压力钢管焊接结晶裂纹质量控制

　　摘要：本文结合三道湾水电站高压管道工程实体，就焊接裂纹的控制从产生的原因、材料控制、焊接工艺等方面进行了分析和研究；通过现场操作验证，裂纹控制获得良好效果，从而推广该技术在钢管焊接施工中的应用。
　　关键词：压力钢管，焊接，结晶裂纹，质量控制
　　1．工程概况
　　三道湾水电站位于张掖市肃南县境内的讨赖河干流上，是出山口已建冰沟水电站的上一级梯级电站，电站为一闸坝引水式水电站，装机90MW（3×30MW），属Ⅲ等中型工程。
　　我单位承建的调压井、压力管道标段施工，高压水道由6部分组成：上平段、上弯段、竖直段、下弯段、下平段和岔管段。其中：下弯段至岔管位置长709.44m，竖直段高282m,压力钢管内径为3.3m。用于钢管制作的板材采用16MnR低合金钢，其中直管段压力钢管壁厚为25mm，岔管及支管段壁厚为为32mm；设计焊缝均为一类焊缝，采用全焊透不对称X型坡口。
　　我项目部对纵缝、环缝采用自动埋弧焊焊接。在前期制作中，在纵缝对接正面，第一遍焊接完毕，清除掉焊剂药皮后发现焊缝接头出现裂纹，裂纹产生在焊缝金属中，并沿焊缝有一定的开裂，主要表现为裂纹与焊缝的波纹线垂直，露在焊缝表面有明显的锯齿形状，这些特征都是结晶裂纹的表现，可以确定该裂纹是结晶裂纹，即是典型的热裂纹。焊接裂纹是焊接结构最危险的一种缺陷，尤其是热裂纹，在焊接过程中要尽力避免焊接裂纹的产生。
　　2．结晶裂纹产生的原因
　　在焊缝结晶后期，低熔点共晶体被排挤到柱状晶体的交遇中心部位，形成一种所谓的液态薄膜，此时，由于焊缝收缩而受到了拉应力，焊缝中的液态薄膜就成了薄弱地带，在拉应力的作用下，就有可能在薄弱地带开裂形成裂纹，因为此裂纹时在焊缝结晶时产生的，因此叫做结晶裂纹，由此可见结晶裂纹的产生是低熔点共晶体和焊拉应力共同作用的结果，二者缺一不可，低熔点共晶体是产生结晶裂纹的内因，焊接拉应力是产生结晶裂纹的外因。
　　3．结晶裂纹质量控制
　　结晶裂纹是低熔点共晶体和焊接拉应力共同作用的结果，那么在实际生产中就要从解决这两方面的影响入手。一是，冶金因素方面降低低熔点共晶体的存在，以及其危害性。二是，从力学因素方面减少焊接拉应力，从根本上解决焊接结晶裂纹的问题。
　　3.1焊缝金属化学成分的控制
　　低熔点共晶体的出现与焊缝的化学成分密切相关，焊缝中有几种元素直接导致低熔点共晶体的产生。其中S和P时很有害的元素，能够在焊接熔池中形成多种低熔点共晶体，碳含量的升高，能够使焊缝金属的淬硬性增加，因而促使焊缝中组织应力增加，另一方面，碳元素极易与钢中的其他元素形成低熔点共晶体。Si对焊缝金属抗热裂纹的影响与C相似，Si与Fe也能形成低熔点共晶体，同时Si也能降低S在Fe中的溶解度，增加了产生结晶裂纹的倾向。Mn对抑制结晶裂纹的产生非常有利，锰的作用主要时它与FeS作用后生产MnS，MnS本身的熔点比较高，又不会与其他元素形成低熔点共晶体，所以可降低S的有害作用。一般在含锰量低于2.5%时，锰均起到有利作用，在实际生产中，每当16MnR钢板中C，Si含量偏上限，Mn的含量片下限，且焊剂中有害杂质S，P含量较高时，结晶裂纹的出现最为频繁。要控制焊缝金属中的有害成分的含量，减少低熔点共晶体的出现，必须做好以下两个方面工作：
　　1.金属化学成的控制。用于压力容器生产的16MnR,首先对其质量证明书进行审核，对C,S,P,Si等元素的含量接近上限的钢板，要尽量避免采用自动埋弧焊进行焊接。
　　2.焊剂化学成分的控制，焊剂的成分对最终的焊缝金属化学成分影响非常大，生产中常有因焊剂S,P超标而造成焊接裂纹的情况发生。因此，在焊剂入厂前同样要对其质量证明书进行审查，条件允许的话要对其S,P含量及你选哪个化验，防止因焊剂，S,P含量超标而产生结晶裂纹或增加其倾向。
　　3.2减少焊接拉应力的作用
　　1.合理的坡口型式。在对接焊缝坡口的选择时要着重考虑减少焊接应力的作用，采用尽量小的坡口间隙。因为较大的坡口间隙，会使焊缝熔池收缩时产生较大的收缩，增大了焊接拉应力。。
