S690高強(qiáng)鋼冷裂紋原因分析及控制措施

張歡歡

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

S690高強(qiáng)鋼冷裂紋原因分析及控制措施

張歡歡

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

通過(guò)對(duì)S690高強(qiáng)鋼母材的化學(xué)成分、碳當(dāng)量、溫度控制、氫含量、應(yīng)力情況等方面進(jìn)行分析,找出了母材焊后產(chǎn)生冷裂紋的原因，并制訂了焊前清理雜質(zhì)，保證預(yù)熱溫度，焊后立即進(jìn)行消氫、消應(yīng)力保溫?zé)崽幚淼群傅婪敌蘅刂拼胧?，從而使缺陷焊道得到成功修?fù)并檢驗(yàn)合格。結(jié)果表明，嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，是保證S690高強(qiáng)鋼冷裂紋成功修復(fù)的關(guān)鍵因素。

應(yīng)力；焊后熱處理；碳當(dāng)量；擴(kuò)散氫；預(yù)熱

0 引 言

隨著國(guó)家海洋石油戰(zhàn)略由淺海逐漸邁向深海，海上采油平臺(tái)和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越大型化，有時(shí)可達(dá)幾千噸甚至上萬(wàn)噸，因此，對(duì)安裝這些重型裝備起重設(shè)備的承載強(qiáng)度要求也越來(lái)越高。在某大型海上平臺(tái)起重用吊機(jī)項(xiàng)目中，滑輪組箱體吊點(diǎn)結(jié)構(gòu)涉及一種S690低合金高強(qiáng)鋼材料，由于其強(qiáng)度較高，焊接性較差，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)焊接完成以后產(chǎn)生裂紋。本文就S690高強(qiáng)鋼焊接裂紋產(chǎn)生原因及控制措施進(jìn)行論述。

1 裂紋性質(zhì)及特點(diǎn)

裂紋是在焊后72h內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)的，并且隨時(shí)間的延長(zhǎng)而增多，因此，將其判定為冷裂紋，也稱延遲裂紋。

冷裂紋自身具有如下特征： (1)焊縫冷卻過(guò)程中，當(dāng)溫度降到200～300℃區(qū)間或者常溫時(shí)，逐漸產(chǎn)生。(2)發(fā)生在焊縫熱影響區(qū)時(shí)，一般會(huì)由缺口效應(yīng)引起，例如在焊接缺陷，如咬邊、未熔合或者成形不良的焊趾、焊道處，這些區(qū)域一般會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中；少部分發(fā)生在焊縫中，多是由物理、化學(xué)性質(zhì)不均勻的氫聚集區(qū)域所引起的。(3)宏觀腐蝕實(shí)驗(yàn)在裂紋斷口處可見(jiàn)金屬光澤，而在微觀顯微下，一般具有結(jié)晶和穿晶混合形態(tài)的走向。

經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)(NDT)對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，共發(fā)現(xiàn)裂紋19處，其中橫向裂紋15處，縱向裂紋4處，沿焊道邊緣裂紋7處?，F(xiàn)場(chǎng)裂紋數(shù)量如表1所示。裂紋形態(tài)如圖1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)裂紋數(shù)量

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

S690高強(qiáng)鋼焊接參數(shù)如表2所示。母材及焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表3和表4所示。形成冷裂紋的三大因素分別是焊接接頭的含氫量，鋼材的淬硬組織以及焊接接頭的拘束應(yīng)力。

(a) 橫向裂紋

(b) 縱向裂紋

(c) 沿焊道邊緣裂紋

焊層焊接方法填充金屬直徑/mm電流/A電壓/V焊接速度/(mm·min-1)熱輸入/(kJ·mm-1)打底SMAWE7018?12560～9018～2250～7009～16填充SMAWE7018?132/4090～17018～2660～15010～25蓋面SMAWE7018?13290～12018～2490～13007～13

