淺析鋼質(zhì)管道焊縫裂紋的成因及控制措施

摘 要：本文通過某燃氣工程中鋼管焊縫裂紋處理案例，分析裂紋成因，進而提出控制措施，為后續(xù)工程的鋼管焊接質(zhì)量控制提供了有益借鑒，有效地確保燃氣工程質(zhì)量。

關鍵詞：焊縫裂紋；成因分析；控制措施

由于燃氣管道輸送的是易燃、易爆的氣體介質(zhì)，因此對于管道連接的質(zhì)量要求較高。目前不同材質(zhì)的燃氣管道連接形式主要有：焊接、絲接、壓接、法蘭連接等，其中以鋼質(zhì)管道焊接形式應用最多。在鋼管的焊接過程中，有時會出現(xiàn)一些隱性質(zhì)量缺陷，如不及時發(fā)現(xiàn)和修復，將給燃氣輸配運行留下嚴重的安全隱患。因此，如何把好鋼管的焊接質(zhì)量關，一直是燃氣工程管理者最關注的問題。

1 鋼管焊縫裂紋事件概述

2016年筆者曾負責組織一個小區(qū)燃氣工程施工，小區(qū)總共1200戶，埋地管使用的是PE管，出地后經(jīng)鋼塑轉(zhuǎn)換變?yōu)槭褂脽o縫鋼管（20#鋼），包括引入管、架空管、立管及進戶支管等，管徑有Φ57、Φ38、Φ32、Φ22，采用的是手工電弧焊方式，使用J422焊條。在進行試壓時陸續(xù)發(fā)現(xiàn)有低壓系統(tǒng)燃氣立管焊縫出現(xiàn)裂紋，經(jīng)最終排查，總共發(fā)現(xiàn)有58個焊縫出現(xiàn)裂紋，且基本都發(fā)生在進戶支管在立管上開孔焊接的角焊縫。這樣成批出現(xiàn)焊縫裂紋實屬少見，如若處理不好將是一起嚴重的質(zhì)量事件，因此，筆者立即采取了以下處理措施：1）現(xiàn)場割取3個焊縫缺陷樣品以及收集未使用完的電焊條備檢；2）為不影響工程工期，立即安排技術人員在現(xiàn)場指導焊工對缺陷焊縫進行修復，以確保修復質(zhì)量；3）組織技術人員進行焊縫裂紋成因分析。

2 鋼管焊縫裂紋成因分析

本次尋找焊縫裂紋的成因主要從三方面著手：母材質(zhì)量、焊條質(zhì)量、焊接操作。母材質(zhì)量。經(jīng)送檢現(xiàn)場取回的鋼管樣品，鑒定報告給出的結論是母材的物理性能達標，以及五大元素達標。焊條質(zhì)量。經(jīng)送檢樣品，鑒定報告給出的結論是符合規(guī)范要求。

通過查閱資料可知，鋼材焊接中遇到的裂紋通常有以下三類：熱裂紋：在高溫下產(chǎn)生，而且都是沿奧氏體晶界開裂；它的主要形態(tài)是結晶裂紋，即焊縫在結晶過程中，在固相線附近由于凝固金屬的收縮，晶粒間的液態(tài)薄膜承受不了拉應力，以致沿晶界開裂。冷裂紋：是在相當?shù)偷臏囟龋丛阡摰鸟R氏體轉(zhuǎn)變溫度附近約200-300℃，由于約束應力、淬硬組織和氫的作用，焊接接頭產(chǎn)生的裂紋，即屬冷裂紋。脆裂（亦稱脆斷）：在溫度急劇下降時由于金屬及焊縫變脆而發(fā)生的低應力破壞的現(xiàn)象，即稱為脆裂。本工程地處三亞，常年高溫且溫差變化不大，因此從裂紋分類來講此次焊縫裂紋應屬熱裂紋。

焊縫是焊條和母材兩者經(jīng)過電流高溫熔化后形成，是焊條和母材由固體變成液體，也就是由固態(tài)變成液態(tài)（通常稱為鐵水），再由液態(tài)變成固態(tài)，高溫液體是熱脹，冷卻變成固體是收縮。液態(tài)變成固態(tài)的過程，也就是鐵水變成晶粒的過程就是結晶過程。母材溫度低的位置先開始結晶，逐漸向焊縫中間位置伸展，焊縫中間最后結晶。從熱裂紋的產(chǎn)生原理來看，是在焊縫結晶過程中受不利因素影響而產(chǎn)生。經(jīng)咨詢行業(yè)專家，并結合焊接工藝分析，一般認為焊縫開裂由以下因素影響：應力、拘束力、剛性、化學成分、組對間隙、電流、焊道、母材清潔度等。可能是某種因素造成，也可能是多種因素造成，這就必須要找出造成焊縫開裂的主要因素和次要因素，最終根據(jù)主要、次要因素采取相應措施進行解決。

在對本工程施焊焊工的問詢過程中，了解到焊工曾發(fā)現(xiàn)有些焊縫在自然冷卻過程中就出現(xiàn)細小裂紋；因此，在根據(jù)檢測報告排除母材和焊條因素影響后，基本可確定應力是本批焊縫開裂的主要影響因素。至于產(chǎn)生應力的原因，則應從焊接工藝、現(xiàn)場管道組對、焊接操作等方面去分析并采取控制措施予以避免。

