X80管線鋼對接接頭射線底片常見缺陷種類及原因分析

李 朋

(安徽省特種設備檢測院，安徽 合肥 230051)

近年來，我國的天然氣管道建設如火如荼，天然氣輸送用管線鋼級也從起初的X60迅速提高到了X80，2005年我國首次開始使用X80級管線鋼[1]。X80管線鋼的最小屈服強度為555MPa，材料強度高，焊接性較差。焊接時容易產生諸多缺陷，特別是容易出現裂紋，對工程質量有很大危害。只有通過不斷地總結分析，找出導致焊接接頭缺陷產生的諸多因素，才能更好的指導現場實際應用。

某西氣東輸管線工程，管道規格為φ1219×22、φ1219×18，材質為API 5L X80，焊接完成經過射線檢測后，發現有很多焊接接頭存在未熔合、氣孔甚至裂紋缺陷，對工程進度和焊接質量造成了不小的影響。本文通過對照射線底片上缺陷的位置，對該工程中如此頻繁的出現此三類缺陷的原因，從人機料法環五個方面進行了分析總結。

1 X80管線鋼的焊接工藝

經過焊接工藝評定，該工程所選用的焊接工藝如下：焊接方法為GMAW根焊、FCAW填充和蓋面；預熱溫度100～200℃，預熱方法是火焰加熱，加熱寬度是坡口兩側各50 mm；根焊GMAW選用的ER70S-G、ER70C-6M、 E80C-Ni1焊絲，填充和蓋面FCAW填充選用的E81T8-Ni2、E81T8-G焊絲；GMAW保護氣體是80%Ar和20%CO2；單絲填充，根據焊縫坡口寬度，允許多道焊；焊槍運作方式是鋸齒形或者月牙形橫向擺動；焊后熱處理無要求。

2 焊接接頭缺陷

焊接接頭的射線檢測采用單壁單影的透照方式，經過對底片進行評定，以下三類缺陷的出現比較頻繁：未融合、氣孔、裂紋。尤其是裂紋，返修的焊接接頭中頻繁出現此類缺陷。

2.1 未融合

未熔合是一種面積型缺陷，坡口側未熔合和根部未熔合會明顯減小焊接接頭承載截面積，應力集中比較嚴重，其危害性僅次于裂紋。本工程中頻繁出現的未融合類型如圖1～4所示。

圖1 未融合1

圖2 未融合2

圖3 未融合3

圖4 未融合4

由圖分析可知圖1～3為接近焊縫表面的坡口未融合，圖4為根部未熔合。未融合缺陷的出現如此頻繁，從人機料法環幾個方面分析，焊接工藝經過若干工程的驗證，工藝參數已然很成熟，所以具體原因在于人、機環節上。焊工沒有按照正確的焊接工藝作業指導書焊接，為了加快焊接速度，擅自提高電流。在長輸管道焊接現場，此類現象屢見不鮮，工藝規程上的電流參數只是一個范圍，焊工通常都會選擇最高的電流參數，以提高焊條、焊絲的熔化速度，達到提高焊接速度的目的，從而導致熔化的金屬未能充分流動就已凝固，出現未融合缺陷。此外，焊接前坡口未清潔干凈、存在雜質或油污，焊接時焊槍沒有充分擺動、電弧指向偏斜、焊接位置有死角，也會導致未融合缺陷。此類原因導致的未融合偶然性較大，不會大批量存在。機具方面考慮的話，焊機電性能不穩定，導致焊接時熱輸入高低變化，焊絲未能充分熔化流動就已凝固。

