X70管線鋼根焊裂紋淺析

■ 徐占江，王傳友，唐元生，胡善芳

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在長輸管線X70鋼的焊接施工中，采用纖維素焊條下向焊根焊、自保護焊絲氣體保護焊下向焊填充蓋面工藝，在直管與直管對接焊縫焊接，外觀檢查和X射線探傷均未發現裂紋。在規格為φ813mm×22.23mm直管與彎頭對接焊縫進行根焊時，發現根焊層有裂紋出現，裂紋長度30～370mm不等。裂紋出現在錯口較大的部位，裂紋表征為冷裂紋。而同材質＜φ813mm的管線施焊沒有出現裂紋，這些管件壁厚與直管差別不大。

通過現場考察與X70鋼下向焊工藝分析，發現焊口兩側壁厚差別大、管內壁錯口大和焊工操作不當是導致根焊裂紋的主要原因。

1. 產生裂紋的原因分析

（1）裂紋情況分析 直管對接焊縫和直管+管件焊縫焊接采用相同的焊接工藝、相同的焊條、相同的焊工和工序，在相同的環境下進行焊接，外觀檢查與射線檢測沒有發現任何問題。

但現場實測發現，管件壁厚較厚，最大的部位超出直管15mm，且坡口處倒角不合理，直管與管件內壁有錯口現象。

纖維素焊條采用的是BOHLER FOX CEL E 6010進口焊條，E6010纖維素焊條是專門為工業設計的管道打底專用焊條，它的特點是電弧穩定、電弧吹力大、低飛濺、熔池清晰，單面焊雙面成形好，全位置焊接性好。焊工反映該焊條焊接性好，以往很少出現這么多的裂紋，即使以往出現裂紋，經打磨補焊后不會再出現裂紋。但這次的裂紋不僅出現的多，且打磨補焊后還出現，焊工隨即停止焊接該類型的焊口。

（2）焊接性分析 X70管線鋼因具有高強度、高抗動態撕裂能力、高低溫沖擊韌性，以及較高的耐壓強度，而用于天然氣長距離輸送管線。根焊裂紋的表征為冷裂紋，根據國際焊接學會推薦的碳當量計算公式，碳當量＜0.40%時，表明材料的焊接性較好，具有較好的抗冷裂紋能力，X70管線鋼碳當量為0.3797。焊條和管材的化學成分如表1、表2所示。

（3）壁厚差對根焊的影響 由于管件一側壁厚大，對根焊焊縫的冷卻速度大于焊縫另一側較薄的直管段，導致該處焊縫及熱影響區脆性增大，焊縫金屬韌性不足，是導致焊縫開裂的一個因素（見圖1）。

表1 焊條化學成分（質量分數） （%）

表2 管材化學成分（質量分數） （%）

（4）焊縫錯口對根焊的影響 由于管徑較大，直管有不同程度的橢圓現象。管件端口部位在出廠時經過機械加工，端口是圓的。兩者組對時，導致管內壁錯口。由于壁厚大，即使采用機械矯正錯口，還是會出現管內壁錯口。

采用下向焊打底根焊時，管內壁局部錯口，焊工沒有在高坡口一側多做停留，導致該處焊層厚度較薄，存在應力集中現象，不足以抵抗焊縫收縮產生的拉力，導致焊縫開裂。

理想的根部焊縫成形是焊縫與母材自然圓滑過渡，不會產生應力集中現象。實際焊接中，在水平固定焊口的上半部，由于鐵液自然流淌，焊工操作不當時，會出現圖2所示的根部成形狀態，焊縫與母材交界處形成死角，導致應力集中，是產生開裂的重要因素。

綜上所述，焊口兩側壁厚差別大、管內壁錯口大和焊工操作不當三個因素綜合作用，導致根焊時焊縫裂紋出現。

2. 裂紋處理方案

經過綜合分析，擬采取以下方法進行處理。

第一，對焊縫兩側預熱100℃，以降低根焊焊縫冷卻速度，改善焊縫韌性，提高焊縫抗裂性能。

第二，根焊錯口部位時，焊工對錯口部位要加強焊層厚度的控制，在保證焊縫背面成形的同時，保證焊層厚度均勻，以減小厚度差，進而減小應力集中，降低應力對焊縫的影響。

第三，根焊完成后，經外觀檢查和滲透檢測確定沒有裂紋后，采用正常的工藝進行后續焊層的焊接直至完成。

采取以上方法，首先對出現裂紋的焊口進行返修，驗證上述方法的可行性。根據返修結果情況，經RT檢測焊縫沒有裂紋后，再在新的焊口上進行焊接措施驗證。經RT檢測焊縫沒有裂紋后將此方法用于其他焊口的焊接。

3. 焊接操作要點

根焊操作要點在于控制錯口部位根焊背面成形與焊縫形狀，正常焊縫焊接時，焊條在焊縫兩側的停留時間基本相等。

在錯口部位焊接時，焊條應在朝向外側高的焊縫一側，向坡口上多焊一些，增加此處焊縫厚度；在低的焊縫一側，焊條移動要快速準確，防止將另一側焊縫的鐵液過多的帶到這一側。這樣，盡量控制焊縫在兩側坡口厚度均勻，減少應力集中。

由于母材經100℃預熱，根焊電流要適當減小。在保證焊縫背面成形、坡口兩側熔合良好的前提下，盡量增加焊層厚度，提高焊縫抗裂能力。根焊焊接參數如表3所示。

4. 處理方案驗證

首先在現場進行焊接驗證，選擇一個有缺陷的焊口，同一個焊工施焊，采用氧乙炔火焰對焊口兩側預熱100℃。焊工加強焊縫兩側停留時間的控制，采用以往的焊接工藝進行焊接，打底根焊沒有出現裂紋，對焊縫熱焊后放置一晚上，第二天外觀檢查，沒有發現裂紋，隨后進行填充蓋面焊接完成該焊口，48h后進行RT射線檢測。

采取同樣的工藝，將其他出現裂紋的焊口進行返修處理，該焊口有三處裂紋，平焊位置裂紋長度350mm，立焊位置裂紋長度40mm，根焊后目視檢測未發現裂紋，蓋面完畢放置48h后進行RT射線檢測。

經RT無損檢測合格后，新組對一道焊口進行整口焊接驗證。按照常規的方法組對定位焊后，用兩把焊炬對焊口兩側預熱100℃，兩名焊工同時根焊打底。

根焊完畢對焊道進行打磨處理，仔細檢查焊縫表面，確認無裂紋后填充、蓋面，整個過程除必要的焊道清理，應一次連續焊接完成。

圖1 直管與管件組對示意

圖2

表3 根焊焊接參數

5. 結語

通過全面分析裂紋產生原因，制定正確的焊接工藝措施，加強焊工操作技能水平，是解決焊接裂紋的重要舉措。經過X射線檢測，返修焊口和新焊焊口全部合格，驗證了返修方案的正確性，為工程順利交工提供保障。