2.1 焊接工藝分析

本工程焊接鋼管為20#無縫鋼管，規(guī)格為Φ57×4、Φ38×4、Φ32×4、Φ22×3，選用的是：J422焊條，手工電弧焊方式，V型坡口，兩層焊，因工程地處三亞，設計未要求焊接預熱和焊后熱處理。上述工藝符合公司制定的焊接工藝評定和焊接工藝規(guī)程要求，但不排除焊工實際操作時有漏打坡口情況。

2.2 管道組對分析

本次焊縫裂紋主要集中于進戶支管在立管開孔處的角焊縫（如圖“┣”），因此主要對立管與進戶支管的組對焊接進行分析。進戶支管規(guī)格均為Φ22×3，立管為Φ38×4、Φ32×4兩種規(guī)格。為避免在立管上開孔過大導致立管變形，現(xiàn)場實際開孔尺寸均小于支管外徑，因此支管連接形式均采用安放式焊接支管。三亞是一座候鳥型城市，很多住戶常年不在三亞，為便于安檢和維護，三亞的燃氣立管設計多數(shù)采用戶外立管形式，因此立管和支管安裝需要在高空作業(yè)完成。在管道組對時，為保證橫平豎直，作業(yè)人員通常先將立管固定于外墻面，然后將預制好的進戶支管與立管對接定位，做好標記后在立管上進行電焊開孔，最后將支管用管卡輔助固定再與立管組對焊接。如嚴格按此操作執(zhí)行，一般不會有因重力作用或強力組對而產(chǎn)生的破壞應力出現(xiàn)。但不排除焊工因開孔位置偏差而采取強力組對的情況出現(xiàn)。

2.3 焊接操作分析

在進行焊接操作時，除上述因素外，影響焊接質(zhì)量的因素還有：氣候條件（溫度、濕度、風速、雨天等），焊工水平（是否取證、持證，具備焊接壓力管道的資格和能力），焊接參數(shù)（是否按照焊接工藝規(guī)定設置焊接參數(shù)，而不是憑經(jīng)驗隨意調(diào)整）。經(jīng)查證施工日記可證明施焊時的氣候條件符合要求，焊工均持證上崗且從業(yè)多年，并且焊工均說明在同一工程中經(jīng)試焊確定的焊接參數(shù)不會隨意調(diào)整。但不排除焊工在高空施焊時，因操作不便、視線受限等原因?qū)е氯毕莓a(chǎn)生。

3 控制措施

完善焊條管理制度，加強采購、保管、烘烤、領用、回收等環(huán)節(jié)管理。如焊條在使用前應放入烘烤箱在100～150℃溫度下烘焙1-2小時，從烘烤箱取出后應立即放入焊條保溫桶帶到現(xiàn)場使用，當天未用完的焊條應重新放回烘烤箱保溫。焊條在保管和使用過程中應避免被污染。

在條件允許的燃氣工程施工中，在地面完成立管和支管的焊接預制，等待完全冷卻后分段吊裝，避免因重力作用或強力組對產(chǎn)生應力導致焊縫裂紋。

焊接操作時注意事項：電焊吹孔后必須對孔內(nèi)側進行打磨，由于吹孔已經(jīng)改變了孔周圍的金屬結構，勢必會殘留一些焊渣、毛刺甚至熔流顆粒等。這些殘留物在加熱后結晶，物理性能已經(jīng)發(fā)生了變化，同時里面可能殘留了金屬表面的鐵銹或氫化物。如果不清理干凈，在第二次焊接時會發(fā)生化學反應，導致冷卻過程中應力的不同進而可能造成焊縫開裂。

開孔處的焊縫組對間隙不能過大，采用小規(guī)格電焊條、小電流順焊縫的一邊貼著焊，根據(jù)焊縫預留間隙大小、母材厚度、焊縫深度來決定。

定位焊：定位焊縫的長度、厚度和間距的確定，應能保證焊縫在正式焊接過程中不開裂；在根部焊道焊接前，應對定位焊縫進行檢查，當發(fā)現(xiàn)缺陷時，應處理后方可施焊。分層焊：先采用小電流對焊縫處進行第一層焊接，第一層焊接完成后緊接著進行第二層焊接，層間接頭應錯開，焊完后整個焊縫的高度要大致一樣，不能形成大面積的堆焊或少焊。焊接時要注意引弧和收弧質(zhì)量，收弧處確保弧坑填滿，防止弧坑火口裂紋。每條焊縫盡可能做到一次焊完，若被迫中斷時，應及時采取防裂措施，確認無裂紋后方可繼續(xù)施焊。

在重點加強焊接工藝控制的同時，也應加強管材采購環(huán)節(jié)和驗收環(huán)節(jié)的控制，從源頭防止不合格管材流入，這是保證工程質(zhì)量的前提。

4 結束語

在本次焊縫裂紋處理過程中，雖然送檢管材未檢出不合格成分，但因目前海南省內(nèi)檢測機構只檢測碳素鋼的五大元素，因此不能完全排除該批管材中可能含有影響焊接性能的其它雜質(zhì)。為穩(wěn)妥起見，燃氣公司最終更換了管材供應商，并計劃針對小管徑的立管焊接重新組織焊接工藝評定，據(jù)此修訂焊接工藝規(guī)程，以更好地管控工程焊接質(zhì)量。

作者簡介：

李彥（1975- ），男，漢族，身份證號碼：511181197505084411，四川峨眉山人，大學本科，工程師，研究方向：城市燃氣。