5萬m3儲(chǔ)罐第一圈壁板裂紋產(chǎn)生原因分析及預(yù)防

劉增峰 張先龍 王永峰 都宏海

5萬m3儲(chǔ)罐第一圈壁板裂紋產(chǎn)生原因分析及預(yù)防

劉增峰 張先龍 王永峰 都宏海

在伊拉克某工程5萬m3儲(chǔ)罐焊接過程中，第一圈壁板環(huán)焊縫出現(xiàn)裂紋缺陷。本文從現(xiàn)場(chǎng)施焊環(huán)境及施工工藝各方面進(jìn)行分析，確定裂紋產(chǎn)生原因，并采取預(yù)防和控制措施，解決了焊接裂紋問題，保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接效率。

1. 概述

伊拉克某工程5萬m3儲(chǔ)罐采用ASTM A516 Gr.70板材，其具體化學(xué)成分如表1所示。為保證施工效率和焊接質(zhì)量，該項(xiàng)目選用埋弧橫焊進(jìn)行儲(chǔ)罐橫縫焊接。施工過程中，在第一圈橫縫RT檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)兩處裂紋缺陷（見圖1）。為避免漏探，施工單位立即決定對(duì)第一圈橫縫進(jìn)行100%探傷，以杜絕隱患。經(jīng)檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)17處不同程度的裂紋缺陷，且缺陷位置全部位于焊縫與第一圈壁板的熔合部位。

圖1 裂紋缺陷

2. 現(xiàn)場(chǎng)情況

（1）焊接工藝 焊接方法方面，橫焊縫采用埋弧焊。此方法在國內(nèi)眾多重點(diǎn)工程儲(chǔ)罐中均有成功應(yīng)用的范例，屬于成熟工藝。焊接材料方面，根據(jù)A516 Gr.70板材的化學(xué)成分與力學(xué)性能，按照ASME IX標(biāo)準(zhǔn)，焊絲和焊劑選擇四川大西洋EH14和CHF26H。并在業(yè)主代表和第三方見證下，嚴(yán)格按照ASME IX進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)，符合使用條件。具體焊接參數(shù)如表2所示。

（2）現(xiàn)場(chǎng)施焊情況 ①施焊環(huán)境：氣溫在20℃左右，相對(duì)濕度＜40%，符合焊接要求。②焊劑：使用前烘焙350℃，保溫時(shí)間1.5~2.0h，保溫150℃，符合產(chǎn)品烘干要求。③組對(duì)：橫縫的組對(duì)從一側(cè)開始調(diào)整，按順序每張板進(jìn)行組對(duì)，在最后一張板處調(diào)整，組對(duì)過程中錯(cuò)邊調(diào)整量不大，未造成強(qiáng)力組對(duì)。④焊前預(yù)熱：焊前利用火焰加熱的方式進(jìn)行預(yù)熱，火焰加熱槍與焊機(jī)相對(duì)固定，隨焊機(jī)的移動(dòng)對(duì)板材進(jìn)行加熱。⑤焊接順序：利用兩臺(tái)埋弧橫焊機(jī)，第一臺(tái)在前面打底操作，第二臺(tái)緊隨其后進(jìn)行填充。完成整圈壁板的打底和第一遍填充后，兩臺(tái)焊機(jī)進(jìn)行整體的填充蓋面。⑥裂紋出現(xiàn)位置：經(jīng)X射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，17處裂紋均出現(xiàn)在第一圈環(huán)縫的蓋面焊縫與第一圈壁板的熔合部位。

3. 裂紋產(chǎn)生原因分析

針對(duì)此次RT探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷，從裂紋產(chǎn)生位置、鋼材及焊

材的S、P含量等方面考慮，加之裂紋處無明顯氧化色彩，故主要考慮該缺陷為冷裂紋。因此從影響材料的淬硬傾向、應(yīng)力及含氫量三方面的相關(guān)因素進(jìn)行分析。

表1 A516 Gr.70化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 焊接參數(shù)

（1）焊前組對(duì) 如焊前組對(duì)時(shí)發(fā)生強(qiáng)力組對(duì)的情況，焊接完成后，固定夾具去掉后，焊縫將承受較大的拉應(yīng)力，造成焊縫產(chǎn)生裂紋。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際，組對(duì)過程中并未出現(xiàn)強(qiáng)力組對(duì)現(xiàn)象，可以排除強(qiáng)力組對(duì)造成焊縫承受較大拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋。

