俄供大厚壁設(shè)備裙座焊縫裂紋缺陷處理措施

唐 平，楊祥福，程 家，劉建華，趙德民

（中國核工業(yè)二三建設(shè)有限公司，江蘇連云港222042）

1 概述

某公司在2015年秋冬季節(jié)完成4臺俄供大厚壁設(shè)備裙座焊接，首臺于11月焊接完成，焊后經(jīng)超聲[1-2]檢測合格。最后1臺于2016年01月焊接完成，經(jīng)超聲檢測，發(fā)現(xiàn)剩余3臺設(shè)備裙座焊縫上均有連續(xù)線性缺陷顯示，缺陷主要分布在裙座坡口與焊接熔合線位置。針對裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，得出大厚壁設(shè)備裙座在焊接過程中由于受設(shè)備自重和預(yù)埋件約束作用，自身結(jié)構(gòu)拘束度過大，使焊縫應(yīng)力[3]增大。在焊接過程中無法有效地釋放焊接應(yīng)力，使得焊縫在相對薄弱側(cè)無法產(chǎn)生塑性變形，而焊縫無法自由收縮是引起裂紋缺陷的主要原因。同時，由于預(yù)埋板厚度大，焊縫冷卻速度快，冬季施工焊前未進(jìn)行預(yù)熱處理，焊后緩冷措施不到位，焊縫應(yīng)力增大是焊縫產(chǎn)生裂紋缺陷的原因之一。據(jù)此，現(xiàn)場制定了焊縫裂紋缺陷返修措施，并在施工過程中切實執(zhí)行，最終于2016年7月完成3臺俄供大厚壁設(shè)備裙座焊縫裂紋的返修工作，經(jīng)超聲檢測全部合格。同時，該措施成功應(yīng)用到其他相同俄供大厚設(shè)備壁裙座焊接中，均未出現(xiàn)焊縫裂紋缺陷。在此重點介紹焊縫裂紋返修的經(jīng)驗。

2 現(xiàn)場情況

（1）俄供設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)。設(shè)備重約81 t、高約12 m、筒體直徑φ3.2 m，屬于立式儲罐設(shè)備，通過下部筒體裙座和預(yù)埋板焊接固定，底部裙座材質(zhì)22К，規(guī)格 36 mm，預(yù)埋板材質(zhì) 22К，厚度 90 mm，接頭型式為K型坡口，檢驗要求為100%目視+100%UT，焊縫等級Ⅲ級。材料的化學(xué)成分如表1所示。

表1 22К鋼化學(xué)成分Table 1 Chemical component of steel 22К %

根據(jù)化學(xué)成分評估，俄供22K鋼是焊接性較好的鋼材。

（2）焊接工藝。焊接方法方面，俄方技術(shù)文件建議采用的焊接工藝[4]為手工電弧焊。焊接材料[5]方面，焊材是俄供牌號為УОНИИ13/45，規(guī)格φ4.0的焊條，化學(xué)成分及熔敷金屬的機(jī)械性能如表2所示。焊接工藝評定[6]嚴(yán)格按照《原子能動力裝置的設(shè)備和管道焊接接頭和堆焊的監(jiān)督條例_ПНАЭГ-7-010-89》[7-8]進(jìn)行，達(dá)到了標(biāo)注規(guī)定的各項指標(biāo)，符合使用條件，具體焊接參數(shù)如表3所示。

表2 焊材УОНИИ13/45化學(xué)成分及機(jī)械性能Table 2 Chemical component and mechanical property of welding material УОНИИ13/45

表3 焊接參數(shù)Table 3 W elding parameter

（3）現(xiàn)場施焊情況。①組對間隙：根據(jù)焊接工藝要求，組對間隙0～3 mm，實際組對間隙0 mm。②現(xiàn)場施工環(huán)境：白天最高溫度約6℃，夜間最低溫度約-3℃，相對濕度小于50%，符合焊接要求。③焊接工藝：由兩名焊工對稱分布同時從設(shè)備內(nèi)側(cè)進(jìn)行打底焊接3層；然后從外側(cè)對焊縫進(jìn)行清根，并進(jìn)行PT檢驗無缺陷后，從外側(cè)焊接3層；隨后清理內(nèi)側(cè)焊縫，目視檢查合格后，進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊縫填充焊接至要求焊縫高度，采用保溫棉緩冷；最后清理外側(cè)，目視檢查合格后，進(jìn)行外側(cè)焊縫填充至要求焊縫高度，采用保溫棉緩冷。

