直缝埋弧焊管焊缝内部横向裂纹产生原因分析

2021-01-19王立柱陈小伟韩铁利李志华吴红星

焊管 2020年11期

王立柱，陈小伟，张骅, 韩铁利，李志华，吴红星

（1. 渤海装备巨龙钢管有限公司，河北青县062658； 2. 渤海装备研究院，天津300280）

在生产厚壁直缝埋弧焊管时，焊缝内部会有横向裂纹产生，裂纹的尺寸不一，裂纹在焊缝深度和长度方向随机分布，没有规律。用超声波手探检测，将Φ1.6 mm 竖通孔校验灵敏度提高10 db，反射波高最高80%，按检验标准属不超标缺欠[1-2]。由于裂纹在焊缝内部，没有延伸到焊缝表面，裂纹间隙很小，大部分裂纹只有在焊缝横向超声波探伤时才能检测到回波。虽然裂纹的尺寸较小，但在后续扩径、热处理或服役过程中很可能发生扩展，导致管道泄漏[3-4]。因此，找出焊缝内部横向裂纹产生的原因，采取工艺措施避免裂纹的产生是本研究探讨的主要内容。

1 生产实例

1.1 案例1

中俄东线部分露天使用弯管要求－45 ℃焊缝冲击功单值≥60 J，平均值≥80 J，使用常规多丝双面单道焊工艺生产母管，做成弯管后焊缝冲击功下降较多，不能满足标准要求，为此开发了单丝多道焊工艺及焊丝。在使用单丝多道焊工艺（方案1）焊接Φ1 422 mm×33.8 mm X80M 低温母管时，发现焊缝内部有尺寸较小的横向裂纹（如图1 所示），探伤结果显示内外焊缝均有裂纹存在。

对焊接工艺进行了改进，改用三丝多层焊工艺（方案2），并采用电伴热带对焊缝两侧300 mm 进行焊前预热、焊后石棉布保温等措施降低焊接应力。采用该工艺生产的母管做成弯管后焊缝内部未见横向裂纹，冲击功满足标准要求。 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管焊接参数见表1，采用方案1 和方案2 得到的焊缝宏观照片如图2 所示。

图1 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管裂纹微观形貌

表1 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管焊接参数

图2 Φ 1422 mm×33.8 mm 母管焊缝宏观形貌

截取的弯管试样如图3 所示，通过扫描电镜观察裂纹断口上呈现光滑的枝晶状开裂形态，并存在高温氧化，剖面金相试样上也可以观察到类似的失效特征，这表明裂纹为焊接热裂纹[5]。

图3 Φ 1 422 mm×33.8 mm 弯管试样

在焊缝结晶后期，由于低熔点共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联结，在拉应力作用下产生裂纹[5-6]。即热裂纹产生的条件：一是低熔点共晶，二是拉应力。对钢管母材、焊丝、焊缝的化学成分进行了分析，结果见表2。

从表2 可以看出，裂纹管焊缝成分中Cu 含量偏高， Mn 和Mo 含量偏低。焊丝A 化学成分中w（Cu）=1.0%，是焊缝中Cu 的主要来源。方案2焊缝中w（Cu）降低30%，减少了焊缝低熔点共晶形成的机率； w（Ni）含量降低20%， w（Mo）上升1 倍， w（Mn）上升13%。

在母管上截取焊缝纵向圆棒拉伸试样，并在焊缝边缘取母材纵向圆棒拉伸试样做拉伸试验，试验结果见表3。

由表3 可以看出，方案1 焊缝的屈强比偏高，延伸率偏低，母材延伸率较高，焊缝在冷却过程中，由于焊缝金属的收缩产生较大的纵向拉应力，当焊缝塑性很差时，在拉应力的作用下比较容易开裂；方案2 焊缝的延伸率和屈强比与母材接近，焊缝的塑性有了较大的改善，焊缝内部横向未产生裂纹。

表3 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管拉伸试验结果

1.2 案例2

在使用方案3 （见表4）生产Φ1 016 mm×26.2 mm X70M 钢管时，发现焊缝内部有横向裂纹（如图4 所示）产生，探伤结果显示裂纹只存在于外焊缝。

表4 Φ1 016 mm×26.2 mm X70M 钢管焊接参数

图4 Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管焊缝裂纹微观形貌

取样检验母材和焊缝的化学成分见表5，拉伸试验结果见表6。试验结果未发现异常。

Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管焊缝宏观照片如图5 所示。由图5 可以看出，外焊缝宽度较小，熔深较大，焊缝的宽深比较小。改用方案4 工艺（见表4），通过降低外焊焊速，减小外焊一丝、二丝电流，增加外焊热输入，使外焊缝的宽深比加大，焊缝内部横向裂纹再未出现。

