管端內襯不銹鋼復合鋼管環焊縫質量缺陷研究

周正強，李志德

（甘肅省水務投資有限責任公司，甘肅730000）

0 引言

內襯不銹鋼復合鋼管，是指采用碳鋼管作為基管，通過縮徑法、冷擴法、爆燃法或釬焊法復合工藝將不銹鋼內襯管與基管復合的雙金屬管材[1]。碳鋼管作為管道整體支撐構架，承擔抗拉、抗壓、抗剪、抗彎等管道在運行中可能承受的各種內、外力作用。不銹鋼內襯管復合于碳鋼管內壁，起到將碳鋼與管道內輸送介質隔絕的作用，從而顯著提高了碳鋼的耐久性。內襯不銹鋼復合鋼管因其具有良好的耐腐蝕性、耐酸堿性、耐熱性、耐久性等性能優勢，而廣泛應用于輸水、輸油、輸氣及化工工藝管道中。在國內某長距離輸水工程壓力鋼管設計中，采用了內襯不銹鋼復合鋼管，在最初的焊接工藝評定及試焊過程中，大部分試焊的環焊縫均出現不同程度的質量缺陷，導致生產焊接無法進行。本文根據焊接工藝評定，試焊過程及相關試驗檢測數據，就質量缺陷出現的原因進行深入分析，得出相關結論。

1 管道設計概況

該工程屬長距離引調水工程，主要建筑物形式有壓力管道、暗渠、隧洞、調蓄水池等。壓力管道布置中最長的一段全長約42 公里，大倒虹底部最大靜水壓力達437.8 米。管道設計為給水涂塑復合鋼管結構，外防腐形式三層聚乙烯材料，內防腐形式為熔結環氧粉末，主材Q345C （GB/T9711-2011PSL1、GB/T1591 -2008）， 焊 接 管 口 內 襯0Cr18Ni9（S304）不銹鋼板。

具體設計是：

基材：為螺旋縫埋弧焊鋼管Q345C，配套管件為Q345C。

焊接管口內襯：為厚度1.5 mm、寬120 mm 的S304 不銹鋼板。

管材、管件內壁防腐：采用熔結環氧樹脂粉末熱噴涂，涂層平均厚度≥400 μm，內防腐執行《給水涂塑復合鋼管》（CJ/T120-2008）。

管材、管件外壁防腐：使用熔結纏繞三層聚乙烯防腐涂層，涂層平均厚度≥3.0 mm，外防腐執行《埋地鋼制管道聚乙烯防腐層》（GB/T23257-2009）。

焊接法生產技術要求為：

（1）依據管道實際內徑尺寸下料，將不銹鋼板彎曲成型后，襯入管端內壁120 mm，先用不銹鋼焊條采取點焊方式固定，然后將管口環向焊縫、內側環向焊縫及不銹鋼板拼接的縱向焊縫全部滿焊，使不銹鋼套筒與鋼管內壁貼合緊密。

（2）內套筒應超出基管端部3 mm，并在3 mm處進行環向封口焊接, 并形成與管口過渡的30°坡口，其加工詳見圖1。端口處內防腐后如圖2 所示。

圖1 不銹鋼襯頭廠內加工示意圖

圖2 管口內防腐示意圖

2 焊接工藝評定、焊材檢測及試焊過程

經相關單位進行焊接工藝評定，推薦焊接工藝為：采用免充氬自保不銹鋼TG F309L 焊絲氬弧焊接打底（不銹鋼層），低氫型J507 焊條填充、蓋面（碳鋼層）。經相關試驗檢測單位，對焊材、母材進行了試驗檢測，檢測結果均滿足規范要求。

采用以上焊接工藝組織進行了現場試焊，經超聲、X 射線等無損檢測，結果顯示現場共試驗焊接環焊縫235 道，合格30 道，合格率僅為12.76%。焊縫質量缺陷主要為不銹鋼內襯鼓包、未熔合、未焊透、氣泡、夾渣、裂紋等[2]。

3 焊接質量缺陷原因分析

經過對以上試焊數據及焊縫質量缺陷類型進行仔細分析，認為本工程環焊縫質量缺陷可以分為以下兩種類型：

3.1 工藝性焊縫質量缺陷

工藝性焊縫質量缺陷一般為氣泡、夾渣、未熔合、未焊透等。產生這些質量缺陷的原因主要為焊接工藝參數設置不當，焊工焊接水平不足，或焊接現場環境條件控制不到位造成。這些缺陷可以通過調整焊接工藝參數，嚴格控制焊接現場環境條件，提升焊工焊接水平等方式進行改善，進而逐步消除。