2.2 氣孔

圖5 條孔1

圖6 條孔2

圖5、圖6所示條孔缺陷位于焊縫的中間。該類缺陷的出現，根本原因是焊接過程中，焊接本身產生的氣體或外部氣體進入熔池，在熔池凝固前沒有來得及溢出熔池而殘留在焊縫中。如果某一個焊工在完成的焊口中多次出現此類缺陷，而其他焊工沒有。那排除掉機、料、法、環的因素，就是人的操作出現的問題。焊接過程中，焊接速度過快、焊前焊件周圍未充分清理干凈、焊接時未采用短弧焊接，都會導致氣體進入熔池形成氣孔缺陷。此類缺陷如果是焊工完成焊口的共性問題，那就是料、法、環的問題了。焊材未清理干凈，存在油污雜質；焊接線能量過大，熔池凝固速度太快；焊接施工環境溫度低，有風時未搭設防風設施，管子焊接有穿堂風。底片上氣孔顏色不均勻，具有一定的方向性，平行于焊縫。從形態上可以得出，此類缺陷很可能是由于焊工焊接電流過大、焊接速度過快引起的。

2.3 裂紋

由射線底片(圖7、圖8)可見，該類缺陷位于焊縫的根部熔合區附近，沿焊接方向伸展。通常該裂紋缺陷和底片上根部的熔合線會纏繞在一起，在底片靈敏度低、黑度不足的情況下很可能會漏檢。X80鋼的小鐵研試驗證實根部裂紋主要出現在焊接接頭熔合區附近，屬于穿晶裂紋，是典型的焊接冷裂紋[2]。由于冷裂紋一般受組織淬硬性、焊接接頭殘余應力、焊縫金屬擴散氫含量三個因素影響。我們可以從人機料法環五個方面出發，對這三個因素進行控制并采取相應措施，降低冷裂紋出現的可能性，提高焊接接接頭的質量。

控制組織淬硬性、焊接接頭殘余應力、氫含量，可以從料和法上兩個方面出發。在選材上，對于焊材和母材的匹配，在強度設計滿足設計要求時，盡量不選擇用高強匹配。因為高強匹配的焊接接頭淬硬傾向會加大，熔合區組織晶粒韌性較低，從而導致熔合區易出現焊后冷裂紋。工藝上，由于在X80鋼現場焊接時，采用了自保護藥芯焊絲等含氫量高的焊材，如果焊接電流大，冷卻速度又快，晶粒就會長大嚴重，如果冷卻速度慢，又會導致焊縫脆化，嚴重影響焊接接頭的性能。從防止冷裂紋出發,要求冷卻速度慢為最佳,但對于脆化來說,卻要求冷卻快較好，因此為了兼顧兩者的冷卻速度范圍。焊接時可以采取小電流、快速焊、多層多道焊的工藝達到防止冷裂紋和脆化的目的。除此之外，焊前預熱一定要嚴格執行。研究表明，焊前對母材進行一定的預熱，可以有效的改善熔合區的組織性能和組織應力及降低管道組對時的拘束應力。同時焊前對母材進行預熱，氫在焊接接頭中擴散的速度會明顯加快，在焊縫金屬中的殘留的氫濃度也會下降。因為預熱情況下焊接， 焊接接頭冷卻速度減慢，預熱溫度越高，冷卻越緩慢，擴散氫逸出時間越長，大量的擴散氫會通過加速擴散而逸出[2]，從而降低冷裂紋的敏感性。

圖7 裂紋1

圖8 裂紋2

3 小結

人機料法環是對全面質量管理理論中的五個影響產品質量的主要因素。在產品出現問題時，肯定是這五個方面中的某一環節出現了問題。通過對本工程X80鋼焊接過程中頻繁出現的缺陷分析，人的因素至關重要。焊接過程中，未嚴格按照工藝規程操作，包括焊前準備不全、焊前清理不認真、焊接工藝參數執行不到位、焊接機具未焊前檢查、焊接過程中責任心不強等。無論是配備怎樣的機具、選用怎樣的材料、制定怎樣的工藝、注意怎樣的環境，最終還是要由人去實現、去付諸實施。人的因素至關重要。機料法環的環節是宏觀可控的，人的因素不可控。所以，要從提高人的認識、人的水平、人的責任心上出發，控制好人的因素，再去修正其他因素才能從根本上控制好X80鋼的焊接質量。