表5 Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管及焊丝的化学成分

表6 Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管拉伸试验结果

图5 Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管焊缝宏观形貌

1.3 案例3

采用Φ1 016 mm×21 mm 钢管用钢板对裁，按照方案5 工艺（见表7）生产Φ508 mm×21 mm X70M 钢管时，发现焊缝内部横向裂纹如图6 所示。探伤结果显示裂纹只存在于内焊缝。

取样检验母材、焊缝和焊材化学成分，结果见表8。通过扫描电镜得到的裂纹SEM 形貌如图7 所示，分析结果是裂纹处C 和Nb 的含量偏高（见表9）。分析认为裂纹处C 可能是晶界周围的渗碳体，而只有钢板中含有Nb，剖分钢板中间可能存在局部偏析。

表7 Φ508 mm×21 mm 钢管焊接参数

图6 Φ508 mm×21 mm 钢管焊缝裂纹微观形貌

表8 Φ508 mm×21 mm 钢管和焊丝化学成分

在钢管上取焊缝纵向圆棒拉伸试样，并在焊缝边缘取母材纵向圆棒拉伸试样做拉伸试验，试验结果见表10。由表10 可以看出，焊缝的延伸率偏低为14.1%，屈强比偏高为0.945。

图8 Φ508 mm×21 mm 钢管焊缝宏观形貌

为增加焊缝延伸率，降低焊缝屈强比，改用方案6 工艺（见表7），将内外焊二丝由合金含量高的H08MnMoTiB 焊丝更换为不含合金成分的H08A 焊丝，并调整焊接参数，焊缝形状及性能均得到改善，焊缝内部未出现横向裂纹。 Φ508 mm×21 mm 钢管焊缝宏观形貌如图8所示。

2 原因分析

以上几个案例表明，焊缝内部横向裂纹的产生与焊缝的延伸率、屈强比、低熔点共晶成分以及焊缝的宽深比有关。

金属在高温时的延性和断裂曲线如图9 所示。金属在高温时的延性和断裂取决于3 个因素，即拉应变对于温度的变化率∂ε/∂T、脆性温度区的大小ΔTB和在这个区间里金属的延性δmin。 ∂ε/∂T 越大， ΔTB越大， δmin越小，越容易产生裂纹[7]。

图9 金属在高温时的延性和断裂曲线

焊接残余应力与焊接变形在很大程度上具有相反的行为特征，焊接变形较大时焊接残余应力较小，焊接变形较小时焊接残余应力较大[8]。随着屈强比的增加，由于材料的塑性变形能力下降，使得材料缓和应力集中、松驰裂纹尖端局部应力和限制裂纹扩展的能力降低[9]。

热轧正火钢一般w（C）较低， Mn/S 较高，具有较好的抗热裂纹能力。当材料成分不合格而发生严重偏析或局部w（C）、 w（S）含量很高时，也会出现热裂纹[10]。 Nb 对结晶裂纹的形成有促进作用，促进低熔点硫化物和碳化物形成。含Nb 钢在高温下有较低的塑性。热裂纹敏感性与焊缝金属成分的关系为

其中，当w（C）≤0.08%时， C*等于0.08%。

防止热裂纹的冶金措施是：严格控制母材和焊缝金属中C、 S、 P 和其他易形成低熔点共晶体的合金元素Nb、 Ni、 Si 等含量，当w（C）≤0.12%、w（S）≤0.01%、 w（P）≤0.02%，则可采用较高的热输入而不产生热裂纹；当以Nb 做为微量合金元素对钢进行合金化时， w（Nb）不应超过0.03%[9]。

通过改变焊接坡口尺寸或改变焊缝形貌，降低母材在焊缝金属中所占的比例（即熔合比），避免母材成分偏析带来的影响[11]。

焊缝的宽深比越小，呈现窄而深的焊缝，焊缝金属结晶速度加快，焊缝中产生夹渣和裂纹的倾向越大[12]。另外，焊缝的宽深比越小，加热区域越集中，较高程度的温度集中会使焊接区在冷却时产生较大的塑性应变，这种情况下通常要求焊件材料具有较高的塑性[8]。制定焊接工艺时，设计合理的坡口形式和几何尺寸，调整焊接参数，以增大焊缝的宽深比，防止焊缝内部横向裂纹的产生。