直縫埋弧焊管焊縫內部橫向裂紋產生原因分析

王立柱， 陳小偉， 張 驊, 韓鐵利， 李志華， 吳紅星

（1. 渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣062658； 2. 渤海裝備研究院， 天津300280）

在生產厚壁直縫埋弧焊管時， 焊縫內部會有橫向裂紋產生， 裂紋的尺寸不一， 裂紋在焊縫深度和長度方向隨機分布， 沒有規律。 用超聲波手探檢測， 將Φ1.6 mm 豎通孔校驗靈敏度提高10 db， 反射波高最高80%， 按檢驗標準屬不超標缺欠[1-2]。 由于裂紋在焊縫內部， 沒有延伸到焊縫表面， 裂紋間隙很小， 大部分裂紋只有在焊縫橫向超聲波探傷時才能檢測到回波。 雖然裂紋的尺寸較小， 但在后續擴徑、 熱處理或服役過程中很可能發生擴展， 導致管道泄漏[3-4]。 因此，找出焊縫內部橫向裂紋產生的原因， 采取工藝措施避免裂紋的產生是本研究探討的主要內容。

1 生產實例

1.1 案例1

中俄東線部分露天使用彎管要求－45 ℃焊縫沖擊功單值≥60 J， 平均值≥80 J， 使用常規多絲雙面單道焊工藝生產母管， 做成彎管后焊縫沖擊功下降較多， 不能滿足標準要求， 為此開發了單絲多道焊工藝及焊絲。 在使用單絲多道焊工藝（方案1） 焊接Φ1 422 mm×33.8 mm X80M 低溫母管時， 發現焊縫內部有尺寸較小的橫向裂紋（如圖1 所示）， 探傷結果顯示內外焊縫均有裂紋存在。

對焊接工藝進行了改進， 改用三絲多層焊工藝 （方案2）， 并采用電伴熱帶對焊縫兩側300 mm 進行焊前預熱、 焊后石棉布保溫等措施降低焊接應力。 采用該工藝生產的母管做成彎管后焊縫內部未見橫向裂紋， 沖擊功滿足標準要求。 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管焊接參數見表1， 采用方案1 和方案2 得到的焊縫宏觀照片如圖2 所示。

圖1 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管裂紋微觀形貌

表1 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管焊接參數

圖2 Φ 1422 mm×33.8 mm 母管焊縫宏觀形貌

截取的彎管試樣如圖3 所示， 通過掃描電鏡觀察裂紋斷口上呈現光滑的枝晶狀開裂形態， 并存在高溫氧化， 剖面金相試樣上也可以觀察到類似的失效特征， 這表明裂紋為焊接熱裂紋[5]。

圖3 Φ 1 422 mm×33.8 mm 彎管試樣

在焊縫結晶后期， 由于低熔點共晶形成的液態薄膜削弱了晶粒間的聯結， 在拉應力作用下產生裂紋[5-6]。 即熱裂紋產生的條件： 一是低熔點共晶， 二是拉應力。 對鋼管母材、 焊絲、 焊縫的化學成分進行了分析， 結果見表2。

從表2 可以看出， 裂紋管焊縫成分中Cu 含量偏高， Mn 和Mo 含量偏低。 焊絲A 化學成分中w（Cu）=1.0%， 是焊縫中Cu 的主要來源。 方案2焊縫中w（Cu）降低30%， 減少了焊縫低熔點共晶形成的機率； w（Ni）含量降低20%， w（Mo）上升1 倍， w（Mn）上升13%。

在母管上截取焊縫縱向圓棒拉伸試樣， 并在焊縫邊緣取母材縱向圓棒拉伸試樣做拉伸試驗，試驗結果見表3。

由表3 可以看出， 方案1 焊縫的屈強比偏高， 延伸率偏低， 母材延伸率較高， 焊縫在冷卻過程中， 由于焊縫金屬的收縮產生較大的縱向拉應力， 當焊縫塑性很差時， 在拉應力的作用下比較容易開裂； 方案2 焊縫的延伸率和屈強比與母材接近， 焊縫的塑性有了較大的改善， 焊縫內部橫向未產生裂紋。

表3 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管拉伸試驗結果

1.2 案例2

在使用方案3 （見表4） 生產Φ1 016 mm×26.2 mm X70M 鋼管時， 發現焊縫內部有橫向裂紋（如圖4 所示） 產生， 探傷結果顯示裂紋只存在于外焊縫。

表4 Φ1 016 mm×26.2 mm X70M 鋼管焊接參數

圖4 Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管焊縫裂紋微觀形貌

取樣檢驗母材和焊縫的化學成分見表5， 拉伸試驗結果見表6。 試驗結果未發現異常。

Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管焊縫宏觀照片如圖5 所示。 由圖5 可以看出， 外焊縫寬度較小，熔深較大， 焊縫的寬深比較小。 改用方案4 工藝（見表4）， 通過降低外焊焊速， 減小外焊一絲、二絲電流， 增加外焊熱輸入， 使外焊縫的寬深比加大， 焊縫內部橫向裂紋再未出現。

