T型節點焊縫層狀撕裂缺陷的檢驗與修復

趙忠祥，王 猛

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

T型節點是常見焊縫節點形式的一種，其在鋼結構中主要起連接作用。本文主要討論T型節點焊縫層狀撕裂缺陷的產生原因、缺陷特征，以及質量控制的實例分析。層狀撕裂是在T型接頭或角接接頭中，位于母材或熱影響區并沿鋼板軋制方向形成的呈梯狀的一種平行于鋼板表面的裂紋。

在T型節點焊縫質量控制過程中，焊接完成后，無損檢驗時，由于其缺陷位于熱影響區或者被交材料內部，磁粉檢驗很難發現由焊接導致的層狀撕裂。同時，超聲回波位置信息顯示，反射體位置并未處于焊縫或者熱影響區中，容易造成檢驗員認為焊縫檢驗結果沒問題，從而疏忽此種危害缺陷的甄別［1］。

層狀撕裂缺陷發現后，通過超聲波檢驗確定缺陷的位置區域，然后通過干式磁粉檢驗方式確認缺陷是否完全去除，而后采用本文案例中推薦的焊接修復方式，在氣刨區域通過堆焊方式替換問題區域母材，提高焊后節點材料的抗撕裂性能。本文案例中，通過分析確定，由于節點母材選用錯誤導致其抗撕裂性能較差，易出現層狀撕裂缺陷。

1 層狀撕裂缺陷的產生機理及影響因素

在軋制鋼板中存在硫化物、氧化物和硅酸鹽等低熔點非金屬夾雜物，其中以硫化物的作用為主，在軋制過程中被延展成片狀，分布在與表面平行的各層中，在垂直于厚度方向的焊接應力作用下，夾雜物首先開裂并擴展，以后這種開裂在各層之間相繼發生，連成一體，造成層次撕裂的階梯性。

因此，層狀撕裂區別于其他焊接裂紋的最大特征，就是在外觀上呈階梯狀開裂。

1.2 層狀撕裂的影響因素

1.2.1 材料

鋼材的含硫量、含碳量、焊縫中氫擴散含量以及鋼材縱向和橫向上的特性都會對層狀撕裂產生起到一定的作用。

1.2.2 焊縫接頭形式

焊縫接頭形式有以下兩個。

（1）節點形式的合理性。接頭節點的設計是否合理在很大程度上會影響層狀撕裂的出現。

（2）坡口的合理性。坡口的形式、坡口角度大小等參數對改變母材厚度方向承受的拉應力有很大影響。

1.2.3 焊接工藝

焊接工藝因素主要涉及焊接方法和焊接工藝兩個方面。

2 質量控制實例

2.1 案例介紹

某一深海采礦船井架底座建造過程中，按照業主提供設計圖紙施工，施工圖紙如圖1所示，節點形式及撕裂位置如圖2所示。在進行無損檢驗時，發現所有主梁下翼板平齊相交厚25 mm的工字梁腹板的T型節點，其被交母材內均發現可疑超聲反射回波。反射回波特點：超聲波斜探頭直射波可探測到，反射回波強度接近靈敏度試塊參考反射體強度水平，回波尖銳有鋸齒，并且同一區域有多處深度不同的反射波，臨近非被交母材用直探頭縱波掃查無相關反射。焊縫的表面及近表面經磁粉檢驗亦無缺陷。最終確定此反射回波是由被交母材內部出現的層狀撕裂造成。隨后采用氣刨后干磁粉檢驗以確定缺陷情況。

圖1 施工圖紙

圖2 節點形式及撕裂位置

經過分析，此次層狀撕裂的產生是由于該類T型節點被交區域的板材為DH36碳鋼材質，為非Z向力學性能材料，抗層狀撕裂能力較弱，受到焊縫的收縮拉應力作用導致母材沿厚度方向出現開裂。經分析認為設計時，選材不合理是產生母材層狀撕裂的根本原因。此處結構設計應采用含有Z向力學性能的抗撕裂鋼材［2］。

2.2 撕裂修復

被交母材層狀撕裂修復方案采用氣刨方法清除T型節點焊縫周圍不含有Z向力學性能的母材，使用抗拉強度高的焊材進行補焊，使T型節點周圍的焊縫具有一定的抗拉強度，避免了母材出現層狀撕裂的情況。

2.2.1 撕裂修復方案

結合該節點受力的情況，采用合理的順序，用氣刨開坡口方式清除母材中的層狀撕裂缺陷。具體操作：先氣刨清除板材下1／3的母材，焊接完成后再清除上2／3的母材焊縫直至裂紋完全清除。這種氣刨順序是為了把有較大坡口、焊接量較大的部位置于平焊位置，易于焊接操作，保證焊接質量。修復過程中，采用對稱氣刨、焊接的操作。本方案只從現場操作方面入手，結合業主規格書和相應焊接工藝進行焊接作業，不涉及結構設計問題。