（4）設(shè)備裙座焊縫超聲檢測結(jié)果。俄供大厚壁設(shè)備共計4臺，首臺焊后經(jīng)超聲檢測合格。剩余3臺經(jīng)超聲檢測，在裙座焊縫上均有連續(xù)線性缺陷顯示，最長約2 000 mm（見圖1），缺陷主要分布在裙座坡口與焊接熔合線位置。

圖1 打磨出的裂紋缺陷Fig.1 Defect of cracks by grinding

3 裂紋產(chǎn)生原因

根據(jù)超聲檢測結(jié)果顯示，缺陷主要位于焊縫根部（焊縫深度方向18～20 mm），呈連續(xù)性分布，后經(jīng)返修打磨，發(fā)現(xiàn)根部均為間斷性的裂紋缺陷。為查明裂紋產(chǎn)生原因，對人、機(jī)、料、法、環(huán)5個環(huán)節(jié)進(jìn)行逐一排查，具體分析如圖2所示。

分析認(rèn)為，造成焊縫裂紋的主要原因是焊口存在應(yīng)力，影響應(yīng)力的因素有環(huán)境溫度低、未進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理。

（1）設(shè)備自重約81 t，預(yù)埋件厚度90 mm，且通過鋼筋混凝土進(jìn)行預(yù)埋。在焊接過程中受自身重量和預(yù)埋板的限制，焊縫無收縮變形量，從而導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生的應(yīng)力和拘束度大，容易產(chǎn)生裂紋缺陷。

圖2 焊縫裂紋缺陷分析Fig.2 Analysis for defect of weld cracks

（2）廠家技術(shù)文件和焊接工藝均未要求進(jìn)行焊前預(yù)熱處理。在實際焊接過程中，由于是冬季，室外環(huán)境溫度低，在低溫環(huán)境下施焊，焊前未進(jìn)行預(yù)熱處理，焊接完成后僅采用保溫棉緩冷，焊縫冷卻速度快，焊縫呈脆硬成形的趨勢，導(dǎo)致焊縫成形過程中出現(xiàn)層間撕裂現(xiàn)象。

（3）根據(jù)焊接工藝要求，焊接前組對間隙為0～3mm。實際上受設(shè)備結(jié)構(gòu)制約，裙座在焊接前未預(yù)留出最大組對間隙，對焊縫成形及焊接應(yīng)力產(chǎn)生影響。

4 焊縫裂紋修復(fù)措施

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的原因制定相應(yīng)措施，對已產(chǎn)生裂紋缺陷的部位，通過機(jī)械打磨[6]，并配合液體滲透檢手段將裙座焊縫全部打磨，確保裂紋缺陷徹底清理干凈。然后按照如下步驟進(jìn)行修復(fù)焊接：

（1）組對間隙調(diào)整。利用千斤頂逐次頂升設(shè)備裙座4個150 mm×140 mm缺口位置，在每段坡口處放置2～3組3 mm的鋼板進(jìn)行支撐，使其滿足組對間隙為0～3mm；在設(shè)備裙座4個150 mm×140mm缺口位置放置4組墊鐵支撐（見圖3）；并在內(nèi)外側(cè)筒體上標(biāo)識出焊工的焊接工位和每段工位上的焊接順序，采用分段退焊的順序2名焊工對稱分布焊接，以減小焊接應(yīng)力及變形。

（2）焊材選用。由于俄方在后續(xù)相同設(shè)備的焊材供貨中，將焊條更改為УОНИИ13/55，規(guī)格φ4.0。根據(jù)焊材機(jī)械性能表可知（見表4），УОНИИ13/55焊條的焊接性能優(yōu)于УОНИИ13/45焊條。經(jīng)與俄方技術(shù)澄清，在修復(fù)焊縫時采用УОНИИ13/55焊條，規(guī)格φ3.0的焊條打底焊接，規(guī)格φ4.0的焊條填充焊接。