表5 Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管及焊絲的化學成分

表6 Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管拉伸試驗結果

圖5 Φ1 016 mm×26.2 mm 鋼管焊縫宏觀形貌

1.3 案例3

采用Φ1 016 mm×21 mm 鋼管用鋼板對裁，按照方案5 工藝（見表7） 生產Φ508 mm×21 mm X70M 鋼管時， 發現焊縫內部橫向裂紋如圖6 所示。 探傷結果顯示裂紋只存在于內焊縫。

取樣檢驗母材、 焊縫和焊材化學成分， 結果見表8。 通過掃描電鏡得到的裂紋SEM 形貌如圖7 所示， 分析結果是裂紋處C 和Nb 的含量偏高 （見表9）。 分析認為裂紋處C 可能是晶界周圍的滲碳體， 而只有鋼板中含有Nb， 剖分鋼板中間可能存在局部偏析。

表7 Φ508 mm×21 mm 鋼管焊接參數

圖6 Φ508 mm×21 mm 鋼管焊縫裂紋微觀形貌

表8 Φ508 mm×21 mm 鋼管和焊絲化學成分

在鋼管上取焊縫縱向圓棒拉伸試樣， 并在焊縫邊緣取母材縱向圓棒拉伸試樣做拉伸試驗， 試驗結果見表10。 由表10 可以看出， 焊縫的延伸率偏低為14.1%， 屈強比偏高為0.945。

圖8 Φ508 mm×21 mm 鋼管焊縫宏觀形貌

為增加焊縫延伸率， 降低焊縫屈強比， 改用方案6 工藝 （見表7）， 將內外焊二絲由合金含量高的H08MnMoTiB 焊絲更換為不含合金成分的H08A 焊絲， 并調整焊接參數， 焊縫形狀及性能均得到改善， 焊縫內部未出現橫向裂紋。 Φ508 mm×21 mm 鋼管焊縫宏觀形貌如圖8所示。

2 原因分析

以上幾個案例表明， 焊縫內部橫向裂紋的產生與焊縫的延伸率、 屈強比、 低熔點共晶成分以及焊縫的寬深比有關。

金屬在高溫時的延性和斷裂曲線如圖9 所示。金屬在高溫時的延性和斷裂取決于3 個因素， 即拉應變對于溫度的變化率?ε/?T、 脆性溫度區的大小ΔTB和在這個區間里金屬的延性δmin。 ?ε/?T 越大， ΔTB越大， δmin越小， 越容易產生裂紋[7]。

圖9 金屬在高溫時的延性和斷裂曲線

焊接殘余應力與焊接變形在很大程度上具有相反的行為特征， 焊接變形較大時焊接殘余應力較小， 焊接變形較小時焊接殘余應力較大[8]。 隨著屈強比的增加， 由于材料的塑性變形能力下降， 使得材料緩和應力集中、 松馳裂紋尖端局部應力和限制裂紋擴展的能力降低[9]。

熱軋正火鋼一般w（C）較低， Mn/S 較高， 具有較好的抗熱裂紋能力。 當材料成分不合格而發生嚴重偏析或局部w（C）、 w（S）含量很高時， 也會出現熱裂紋[10]。 Nb 對結晶裂紋的形成有促進作用， 促進低熔點硫化物和碳化物形成。 含Nb 鋼在高溫下有較低的塑性。 熱裂紋敏感性與焊縫金屬成分的關系為

其中， 當w（C）≤0.08%時， C*等于0.08%。

防止熱裂紋的冶金措施是： 嚴格控制母材和焊縫金屬中C、 S、 P 和其他易形成低熔點共晶體的合金元素Nb、 Ni、 Si 等含量， 當w（C）≤0.12%、w（S）≤0.01%、 w（P）≤0.02%， 則可采用較高的熱輸入而不產生熱裂紋； 當以Nb 做為微量合金元素對鋼進行合金化時， w（Nb）不應超過0.03%[9]。

通過改變焊接坡口尺寸或改變焊縫形貌， 降低母材在焊縫金屬中所占的比例 （即熔合比），避免母材成分偏析帶來的影響[11]。

焊縫的寬深比越小， 呈現窄而深的焊縫， 焊縫金屬結晶速度加快， 焊縫中產生夾渣和裂紋的傾向越大[12]。 另外， 焊縫的寬深比越小， 加熱區域越集中， 較高程度的溫度集中會使焊接區在冷卻時產生較大的塑性應變， 這種情況下通常要求焊件材料具有較高的塑性[8]。 制定焊接工藝時， 設計合理的坡口形式和幾何尺寸， 調整焊接參數， 以增大焊縫的寬深比， 防止焊縫內部橫向裂紋的產生。

3 結 論

（1） 控制母材中w（Nb）， 要求焊縫中w（Nb）≤0.03%， 當焊縫中w（Nb）偏高時， 可通過減少母材熔合比進行調整。

（2） 焊接工藝評定中增加焊縫縱向拉伸試驗， 防止出現焊縫延伸率偏低、 屈強比偏高的情況。 建議焊縫金屬的延伸率≥15%， 當焊縫金屬延伸率偏低、 屈強比偏高時， 可換用合金含量較少的焊絲進行調整。

（3） 適當調整焊接參數， 加大焊縫寬深比，建議焊縫金屬的寬深比≥1.6。