API 2W GR50直縫焊管橫向裂紋分析及處理

季小波 田楊

摘 要：在API 2W GR50材質的埋弧直縫管（JCOE工藝）上發現大量穿過熱影響區的橫向裂紋，經過對母材、焊材、生產過程等因素的討論，分析了裂紋產生的可能原因，并制定了返修措施。

關鍵詞：API 2W GR50；埋弧直縫管；橫向裂紋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.033

1 問題簡述

API 2W GR50 是海洋結構用熱機械控軋（TMCP）鋼板，日前公司承接的澳大利亞碼頭支撐模塊主體采用管子桁架結構（圖1），管子為API 2W GR50材質板材通過直縫埋弧焊（JCOE）生產得到，管子壁厚范圍為25mm至50mm，直徑范圍為600mm至1500mm。

JCOE生產工藝簡單，采用多絲埋弧生產效率高，被廣泛應用在預制管，但本項目的中直縫埋弧焊預制管在無損檢測抽查時在發現大量穿過熱影響區的橫向裂紋（圖2）。針對此現象，采取了以下措施。

2 情況調查

（1）母材：經實測，母材化學成分及各項力學性能符合標準。

（2）焊材熔覆金屬化學成分及力學性能實測值符合標準。

（3）坡口形式如圖3。

（4）焊接工藝：

首先在管體外側使用實心焊絲打底，然后使用雙絲埋弧焊焊接內側坡口，外側不清根，最后使用三絲埋弧焊焊接外側坡口，打底前的預熱溫度不小于65℃，焊絲縱向間距約20mm，電流電壓參數如下：

3 裂紋類型分析

經查，所有抽查發現橫向裂紋的管子在焊后48h都經過了獨立的兩方UT檢查，當時均未發現裂紋，且已知的橫向裂紋在后續檢查中發現有緩慢長達的情況，判斷為延遲裂紋。

4 原因分析

生產實踐與理論研究證明：鋼材的淬硬傾向、焊接接頭中的氫含量、焊接接頭的拘束應力是延遲裂紋的三大要素，從這三個要素上分析裂紋的產生原因[1]。

（1）鋼材的淬硬傾向。API 2W GR50的碳當量CEIIW=0.36%<0.45%，焊接性良好。

由于多絲埋弧焊的熱輸入較大，導致熱影響區奧氏體晶粒易粗化。

打底焊前將管子使用電履帶加熱，但由于打底焊完成還需要將管子轉移至埋弧焊工位，實際焊前接頭溫度已比WPS要求的預熱溫度低，且由于管長超過10米，焊道間隔試件長，過程中的層間溫度可能存在低于預熱溫度。

（2）焊接接頭中的氫含量。由于多絲埋弧焊的單道焊縫體積大（實測焊縫單道焊縫寬度最大50mm），導致焊層焊道數少，后層對前層的消氫作用較弱。

實際使用的焊材含氫量未做明確要求。

焊劑從烘箱取出后到實際焊接時已接近室溫，結合雨季的氣候條件，存在焊劑吸潮的可能。

（3）焊接接頭的拘束應力。由于JCOE是將板材折彎成圓，縱向合口在定位焊前自由狀態下將會張開約100mm，然后使用強力拘束后進行定位焊，導致縱向接頭所受的應力較大，將會增加冷裂紋的傾向。

外側坡口深度大，焊接量大，且為三絲埋弧焊焊接，外側坡口應力較大。

實際裂紋深度多在外側第一層埋弧焊焊縫位置，也反應了接頭外側坡口的應力較大。

5 后續焊接改善措施

（1）為了減少熱輸入，降低熱影響區的晶粒粗大傾向，將內側雙絲外側三絲埋弧焊改為內外雙絲埋弧焊。

（2）提高預熱要求，降低焊縫冷卻速度，將打底焊前的預熱溫度提高到150℃，經實測，最終能保證內外埋弧焊焊前接頭溫度不低于110℃。

（3）提高焊劑烘干要求，將焊接烘干要求由350℃*2h改為350℃*3.5h。

（4）為了減小單道焊縫寬度，盡量降低后絲的焊接電壓，將后絲焊接電壓由40V降為38V，電流和焊接速度不變。

（5）選用含氫量控制更嚴的焊材（H5）。

基于以上更改，對三種F7A4-EH14類別焊材進行試驗，坡口形式不變，試板長度1米，板厚50mm，試驗參數及焊后檢測結果如下：

無損檢測發現的缺陷（非裂紋）經過射線檢查并刨開焊縫驗證，多數為氣孔，位置處于實心打底焊焊道位置，結合定位焊的分布，判斷為定位焊內的氣孔，后續增加對定位焊的檢查要求。最終結合焊材成本，選用焊材C進行后續焊接。

6 返修施工

對于不小于900mm的管子上裂紋的返修：

（1）對缺陷或缺欠區域進行碳刨，從更容易去除的一側（內側或外側）進行碳刨。

（2）碳刨接近缺陷或缺欠深度時停止碳刨，然后用MT檢查，如此反復直至找到缺陷。最后的刨槽兩端應呈斜梯形過渡，斜坡應在大約在1：3左右。

（3）然后使用GFL-71Ni藥芯焊絲將刨槽焊接完成，焊接參數通過在原裂紋焊縫上做模擬返修試驗得到。

對于直徑600mm的管子上的裂紋返修（內部無法人工焊接）：

（1）僅從管外側進行刨槽，直至徹底去除缺陷或缺欠。

（2）刨穿的部位要求刨穿槽底部開口寬度不得大于18mm，使用ER70S-G氬弧焊打底后再用GFL-71Ni填充蓋面，焊接參數通過在原裂紋焊縫上做模擬返修試驗得到。

其他要求通用：

當需要時，室外返修時必須管子兩側端部封住，使管子內沒有穿堂風；

通長裂紋返修，或在壁厚30mm以上的管子上返修少量裂紋時，焊接完成后立即使用保溫棉覆蓋焊縫；

對于同一接頭上的多個不連續少量的缺陷或缺欠的返修，需要對稱焊接，對于間距小于200mm的缺陷或缺欠需要作為一個缺陷處理。

7 結果檢查

對返修后的焊縫及后續使用改善后的方案焊接焊縫按照AWS D1.1進行UT檢查，并增加相控陣檢查，未發現裂紋及超標缺陷，表明以上措施是成功的。

參考文獻：

[1]陳祝年.焊接工程師手冊 第2版[M].北京：機械工業出版社，2009.