圖3 設(shè)備焊接順序示意Fig.3 Sequence of equipment wel-ding

（3）增加預(yù)熱[9]和保溫措施。焊前通過火焰對待焊母材區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱處理，焊前預(yù)熱和焊后保溫的最低溫度不得低于50℃。最終焊接完成后及焊接過程中每次間斷后都要采取保溫措施。

（4）焊接工藝。嚴(yán)格按照焊接工藝（見表5）和施工組織設(shè)計制定的焊接順序施焊，通過控制焊接速度，采用窄焊道、小電流的方法，控制焊縫層間溫度，降低線能量，最終達(dá)到控制焊接變形和應(yīng)力的目的。

（5）焊接順序。采用牌號為УОНИИ-13/55、規(guī)格φ3.0的焊條先對大坡口側(cè)進(jìn)行打底焊接，每段焊接2層，連續(xù)焊接至坡口約2/3位置；清根焊縫，并進(jìn)行PT檢測；選用牌號為УОНИИ-13/55、規(guī)格φ3.0的焊材進(jìn)行清根后的打底焊接。打底焊接時，每段焊接2層，連續(xù)焊接至坡口約2/3位置；打磨內(nèi)外側(cè)焊縫，進(jìn)行逐層目視檢查；采用牌號為УОНИИ-13/55、規(guī)格φ4.0的焊材對內(nèi)外側(cè)焊縫進(jìn)行填充焊接，直至與內(nèi)側(cè)母材平齊為止；打磨內(nèi)、外側(cè)焊縫，進(jìn)行逐層目視檢查；采用牌號為УОНИИ-13/55、規(guī)格φ4.0的焊材進(jìn)行內(nèi)、外側(cè)蓋面焊接；最終焊接完成后及焊接過程中每次間斷后都要采取保溫措施；待焊縫冷卻后，打磨焊縫，打磨完成后進(jìn)行100%目視、PT和UT檢測。

表4 焊材УОНИИ13/55化學(xué)成分及機(jī)械性能Table 4 Chemical component and mechanical property of welding material УОНИИ13/55

表5 焊接參數(shù)Table 5 W elding parameter

5 結(jié)論

由俄供設(shè)備大厚壁裙座焊接時出現(xiàn)的焊縫裂紋缺陷及返修情況可知，對于剛性固定、被焊件母材厚度過大且焊接時容易產(chǎn)生裂紋的焊縫，在雨雪、低溫天氣，可采取措施為焊接創(chuàng)造良好的施焊條件，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，控制預(yù)熱、層間溫度、焊后保溫和改善環(huán)境溫度等措施，降低焊縫應(yīng)力及約束度，可以完全消除裂紋缺陷。同時，焊接時應(yīng)注意以下幾方面：

（1）增加焊前預(yù)熱，保持預(yù)熱溫度和均勻性。

（2）每段連續(xù)焊接不少于2層，防止單層熔敷金屬過薄強(qiáng)度不夠，出現(xiàn)層間撕裂。

（3）打底焊接時采用較小直徑的焊條。

（4）焊接時采用窄焊道、小電流的方法，控制層間溫度，降低線能量。

（5）減少焊縫應(yīng)力和約束度。

①合理分段和焊接順序并采用偶數(shù)焊工對稱同步退焊工藝。同時根據(jù)現(xiàn)場實際坡口大小合理布置焊道，以減小焊接應(yīng)力。

②坡口焊接至與母材齊平后，采取措施釋放焊接應(yīng)力。

③焊接過程中直到最終焊接完成后，每次間斷焊接均采取保溫措施。

（6）做好過程控制與檢查。

（7）增加焊縫層間打磨、層間檢查等相關(guān)內(nèi)容。

（8）對焊工技能進(jìn)行專項培訓(xùn)，提高焊工的焊接水平，規(guī)范操作方法。