　　2.在保证焊接时不至于烧穿的情况下，应尽量减少背面点固焊的点数及长度，以减少坡口的局部横向刚度，从而达到减少焊接拉应力的目的。
　　3.改善熄弧板的型式。由于通常的熄弧板与筒接纵缝的端部点固的非常牢固，增加了局部刚度，因而加大了焊缝凝固时所受的拉应力，使横向应力在此处达到了整条焊缝的最大值。因此焊缝在此处最容易开裂。解决这个问题，可采用一种减应熄弧板，见图1。
　　
　　图1图2
　　4.该熄弧板在两侧割开了2个减应力缺口，并且在点固时只点固熄弧板的两侧，这种结构，可利用缺口来补偿蛤蚧时的横向焊接变形量，减少坡口端部的刚度。从而减少端部的横向拉应力。
　　5.焊接的预热。预热也是预防结晶列我的有效措施，它的作用主要时使焊接接头处的金属加热比较均匀，焊接时沿焊缝纵向的变化程度减缓，有利于减少内应力，尤其是当环境温度较低（小于10摄氏度）而板材又较厚（大于20mm）的情况下，更要进行预热，预热的温度考虑到人员的施工条件可控制在30-40摄氏度。
　　6.合理的焊接工艺。焊接参数直接影响到焊缝的成形，而焊缝的成形形状又将直接决定着焊缝凝固后的晶粒分布和低熔点共晶体的存在位置及受力情况，因而对结晶裂纹产生与否影响较大，根据焊缝的结晶特点，杂质最容易几种在焊缝的中间，如果光焊缝成形窄而深，在职正好集中在树枝晶体对接的部位，焊缝抵抗拉应力的能力特别弱，稍有应力作用，就有可能产生裂纹。焊缝成形宽度和深度比例适当，则焊缝的散热方向改变，树枝状晶体有向上对它的作用显著减弱，焊缝的抗热裂纹能力就大大提高。要控制并改善焊缝的成形形状，我们就要从自动埋弧焊焊接参数的匹配现场操作上入手，生产中可采用以下3中方法，其中第1、2种方法首先要有焊剂工艺评定的支持。
　　1）能量不变的情况下，适当提高电弧电压值，减少哈吉电流值。提高焊接速度，以增加焊缝的成形宽度，减少焊缝的熔深，改善焊接的成形
　　2）增大焊丝的直径，在焊接电流不变时，焊丝直径增大，电流的密度减少，电弧的吹力减少，电弧的摆动作用随之加强，焊缝的熔宽增加，而熔深则稍有下降，对焊缝的成形有利。
　　3）焊接环缝时，改变焊丝与焊件之间得相对位置。通常情况下，在焊接内、外焊缝时，都要求焊丝与圆筒的垂直中心有一个偏移量如图2中的δ2、δ1。偏移量一般是50-70mm，焊接内环缝时，焊丝的偏移使焊丝处于粗“上坡焊”的位置，其目的是使焊缝有较大的熔深。焊接外环缝时，焊丝的偏移量使焊丝储存于“下坡焊”的位置，主要是为了成形美观，减少熔深，避免焊穿。为了减少结晶裂纹的产生，可在其他焊接参数不变的情况下，适当减少内部焊丝的偏移量δ，以减少焊缝的熔深，增大焊缝的宽度，改善焊缝的截面成形。δ1可保持不变。
　　4．控制效果
　　16MnR钢板由于原材料化学成分有害杂质含量偏高和焊接拉应力较大等因素的影响，在进行自动埋弧焊时，容易产生结晶裂纹。三道湾水电站压力钢管在实际生产中对母材、焊剂的化学成分以及焊接工艺等方面加以控制，减少了焊接拉应力，焊接裂纹得到了有效控制，经检测合格率达到100%。
　　在保证质量的基础上，技术不断成熟，操作不断熟练，保证了焊接质量，减少了后处理时间，加快了施工进度，得到集团公司、业主、监理等单位的好评。
　　5．结束语
　　随着我国水电建设的发展，不仅机组发电容量增大，水头增加，钢管直径和厚度越来越大，其在建设项目的比重随之增加，管线压力越来越高，焊接质量控制要求越来越高，对焊接裂纹质量控制的研究越来越重要；三道湾水电站高压管道压力水头高320m，通过现场试验不断进行工艺优化，焊接裂纹控制效果良好，在讨赖河流域水电站钢管焊接方面得到推广，该项控制工法，不但使用于水电站钢管焊接，同样可以在压力容器焊接中进行推广。

《压力钢管焊接结晶裂纹质量控制》

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