表3 母材及焊材的化學(xué)成分

表4 母材及焊材的力學(xué)性能

2.1 接頭的含氫量

氫是引起高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋的重要因素之一，并且有延遲特征。在焊接過(guò)程中，熔敷金屬在高溫環(huán)境下熔解了很多氫，焊縫在冷卻時(shí)，游離氫的溶解度會(huì)降低，冷卻的速度越快，留給氫逸出的時(shí)間越短，殘留在焊縫金屬中氫的比例就越大，從而增大冷裂紋產(chǎn)生的可能性。

氫在熔敷金屬內(nèi)部擴(kuò)散過(guò)程中，擴(kuò)散氫會(huì)向金屬內(nèi)部有微觀缺陷的地方聚集，從而使該部位的氫濃度急劇升高，當(dāng)氫達(dá)到較高濃度時(shí)，既會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力，又會(huì)因阻礙位錯(cuò)移動(dòng)而使該處變脆，當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步加大時(shí)，就會(huì)促使缺陷擴(kuò)展而形成裂紋，這種過(guò)程可周而復(fù)始持續(xù)進(jìn)行，視氫逸出量和內(nèi)部的能量而定，焊接延遲裂紋就是由許多單個(gè)微裂紋集合而形成的宏觀裂紋。

焊縫中的擴(kuò)散氫主要來(lái)自以下幾個(gè)方面。

圖2 藥皮中水分對(duì)焊縫含氫量影響Fig.2 Effect of the moisture in the coating on the amount of hydrogen

(1) 焊材中的氫。焊條藥皮中的水分越多、空氣濕度越大，則焊縫中擴(kuò)散氫的含量就越高，焊材藥皮中水分及空氣中水蒸氣對(duì)焊縫含氫量影響曲線如圖2和圖3所示[1]。

圖3 空氣中水蒸氣壓力對(duì)焊縫含氫量影響Fig.3 Effect of the pressure of water vapor in the air on the amount of hydrogen

由表4可知，每100g焊材中的氫含量為1.16mL，ISO3690規(guī)定，用水銀法測(cè)定每100g焊條中擴(kuò)散氫含量小于5mL時(shí)即為超低氫型焊條。超低氫型焊條可以有效地降低冷裂紋的產(chǎn)生，從而很好地保證焊接質(zhì)量。

(2) 焊件表面的鐵銹、油污及吸附的水分。焊件坡口表面上的鐵銹、油污和吸附的水分以及周圍環(huán)境濕度大，是焊縫中擴(kuò)散氫的主要來(lái)源。

(3) 焊前預(yù)熱不充分，焊后消氫措施不佳。焊前，如果沒(méi)有充分的預(yù)熱，則母材坡口內(nèi)的水汽沒(méi)有被烘干，從而造成擴(kuò)散氫的產(chǎn)生；焊后如果不進(jìn)行消氫熱處理，或者消氫熱處理不及時(shí)，熱處理溫度、時(shí)間不夠，都會(huì)造成擴(kuò)散氫的殘留。

2.2 淬硬組織

S690高強(qiáng)鋼屬于低合金高強(qiáng)鋼中的低碳低合金調(diào)質(zhì)鋼，對(duì)于這種高強(qiáng)鋼材料，如果焊前沒(méi)有進(jìn)行充分預(yù)熱，或者焊后沒(méi)有采取緩慢冷卻的措施，那么焊縫的冷卻速度就會(huì)很快，冷卻過(guò)程中，粗大的奧氏體組織將轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織，而馬氏體組織具有又脆又硬的特性，即強(qiáng)度高而塑性差、抗裂性能低，在脆硬區(qū)，更容易形成大量空位和位錯(cuò)的晶格缺陷，一旦有應(yīng)力產(chǎn)生，它們就會(huì)發(fā)生移動(dòng)和聚集，從而形成裂縫源。

