潮濕環(huán)境下大型厚壁容器焊接裂紋防控措施探討

趙承先，陳兆坤，任海濤，張博利，李杰先，張祖祿

中國石油天然氣第七建設(shè)有限公司，山東青島266300

近年來，隨著石油化工設(shè)備的不斷升級換代，設(shè)備結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，超大型設(shè)備也越來越多，設(shè)備壁厚也越來越厚。某公司大型厚壁設(shè)備直徑為8 000～12 000 mm，設(shè)計(jì)厚度為60～145 mm，材質(zhì)為Q345R 正火，屬于厚壁超限容器。為方便運(yùn)輸，需在沿海碼頭進(jìn)行施工，故涉及到在潮濕環(huán)境下進(jìn)行厚壁鋼板的焊接工作。由于在此種環(huán)境下環(huán)縫易出現(xiàn)焊接裂紋，因此開展了模擬試驗(yàn)并進(jìn)行分析。

1 Q345R鋼及其焊材的力學(xué)性能和化學(xué)成分分析

首先對Q345R 鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能[1]進(jìn)行了復(fù)驗(yàn)，結(jié)果表明其各項(xiàng)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表1、表2 所示。然后對焊材E5015 化學(xué)成分和力學(xué)性能[2]進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，其各項(xiàng)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表3、表4 所示。

表1 Q345R 鋼化學(xué)成分

表2 Q345R 鋼力學(xué)性能

表3 焊材E5015 化學(xué)成分

表4 焊材E5015 力學(xué)性能

2 現(xiàn)場焊接裂紋產(chǎn)生的特點(diǎn)、原因分析及防控措施

2.1 現(xiàn)場焊接裂紋產(chǎn)生的特點(diǎn)

現(xiàn)場厚壁板縱向焊縫焊接完成后，通過進(jìn)行TOFD 檢測發(fā)現(xiàn)，單節(jié)縱向縫的焊接質(zhì)量相對穩(wěn)定，很少出現(xiàn)規(guī)律性缺陷；而橫向環(huán)縫上出現(xiàn)了較多的質(zhì)量問題，多以裂紋和氣孔為主，從現(xiàn)場焊縫的TOFD 檢測情況看，環(huán)縫上熱影響區(qū)出現(xiàn)長度約10 ～50 mm 不等的微裂紋，裂紋特性明顯。

2.2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

一般情況下，產(chǎn)生裂紋的條件與以下三方面密切相關(guān)：一是氫的侵入，焊件周圍焊接區(qū)域中的水汽、鐵銹、油污和焊材中的水分及潮濕空氣等是氫的主要來源，這些水汽、鐵銹或油污等在焊接時(shí)在焊接電弧的高溫作用下分解生成氫原子，被帶入熔池中；二是結(jié)構(gòu)組織，通常情況下焊縫熱影響區(qū)中生成的馬氏體組織較多時(shí)，發(fā)生冷裂紋傾向會(huì)增大；三是應(yīng)力作用，由于在焊接過程中受熱面積較小，焊縫產(chǎn)生熱過程較快，應(yīng)變循環(huán)使焊接應(yīng)力增大，從而產(chǎn)生殘余應(yīng)力現(xiàn)象。

2.3 防控裂紋的措施

根據(jù)上述裂紋產(chǎn)生的特點(diǎn)、部位、時(shí)間、宏觀形貌特征、原因分析等，提出并采取了防、控并用的焊接工藝措施，以避免焊接過程中產(chǎn)生裂紋。其一，控制焊接環(huán)境濕度：施焊時(shí)空氣濕度對焊縫中擴(kuò)散氫含量影響巨大，濕度大會(huì)使水汽直接侵入熔池中；其二，控制焊前預(yù)熱：預(yù)熱溫度越高，焊縫中氫含量會(huì)越低，且預(yù)熱還會(huì)降低焊縫冷卻速度，減少過硬組織（馬氏體） 的產(chǎn)生[3-4]；其三，控制焊接熱輸入量：焊接時(shí)熱輸入量過大會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)馬氏體組織的形成，增大了產(chǎn)生冷裂紋的傾向；其四，焊材控制：焊材中擴(kuò)散氫含量過高、烘干溫度不夠、焊條在保溫桶內(nèi)存放時(shí)間過長或保溫措施不到位都會(huì)造成焊縫中氫含量增加，從而增大產(chǎn)生裂紋的傾向。

3 模擬現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行焊接試驗(yàn)

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因分析，設(shè)計(jì)了4 組模擬試驗(yàn)，焊接位置均為2G 橫位，試件厚度t 為50 mm，材質(zhì)Q345R 正火，焊條J507RH，預(yù)熱溫度100 ℃，焊接方法SMAW，試驗(yàn)參數(shù)見表5。

表5 對比焊接試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)要求如下：

（1） 焊材的選用。焊縫金屬中C、S、P 以及容易形成低熔點(diǎn)共晶體的合金成分是導(dǎo)致焊縫易于產(chǎn)生裂紋的決定因素，這些元素和雜質(zhì)含量的高低對焊縫金屬的抗裂性能影響甚大，含量高則抗裂紋性能差，反之則抗裂紋性能好。當(dāng)焊縫金屬中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過0.15%時(shí)，產(chǎn)生裂紋的傾向會(huì)大大增加。如果原材料中含有過高的碳，那么在選用焊接材料時(shí)就需要嚴(yán)格控制碳元素含量，以滿足焊接性能要求。