3.2 結構性焊縫質量缺陷

在對焊縫質量缺陷進行分析中，發現了大量焊縫裂紋，同時伴隨著不銹鋼內襯鼓包現象，見圖3。裂紋多在填充第一層出現，一般是填充第一層焊接過程中或是焊接剛完成時立刻出現，裂紋位于焊縫中心，沿焊縫縱向分布，見圖4。

圖3 不銹鋼鼓包外觀照片

圖4 裂縫外觀照片

對其中一條表面觀測無裂紋的焊縫進行了外觀、力學性能檢測和金相分析，檢測結果為：

（1）焊縫外觀檢驗結果見表1，除咬邊和焊縫余高超出規范尺寸外，其他指標均為合格。

（2）焊縫拉伸性能試驗結果見表2，全部指標合格。

（3）焊縫彎曲性能試驗結果見表3，全部指標合格。

（4）焊縫硬度試驗結果見表4，全部指標合格。

（5）焊縫沖擊試驗結果見表5，全部指標合格。

（6）在使用掃描電鏡（日立S-3700N）進行金相分析過程中發現高度為1.119 mm 的微裂紋，見圖5、圖6。

圖5 裂紋微觀照片（尼康D90 單反相機）

圖6 焊縫裂紋尺寸測量（掃描電鏡日立S-3700N）

表1 焊縫外觀檢驗結果

表2 拉伸性能試驗結果

表3 彎曲性能試驗結果

表4 硬度試驗結果

表5 沖擊試驗結果

除金相試驗中偶然發現裂紋缺陷外，其它檢測試驗結果基本滿足標準要求。由于發現裂紋尺寸較小，在對環焊接頭進行無損檢測時，未發現缺陷。金相試樣的取樣位置是隨機的，因而本次金相檢驗過程中發現的裂紋也帶有很大的隨機性，在后期焊接過程中，也出現了大量類似位置的裂紋，所以該裂紋在本次現場施工焊接中，具有一定的代表性。

從后期現場重新定位取樣進行的裂紋分析證實了這一點。由圖6 可知，裂紋高度僅為1 mm 左右，尺寸較小，在無損檢測過程中，由于焊縫表面質量參差不齊，以及焊縫內部質量的不確定性，該裂紋在無損檢測中是很容易漏檢的。

3.3 結構性焊縫裂紋缺陷分析

（1）根據以上施工現場發現的大量裂紋及焊縫金相試驗中發現的微小裂紋出現位置來看，裂紋大多出現在填充層第一層。這一層恰好是不銹鋼打底焊熔池與填充層熔池之間的過渡區，由于碳鋼和不銹鋼兩層鋼板屬焊接貼合，結構上本來存在一個結合不夠緊密的貼合面，加之兩種不同金屬的物理、化學性質相差很大，因此在工程現場實際焊接作業中由于焊接環境影響或焊接作水平影響，就有可能沿著兩種金屬的貼合面產生裂紋。采用焊接法生產的內襯不銹鋼復合管，封焊區是最容易發生裂紋的區域之一。

（2）由于兩種材料的線膨脹系數及導熱系數存在較大差異，在焊接熱循環作用下焊后產生的冷卻不均勻，使得過渡區產生較大的不均衡應力即熱應力，在焊接過程中成為應力比較集中的區域。熱應力的存在，使焊縫金屬和熱影響區金屬材料受拉伸應力作用，遠離熔合線區域的金屬受壓縮應力作用，造成了材料內部應力不均而形成開裂[3]。

（3）不銹鋼管頭僅僅采用焊接法與碳鋼結合，結合部位不夠緊密，無法達到雙金屬管的密合程度，因而在焊接過程中普遍出現不銹鋼管頭鼓包問題。

通過以上理論分析論證，結合施工現場焊接試驗結果統計情況，本文認為焊接法生產的內襯不銹鋼板在焊接過程中出現的鼓包問題無法解決，而只能盡量緩解。

4 結語

管端內襯不銹鋼輸水管的設計，主要目的是在環焊完成后，內焊位置防腐層的修補工序可以節省。然而，相對于縮徑法、冷擴法、爆燃法制造工藝生產的雙金屬復合管，采用管端內襯焊接法封口的不銹鋼內襯復合管，雖然造價較低，在理論上具有可焊性，但在工程實際焊接施工中，焊縫合格率過低，無法達到大規模施工焊接的合格率要求，該設計帶來的負面效果遠多于其優點。通過節省內焊防腐層修補工序而降低的施工成本，遠遠彌補不了采用該設計帶來的施工成本上升；同時，焊接質量隱患大大增加。因此，在輸水管領域，該設計是不合理的。