采用碳當(dāng)量估算法，對(duì)S690高強(qiáng)鋼淬硬傾向進(jìn)行分析。所謂“碳當(dāng)量”即是把鋼中包括碳在內(nèi)的合金元素對(duì)淬硬、冷裂及脆化等的影響折合成碳的相當(dāng)含量。世界各國(guó)根據(jù)本國(guó)的具體情況相繼建立了許多碳當(dāng)量公式，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)推薦的碳當(dāng)量公式為[2]

Ceq=CC+CMn/6+(CCu+CNi)/15+
(CCr+CMo+CV)/5,

(1)

式中：Ceq為碳當(dāng)量，%；右側(cè)各符號(hào)表示各元素在材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)式(1)，結(jié)合表3，計(jì)算S690高強(qiáng)鋼母材碳當(dāng)量為

根據(jù)式(1)，結(jié)合表3，計(jì)算焊材碳當(dāng)量為

一般情況下，當(dāng)Ceq≥0.45%時(shí)，材料具有較大的淬硬傾向，再加上吊點(diǎn)的板厚為50mm，根據(jù)美國(guó)金屬學(xué)會(huì)提供的焊接性與碳當(dāng)量及板厚的關(guān)系圖(見(jiàn)圖4)[3]可知，S690高強(qiáng)鋼焊接性較差，焊接時(shí)產(chǎn)生冷裂紋的可能性較大。

Ⅰ—優(yōu)良 Ⅱ—較好 Ⅲ—一般 Ⅳ—較差圖4 焊接性與碳當(dāng)量及板厚的關(guān)系Fig.4 Dependence of weldability on carbon equivalent and the thickness of plate

進(jìn)一步，選擇3條產(chǎn)生裂紋的焊縫，分別在焊縫中心，焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)及母材區(qū)域進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。從圖中可知，焊縫及熱影響區(qū)的硬度值高于母材區(qū)域，說(shuō)明加入填充金屬的焊縫，產(chǎn)生了一定的淬硬組織，其產(chǎn)生冷裂紋的可能性也相應(yīng)增大。

圖5 3條焊縫硬度測(cè)試趨勢(shì)圖Fig.5 Trend of 3 welds hardness test

2.3 拘束應(yīng)力

拘束應(yīng)力主要有以下來(lái)源： (1)在進(jìn)行加熱和冷卻過(guò)程中，由于工件受熱不均勻，導(dǎo)致體積發(fā)生變化，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力；(2)在焊接熱循環(huán)的作用下，焊縫金屬內(nèi)部的微觀組織發(fā)生變化，由于相變產(chǎn)生組織應(yīng)力；(3)鋼結(jié)構(gòu)自身拘束度較高，例如，結(jié)構(gòu)自身承受較高載荷，自身重量較大，或者材料本身強(qiáng)度高。另外，焊接順序、焊縫所處位置，也會(huì)對(duì)拘束度有所影響。

由受熱和相變所產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為“內(nèi)拘束應(yīng)力”，由結(jié)構(gòu)剛度、負(fù)載、焊接順序等產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為“外拘束應(yīng)力”。焊接接頭在外拘束應(yīng)力與內(nèi)拘束應(yīng)力的共同作用下，局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，冷裂紋隨之產(chǎn)生。

根據(jù)原材料質(zhì)量證明書，S690母材為調(diào)質(zhì)體，含鎳量只有0.18%，而熔入焊縫中的焊材，含鎳量高達(dá)2.16%，由于母材與焊縫某些合金元素含量的不同，在焊接過(guò)程中，必然會(huì)導(dǎo)致不同組織的體積發(fā)生變化，在焊接熱循過(guò)程中，又會(huì)產(chǎn)生新的組織，從而引起內(nèi)應(yīng)力；又由于滑輪組箱體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，屬于受力構(gòu)件，自身重量又高達(dá)上千噸，吊點(diǎn)板厚達(dá)50mm，因此，S690高強(qiáng)鋼存在較大外部拘束應(yīng)力。在這種內(nèi)外部應(yīng)力的共同作用下，焊縫產(chǎn)生冷裂紋的可能性增大。