（2）焊前預(yù)熱、層間溫度及焊接熱輸入 由于第一圈壁板厚度達(dá)到32mm，因此焊前需預(yù)熱，預(yù)熱溫度應(yīng)在100~150℃。考慮現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的預(yù)熱方法，雖可去除坡口表面殘留的水分油污，排除氫的影響，但可能造成預(yù)熱溫度不足的情況，加之第一圈壁板的厚度要大于與其對(duì)接的第二圈壁板，因此預(yù)熱后的第一圈壁板溫度還要低于第二圈壁板溫度。焊接時(shí)，焊接電流大，焊接速度快，熱輸入相對(duì)較小，造成橫縫熔池的熱量迅速向溫度較低的第一圈壁板散失，熔池在極短的時(shí)間內(nèi)冷卻凝固，熔池化學(xué)成分不均勻，拘束應(yīng)力大，推測(cè)極有可能造成裂紋缺陷。同時(shí)考慮裂紋出現(xiàn)在蓋面焊道，可排除預(yù)熱的影響，層間溫度不足應(yīng)為導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋的原因之一。

（3）焊材烘干 埋弧焊劑CHF26H需要焊前烘焙，烘焙溫度和時(shí)間，以及保溫溫度都達(dá)到了產(chǎn)品的規(guī)定要求，排除焊劑吸水造成氫含量過高導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的原因。

（4）現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境 施焊時(shí)天氣晴朗，氣溫在22℃，相對(duì)濕度＜40%，氣候條件適宜，不應(yīng)對(duì)焊接產(chǎn)生影響，因此排除周圍環(huán)境為焊接裂紋產(chǎn)生的原因。

（5）焊接順序 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的焊接順序，未在完全完成打底焊接的情況下，即進(jìn)行了第一遍的填充工作，這樣造成第一圈收尾處焊縫的剛性變大，焊接熔池在冷卻過程中受到的應(yīng)力將增大，板厚越大，填充層越厚，則剛度越大，產(chǎn)生的應(yīng)力也將越大。考慮此處會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。同時(shí)，隨著儲(chǔ)罐的不斷焊接，罐體能夠釋放應(yīng)力的點(diǎn)不斷減少，應(yīng)力也在逐漸增大。因此，焊接順序?qū)е潞附託堄鄳?yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而可能導(dǎo)致裂紋缺陷的產(chǎn)生。

（6）焊接材料 焊接使用的焊絲及焊劑，均在國內(nèi)進(jìn)行過焊接工藝評(píng)定，確定了其與母材的匹配性。但不排除現(xiàn)場(chǎng)到貨的焊絲或焊劑，存在部分質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的可能，造成在局部使用時(shí)產(chǎn)生焊接裂紋。但同時(shí)焊接的坡口其他位置并未出現(xiàn)類似缺陷，故可排除因焊接材料質(zhì)量問題造成焊接裂紋缺陷。

（7）焊絲角度 橫縫采用K形坡口，即下壁板不開坡口，上壁板開雙面坡口，具體坡口形式如圖2所示。焊接時(shí)，如果焊絲角度較平，則會(huì)造成下坡口面的熔深較淺或熔合不好的現(xiàn)象，而熔深較淺的下坡口極有可能成為裂紋產(chǎn)生的源頭。

由以上分析可知，造成此裂紋缺陷的主要原因有：層間溫度控制、焊接熱輸入、焊絲角度以及施焊順序。

圖2 坡口形式

4. 解決措施

根據(jù)裂紋缺陷產(chǎn)生原因制定相應(yīng)措施。對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生裂紋缺陷的部位，采用碳弧氣刨加機(jī)械打磨的方式，并配合滲透PT檢測(cè)對(duì)缺陷進(jìn)行清理，保證缺陷清理徹底。然后，利用焊條電弧焊的方法對(duì)清除部位進(jìn)行補(bǔ)焊，附加X射線檢測(cè)，保證不再產(chǎn)生裂紋。

在后續(xù)的環(huán)縫焊接過程中，采取以下措施：①改變預(yù)熱方式，保證焊接時(shí)的預(yù)熱溫度達(dá)到100~150℃，同時(shí)保證焊接時(shí)的層間溫度。②施焊時(shí)，嚴(yán)格按照施工組織設(shè)計(jì)制定的焊接順序施焊，控制焊接變形和應(yīng)力。③適當(dāng)調(diào)整埋弧橫焊焊接速度，合理控制熱輸入，保證達(dá)到工藝要求。④調(diào)整焊絲角度，保證熔合比。⑤保證焊劑烘干時(shí)間、烘干溫度及保溫時(shí)間。

5. 結(jié)語

在隨后的施工過程中，嚴(yán)格執(zhí)行以上措施，未再發(fā)現(xiàn)類似裂紋缺陷，證明了分析結(jié)果的正確性和措施的可行性，保證了施工進(jìn)度和質(zhì)量。

劉增峰、張先龍、都宏海，大慶油田工程建設(shè)培訓(xùn)中心；王永峰，大慶油田工程建設(shè)化建公司。