（2） 試驗(yàn)工藝參數(shù)的調(diào)整。考慮到此次焊接試驗(yàn)鋼材的特點(diǎn)，除了對工藝參數(shù)等進(jìn)行了如表5所示的調(diào)整外，還控制了以下工藝參數(shù)：第一，焊條運(yùn)條施焊時(shí)采用斜圓圈或斜鋸齒往復(fù)式運(yùn)條方法，有利于熔池內(nèi)鐵水的均勻攪拌，結(jié)晶過程相對平穩(wěn)，還能起到促使氣孔等缺陷快速逸出的作用；第二，為避免焊縫金屬和熱影響區(qū)形成粗晶組織而降低鋼韌性[5]，需嚴(yán)格控制熱輸入量的輸出，熱輸入量控制在≤25 kJ/cm，焊接時(shí)采用快速多道焊以避免焊接區(qū)溫度過高，還可利用多層多道焊的重?zé)嶙饔眉?xì)化晶粒，從而改善焊縫的組織性能。

4 試驗(yàn)結(jié)果與最終焊接措施的確定

對4 組試驗(yàn)進(jìn)行無損檢測和拉伸、彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表6。

從表6 對比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，潮濕環(huán)境對焊接影響較大，需要采取多種措施進(jìn)行控制。

表6 對比焊接試驗(yàn)結(jié)果

（1） 優(yōu)先選用焊接性好、對冷裂紋敏感性不強(qiáng)且碳當(dāng)量較低的優(yōu)質(zhì)焊材。

（2） 制作焊接區(qū)域防護(hù)棚，盡量減少因空氣潮濕造成的影響，制訂合適的預(yù)熱溫度及其范圍。選用合適的預(yù)熱溫度可以有效清除焊件坡口內(nèi)及其周圍水汽、油污等有害因素的影響，同時(shí)減緩焊縫的冷卻速度，促使氫快速向熔池外逸出，減少焊縫中擴(kuò)散氫的含量，還可以降低焊接區(qū)的溫度梯度和焊縫冷卻速度，釋放焊接應(yīng)力。

（3） 減少焊接時(shí)氫致缺陷的來源。首先，在焊材選用上，采用超低氫型焊條；其二，焊條使用前需按要求進(jìn)行烘干，且應(yīng)貯存在100～150 ℃恒溫箱內(nèi)；其三，焊接時(shí)焊條需放置在有加熱、恒溫功能的焊條保溫桶內(nèi)，隨用隨取，因環(huán)境潮濕，規(guī)定在保溫桶內(nèi)存放時(shí)間最長為2 h，超時(shí)需按原烘干溫度再次烘干后方可使用，且最多可重復(fù)烘干2 次；其四，采取防風(fēng)措施，防止因風(fēng)大造成焊接時(shí)熔池周圍保護(hù)氣團(tuán)遭破壞，從而導(dǎo)致熔池得不到有效保護(hù)；其五，雨雪天及空氣濕度大于90%時(shí)應(yīng)停止施焊。

（4） 焊接熱輸入量的有效控制。合適的焊接工藝參數(shù)是獲得良好焊接接頭的前提，而熱輸入量的大小又是重中之重，焊接時(shí)如果熱輸入量過大，會(huì)造成焊縫熱影響區(qū)寬度增加、晶粒粗大、塑性和韌性降低、焊縫的整體機(jī)械性能下降，焊接時(shí)如果熱輸入量過小，又會(huì)造成焊縫熱影響區(qū)易于出現(xiàn)淬硬組織，再受擴(kuò)散氫作用的影響，易于導(dǎo)致焊縫生成冷裂紋。因此焊接時(shí)熱輸入量宜控制在18～23 kJ/min 范圍內(nèi)。

（5） 焊道（層） 間溫度的控制。焊接時(shí)需保持合適的道（層） 間溫度，有利于延緩焊縫冷卻速度，便于殘存在焊縫中的氫快速逸出和降低接頭殘余應(yīng)力，道（層） 間溫度應(yīng)保持持續(xù)穩(wěn)定且以不低于預(yù)熱溫度為宜[6]。

（6） 調(diào)整焊接長度和焊接順序。按倍數(shù)增加焊工數(shù)量，對稱焊接，且每名焊工焊接的焊縫長度盡量縮短，采用分段退步焊法，這樣的施焊方法和焊接順序能使整個(gè)環(huán)縫同時(shí)對稱收縮或膨脹，可有效控制焊接變形，減少焊接殘余應(yīng)力，防止裂紋產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

采用上述焊接裂紋防控措施使焊縫出現(xiàn)裂紋缺陷得到了有效控制，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。另外為了杜絕產(chǎn)品焊接過程中出現(xiàn)裂紋，不僅需要成熟的焊接工藝技術(shù)，還要樹立良好的焊接質(zhì)量意識(shí)以及對焊接工藝制度的嚴(yán)格執(zhí)行力。