3 制訂焊接修復(fù)措施

3.1 降低接頭的含氫量

焊條中的水分是焊縫中混進(jìn)氫的主要因素，而焊縫中熔敷金屬所含的氫，又是造成冷裂紋的主要原因。因此，返修焊接過(guò)程中，焊工宜隨身攜帶焊條保溫筒，并在使用過(guò)程中注意防潮，每次從焊條筒內(nèi)取出的焊條，4h之內(nèi)沒(méi)有用完的，則要重新烘干，但不能超過(guò)2次。

延遲裂紋的產(chǎn)生與接頭的含氫量有直接關(guān)系，溫度是影響焊縫內(nèi)部氫擴(kuò)散和逸出的關(guān)鍵因素。返修焊接過(guò)程中，采用多層多道焊，層間溫度不能低于預(yù)熱溫度，也不能超過(guò)規(guī)定的最高溫度，這樣，前一條焊道對(duì)后一條焊道起預(yù)熱作用，從而改善其焊接性，減小淬硬傾向；而后一條焊道對(duì)前一條焊道起熱處理作用，消除其內(nèi)部殘余應(yīng)力及擴(kuò)散氫，從而避免冷裂紋的產(chǎn)生。

另外，對(duì)返修焊縫進(jìn)行焊后熱處理，是有效促進(jìn)焊縫內(nèi)部氫擴(kuò)散和逸出的重要方法。完成返修焊接后，可采用電阻加熱片對(duì)焊縫進(jìn)行加熱和保溫，熱處理的最低溫度可根據(jù)以下公式計(jì)算：

Tp=455.5Ceq-114,

(2)

式中：Tp為焊后熱處理的下限溫度，℃。

根據(jù)式(2)，計(jì)算出S690高強(qiáng)鋼返修焊接完成以后，進(jìn)行焊后消氫熱處理的最低溫度Tp=200.3℃。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮其他因素，作出S690高強(qiáng)鋼焊后保溫緩冷曲線，如圖6所示。

圖6 焊后保溫緩冷曲線示意圖Fig.6 Temperature curve for post weld heat treatment (PWHT)

需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于S690高強(qiáng)鋼，消氫熱處理應(yīng)該在焊接完成以后立即進(jìn)行，因?yàn)橛袑?shí)驗(yàn)表明[4]，高強(qiáng)鋼擴(kuò)散氫的逸出速率會(huì)隨放置時(shí)間的延長(zhǎng)而變化，焊后0.5～12h，擴(kuò)散氫的逸出速率很快，逸出量比較大，可達(dá)逸出總量的90%；焊后12～24h，擴(kuò)散氫逸出速率變慢；焊后24～72h，擴(kuò)散氫逸出量基本維持不變，消氫處理意義不大。

3.2 減少淬硬組織的產(chǎn)生

使用碳弧氣刨的方法清除裂紋后，采用高速砂輪將刨口處的氧化層、淬硬層及滲碳層磨掉，打磨深度要大于2mm，目的是避免滲碳造成高的碳當(dāng)量，形成淬硬組織。打磨后的坡口應(yīng)圓滑整齊，均勻過(guò)渡，經(jīng)磁粉檢查(MT)直至沒(méi)有裂紋缺陷為止。

降低熔敷焊縫的冷卻速度，也是減少淬硬組織的有效方法。預(yù)熱能夠充分降低焊縫的冷卻速度，因此，設(shè)置一個(gè)合理、有效的預(yù)熱溫度，是預(yù)防冷裂紋產(chǎn)生的重要因素。

日本伊藤等人進(jìn)行了斜Y坡口焊接裂紋敏感性試驗(yàn)，并建立了如下經(jīng)驗(yàn)公式[5]，用于預(yù)測(cè)焊接預(yù)熱溫度T0(使用條件：Ceq<0.16%，抗拉強(qiáng)度為400～900MPa的低合金高強(qiáng)鋼)：