2.2.2 具體修復步驟與措施

（1）修復前的準備工作

修復工作應由有資質的人員完成，所有的返修工作都按批準的工藝執行。

移除T型節點焊縫含有層狀撕裂風險25 mm范圍內的母材金屬，全部氣刨移除。預熱150℃以上，開始碳弧氣刨清除缺陷，直至全部移除25 mm無Z向力學性能母材金屬，進行磁粉檢驗合格后進行焊接修補作業。

去除的部分應有足夠的深度及長度以保證缺陷完全去除，去除部分應圓滑過渡至母材金屬，并應給焊接作業提供足夠的作業空間。

氣刨坡口及其附近25 mm范圍內，需清理干凈，打磨出金屬光澤。

（2）焊接修復施工

返修焊接的預熱溫度至少高于原WPS的預熱溫度50℃。預熱應覆蓋返修區域及周圍至少等于壁厚長度（但不小于75 mm）范圍并保持至返修完成。本次返修工作采用電加熱，預熱至160℃。

使用經過批準的焊接程序，參數如表1所示。

表1 焊接參數

返修焊接作業嚴格按照工藝程序執行，選用合理的焊接參數及多層多道焊接，并由專職人員做好焊接記錄。返修焊接完成后立即做焊后熱處理，溫度控制在300±15℃，且高溫停留時間1.5 h。

（3）修復后無損檢驗

熱處理完成后使用和原始焊縫相同的無損檢驗方法進行檢驗。無損檢驗在焊接返修完成48 h后進行，并包括全部返修焊縫區域。在本項目中出現的層狀撕裂，用此方法焊接返修完成后，經過檢驗，焊口均合格，無層狀撕裂出現。

T型節點層狀撕裂缺陷出現位置為母材及熱影響區的內部，焊縫表面磁粉檢驗無法探測到，超聲檢驗斜探頭直射波可發現。在識別缺陷時，碳弧氣刨或打磨后采用干式磁粉進行檢驗，這樣可避免濕式磁粉對溫度的苛刻要求，同時無需等待即可檢驗，可減小氣刨后該處的應力集中對撕裂顯示的影響［3］。

3 層狀撕裂的防止措施

層狀撕裂是一種非常嚴重的危害缺陷，如不事先預防采取有效控制措施并及時排除隱患，后果會非常嚴重。對于層狀撕裂的形成，3種條件必須同時存在，分別是厚度方向上的應力，敏感的接頭形狀以及材料雜質含量高。因此，為了避免層狀撕裂的出現，必須消除這3種因素的任何一種。預防T型節點層狀撕裂的出現，主要從以下幾個方面控制。

3.1 材料選用

在設計階段嚴格選用材料，對存在材料厚度方向應力的焊縫節點采用具有Z向力學性能的鋼板，嚴格控制所用鋼材中硫的含量。

3.2 選用合適的接頭及坡口形式

3.2.1 選用合理的節點形式

節點的合理選用可以有效減小鋼板Z向受力，提高抗層狀撕裂能力，具體措施如表2所示［4］。

表2 改善層狀撕裂的節點形式

3.2.2 采用合理坡口

在滿足設計要求前提下，選擇合理坡口形式、角度、間隙，可以有效地減少焊縫截面積以及改變焊縫收縮應力，由此達到減小母材厚度方向承受拉應力的目的，具體如表3所示［5］。

表3 改善層狀撕裂的坡口形式

3.3 采用合理的焊接工藝

采用合理的焊接工藝［6－8］，具體如下。

（1）使用低氫型焊條或氣體保護電弧焊施焊，控制冷裂紋傾向，有利于改善抗層狀撕裂性能。

（2）采用多層多道數施焊，使應力分布均勻，減少應變集中。采用適當小的熱輸入的多層多道焊，從而減小收縮應變。

（3）采用焊后消氫熱處理加速氫的擴散，使焊縫中氫的含量降低，從而減低冷裂紋傾向，提高抗層狀撕裂性能。

（4）采用預熱減少和防止層狀撕裂，將原定的防止氫裂紋預熱溫度再提高50～100℃并保持一定的預熱溫度（正面焊接背面加溫）及后熱措施，防止近縫區材料硬淬化，也有助于焊接接頭中擴散氫的溢出。

4 結束語

層狀撕裂缺陷往往是從材料內部產生，容易形成隱患，危害極大，因此對其預防控制工作非常重要。本文從原材料的質量、焊接工藝、焊接接頭設計等方面對層狀撕裂的成因做了具體分析。對層狀撕裂的產生及影響因素進行了列舉和論述，并通過舉例說明海洋工程中遇到的層狀撕裂的檢測方法、注意事項過程及修復焊接工藝和參數，以供業界參考。