俄供大厚壁設備裙座焊縫裂紋缺陷處理措施

唐 平，楊祥福，程 家，劉建華，趙德民

（中國核工業二三建設有限公司，江蘇連云港222042）

1 概述

某公司在2015年秋冬季節完成4臺俄供大厚壁設備裙座焊接，首臺于11月焊接完成，焊后經超聲[1-2]檢測合格。最后1臺于2016年01月焊接完成，經超聲檢測，發現剩余3臺設備裙座焊縫上均有連續線性缺陷顯示，缺陷主要分布在裙座坡口與焊接熔合線位置。針對裂紋產生原因進行分析，得出大厚壁設備裙座在焊接過程中由于受設備自重和預埋件約束作用，自身結構拘束度過大，使焊縫應力[3]增大。在焊接過程中無法有效地釋放焊接應力，使得焊縫在相對薄弱側無法產生塑性變形，而焊縫無法自由收縮是引起裂紋缺陷的主要原因。同時，由于預埋板厚度大，焊縫冷卻速度快，冬季施工焊前未進行預熱處理，焊后緩冷措施不到位，焊縫應力增大是焊縫產生裂紋缺陷的原因之一。據此，現場制定了焊縫裂紋缺陷返修措施，并在施工過程中切實執行，最終于2016年7月完成3臺俄供大厚壁設備裙座焊縫裂紋的返修工作，經超聲檢測全部合格。同時，該措施成功應用到其他相同俄供大厚設備壁裙座焊接中，均未出現焊縫裂紋缺陷。在此重點介紹焊縫裂紋返修的經驗。

2 現場情況

（1）俄供設備主要技術參數。設備重約81 t、高約12 m、筒體直徑φ3.2 m，屬于立式儲罐設備，通過下部筒體裙座和預埋板焊接固定，底部裙座材質22К，規格 36 mm，預埋板材質 22К，厚度 90 mm，接頭型式為K型坡口，檢驗要求為100%目視+100%UT，焊縫等級Ⅲ級。材料的化學成分如表1所示。

表1 22К鋼化學成分Table 1 Chemical component of steel 22К %

根據化學成分評估，俄供22K鋼是焊接性較好的鋼材。

（2）焊接工藝。焊接方法方面，俄方技術文件建議采用的焊接工藝[4]為手工電弧焊。焊接材料[5]方面，焊材是俄供牌號為УОНИИ13/45，規格φ4.0的焊條，化學成分及熔敷金屬的機械性能如表2所示。焊接工藝評定[6]嚴格按照《原子能動力裝置的設備和管道焊接接頭和堆焊的監督條例_ПНАЭГ-7-010-89》[7-8]進行，達到了標注規定的各項指標，符合使用條件，具體焊接參數如表3所示。

表2 焊材УОНИИ13/45化學成分及機械性能Table 2 Chemical component and mechanical property of welding material УОНИИ13/45

表3 焊接參數Table 3 W elding parameter

（3）現場施焊情況。①組對間隙：根據焊接工藝要求，組對間隙0～3 mm，實際組對間隙0 mm。②現場施工環境：白天最高溫度約6℃，夜間最低溫度約-3℃，相對濕度小于50%，符合焊接要求。③焊接工藝：由兩名焊工對稱分布同時從設備內側進行打底焊接3層；然后從外側對焊縫進行清根，并進行PT檢驗無缺陷后，從外側焊接3層；隨后清理內側焊縫，目視檢查合格后，進行內側焊縫填充焊接至要求焊縫高度，采用保溫棉緩冷；最后清理外側，目視檢查合格后，進行外側焊縫填充至要求焊縫高度，采用保溫棉緩冷。

（4）設備裙座焊縫超聲檢測結果。俄供大厚壁設備共計4臺，首臺焊后經超聲檢測合格。剩余3臺經超聲檢測，在裙座焊縫上均有連續線性缺陷顯示，最長約2 000 mm（見圖1），缺陷主要分布在裙座坡口與焊接熔合線位置。

圖1 打磨出的裂紋缺陷Fig.1 Defect of cracks by grinding

3 裂紋產生原因

根據超聲檢測結果顯示，缺陷主要位于焊縫根部（焊縫深度方向18～20 mm），呈連續性分布，后經返修打磨，發現根部均為間斷性的裂紋缺陷。為查明裂紋產生原因，對人、機、料、法、環5個環節進行逐一排查，具體分析如圖2所示。

分析認為，造成焊縫裂紋的主要原因是焊口存在應力，影響應力的因素有環境溫度低、未進行焊前預熱和焊后熱處理。

（1）設備自重約81 t，預埋件厚度90 mm，且通過鋼筋混凝土進行預埋。在焊接過程中受自身重量和預埋板的限制，焊縫無收縮變形量，從而導致焊接過程中產生的應力和拘束度大，容易產生裂紋缺陷。