PCM=CC+CMn/20+CSi/30+CNi/60+

CCr/20+CMo/15+CV/10+CCu/20+

5CB+[H]/60+δ/600,

(3)

T0=1440PCM-392,

(4)

式中：PCM為冷裂紋敏感指數(shù)，%；[H]為擴(kuò)散氫含量，mL/(100g)；δ為被焊金屬板厚，mm；T0為焊接預(yù)熱溫度，℃。

根據(jù)式(3)，計(jì)算S690高強(qiáng)鋼冷裂紋敏感性指數(shù)PCM=0.363。根據(jù)式(4)，計(jì)算S690高強(qiáng)鋼預(yù)熱溫度T0=130.72℃。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮板厚等其他因素，將S690高強(qiáng)鋼焊縫返修焊接前的預(yù)熱溫度設(shè)置為不低于150℃。

此外，返修焊接完成以后，對(duì)焊縫進(jìn)行后熱保溫緩冷，也能有效降低焊縫的冷卻速度，從而避免產(chǎn)生淬硬組織。推薦的熱處理曲線如圖6所示。

3.3 降低拘束應(yīng)力

內(nèi)拘束應(yīng)力可以通過(guò)預(yù)熱、焊后緩冷等工藝措施加以控制，特別是焊后熱處理，對(duì)于容易產(chǎn)生脆斷和延遲裂紋的重要結(jié)構(gòu)，能夠起到很好的消除內(nèi)應(yīng)力的作用。

外拘束應(yīng)力涉及的因素較多。隨板厚的增加拘束度增大，板厚與拘束度成正比；還有焊縫位置、焊接順序、構(gòu)件受熱部分的收縮、工卡具的松緊程度等，控制起來(lái)均比較困難，所以在組對(duì)過(guò)程中，要盡避免進(jìn)行強(qiáng)力組對(duì)。另外對(duì)于每條焊縫上的工卡具松緊程度也要適當(dāng)控制，對(duì)焊接規(guī)范所規(guī)定的焊接順序要嚴(yán)格遵守。

3.4 修復(fù)結(jié)果

對(duì)焊接修復(fù)完成的吊點(diǎn)焊縫，先后進(jìn)行外觀檢驗(yàn)(VT)、MT和超聲檢驗(yàn)(UT)，結(jié)果表明，所有焊縫100%合格。

4 結(jié) 語(yǔ)

S690母材及焊材碳自身強(qiáng)度及碳當(dāng)量較高，焊接性較差，并且存在一定程度上的拘束應(yīng)力，可造成焊接冷裂紋。S690高強(qiáng)鋼焊前得到充分的預(yù)熱，焊接過(guò)程中控制好層間溫度和熱輸入，焊后采取一定的緩冷保溫?zé)崽幚?，是控制和避免冷裂紋產(chǎn)生的關(guān)鍵措施。

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ReasonAnalysisandControlMeasuresforS690HighStrengthSteelColdCracks

ZHANG Huan-huan

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300452,China)

By analyzing the S690 high strength steel’s chemical composition, carbon equivalent, temperature control, hydrogen content and stress condition, the reason of cold cracks appearance is found, and then the weld repair control measures such as clearing dirties, ensuring preheating temperature, and carrying out post heat treatment immediately for eliminating hydrogen and releasing stress are proposed. In this way, all the defective welds are repaired successfully and the inspection result is acceptable. The results show that the strict quality control precautions are the key factors to get a successful repair work for S690 high strength steel cold cracks.

stress; post weld heat treatment; carbon equivalent; diffusible hydrogen; preheating

2017-03-17

張歡歡(1984—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事海洋采油平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量控制方面的研究。

TU392.4

A

2095-7297(2017)03-0182-05