)的含量，這幾種元素不僅能形成低熔相或共晶，而且還能促使偏析，從而增大結(jié)晶裂紋的敏感性。為了消除它們的

15、有害作用，應(yīng)盡量限制母材和焊接材料中C、P、S的含量。根據(jù)JB/T4709-2007鋼制壓力容器焊接規(guī)程16MnR鋼采用埋弧自動焊接時推薦使用H10Mn2或H10MnSi焊絲，我們選用H10Mn2型焊絲，通過對焊絲的化學(xué)成分（表3）進(jìn)行分析，其中的有害雜質(zhì)含量控制的都較低，因此，焊絲成分對結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生影響較小。要控制焊縫金屬中有害成分的含量，減少低熔點(diǎn)共晶體的出現(xiàn)，必須做好以下兩個方面的工作：2.2.1母材金屬化學(xué)成分的控制材料驗(yàn)收時首先對其質(zhì)量說明說進(jìn)行審查，重點(diǎn)審查母材中C、S、P、Si等元素的含量，對C、S、P、Si等元素含量偏高或接近上限的鋼板，盡量避免采用埋弧自動焊進(jìn)行焊接。必須使用自動焊接的要采取其他補(bǔ)償措施。2.2.2焊劑化學(xué)成分的控制焊劑成分對最終形成焊縫金屬的化學(xué)成分影響很大，施工中常因焊劑中S、P等有害元素的超標(biāo)而形成焊接裂紋。為了防止增加結(jié)晶裂紋的傾向，必須要對焊劑進(jìn)行質(zhì)量審查，根據(jù)質(zhì)量說明書中各種元素的化學(xué)成分判斷S、P等有害元素的含量，條件允許時，要對其化學(xué)成分進(jìn)行復(fù)查化驗(yàn)，嚴(yán)謹(jǐn)使用S、P含量高的焊劑。為了與鋼板相匹配，必要時可對焊劑的配比提出要求定制，以保證焊縫金屬的化學(xué)成分。3 結(jié)束語通過對焊縫的終端裂紋的形成原因分析，以及施工實(shí)踐證明，有效控制原材料、焊材化學(xué)成