圖2 焊縫裂紋缺陷分析Fig.2 Analysis for defect of weld cracks

（2）廠家技術文件和焊接工藝均未要求進行焊前預熱處理。在實際焊接過程中，由于是冬季，室外環境溫度低，在低溫環境下施焊，焊前未進行預熱處理，焊接完成后僅采用保溫棉緩冷，焊縫冷卻速度快，焊縫呈脆硬成形的趨勢，導致焊縫成形過程中出現層間撕裂現象。

（3）根據焊接工藝要求，焊接前組對間隙為0～3mm。實際上受設備結構制約，裙座在焊接前未預留出最大組對間隙，對焊縫成形及焊接應力產生影響。

4 焊縫裂紋修復措施

根據裂紋產生的原因制定相應措施，對已產生裂紋缺陷的部位，通過機械打磨[6]，并配合液體滲透檢手段將裙座焊縫全部打磨，確保裂紋缺陷徹底清理干凈。然后按照如下步驟進行修復焊接：

（1）組對間隙調整。利用千斤頂逐次頂升設備裙座4個150 mm×140 mm缺口位置，在每段坡口處放置2～3組3 mm的鋼板進行支撐，使其滿足組對間隙為0～3mm；在設備裙座4個150 mm×140mm缺口位置放置4組墊鐵支撐（見圖3）；并在內外側筒體上標識出焊工的焊接工位和每段工位上的焊接順序，采用分段退焊的順序2名焊工對稱分布焊接，以減小焊接應力及變形。

（2）焊材選用。由于俄方在后續相同設備的焊材供貨中，將焊條更改為УОНИИ13/55，規格φ4.0。根據焊材機械性能表可知（見表4），УОНИИ13/55焊條的焊接性能優于УОНИИ13/45焊條。經與俄方技術澄清，在修復焊縫時采用УОНИИ13/55焊條，規格φ3.0的焊條打底焊接，規格φ4.0的焊條填充焊接。

圖3 設備焊接順序示意Fig.3 Sequence of equipment wel-ding

（3）增加預熱[9]和保溫措施。焊前通過火焰對待焊母材區域進行預熱處理，焊前預熱和焊后保溫的最低溫度不得低于50℃。最終焊接完成后及焊接過程中每次間斷后都要采取保溫措施。

（4）焊接工藝。嚴格按照焊接工藝（見表5）和施工組織設計制定的焊接順序施焊，通過控制焊接速度，采用窄焊道、小電流的方法，控制焊縫層間溫度，降低線能量，最終達到控制焊接變形和應力的目的。

（5）焊接順序。采用牌號為УОНИИ-13/55、規格φ3.0的焊條先對大坡口側進行打底焊接，每段焊接2層，連續焊接至坡口約2/3位置；清根焊縫，并進行PT檢測；選用牌號為УОНИИ-13/55、規格φ3.0的焊材進行清根后的打底焊接。打底焊接時，每段焊接2層，連續焊接至坡口約2/3位置；打磨內外側焊縫，進行逐層目視檢查；采用牌號為УОНИИ-13/55、規格φ4.0的焊材對內外側焊縫進行填充焊接，直至與內側母材平齊為止；打磨內、外側焊縫，進行逐層目視檢查；采用牌號為УОНИИ-13/55、規格φ4.0的焊材進行內、外側蓋面焊接；最終焊接完成后及焊接過程中每次間斷后都要采取保溫措施；待焊縫冷卻后，打磨焊縫，打磨完成后進行100%目視、PT和UT檢測。

表4 焊材УОНИИ13/55化學成分及機械性能Table 4 Chemical component and mechanical property of welding material УОНИИ13/55

表5 焊接參數Table 5 W elding parameter

5 結論

由俄供設備大厚壁裙座焊接時出現的焊縫裂紋缺陷及返修情況可知，對于剛性固定、被焊件母材厚度過大且焊接時容易產生裂紋的焊縫，在雨雪、低溫天氣，可采取措施為焊接創造良好的施焊條件，嚴格執行焊接工藝規程，控制預熱、層間溫度、焊后保溫和改善環境溫度等措施，降低焊縫應力及約束度，可以完全消除裂紋缺陷。同時，焊接時應注意以下幾方面：

（1）增加焊前預熱，保持預熱溫度和均勻性。

（2）每段連續焊接不少于2層，防止單層熔敷金屬過薄強度不夠，出現層間撕裂。

（3）打底焊接時采用較小直徑的焊條。

（4）焊接時采用窄焊道、小電流的方法，控制層間溫度，降低線能量。

（5）減少焊縫應力和約束度。

①合理分段和焊接順序并采用偶數焊工對稱同步退焊工藝。同時根據現場實際坡口大小合理布置焊道，以減小焊接應力。

②坡口焊接至與母材齊平后，采取措施釋放焊接應力。

③焊接過程中直到最終焊接完成后，每次間斷焊接均采取保溫措施。

（6）做好過程控制與檢查。

（7）增加焊縫層間打磨、層間檢查等相關內容。

（8）對焊工技能進行專項培訓，提高焊工的焊接水平，規范操作方法。