API 2W GR50直縫焊管橫向裂紋分析及處理

季小波 田楊

摘 要：在API 2W GR50材質(zhì)的埋弧直縫管（JCOE工藝）上發(fā)現(xiàn)大量穿過熱影響區(qū)的橫向裂紋，經(jīng)過對母材、焊材、生產(chǎn)過程等因素的討論，分析了裂紋產(chǎn)生的可能原因，并制定了返修措施。

關(guān)鍵詞：API 2W GR50；埋弧直縫管；橫向裂紋

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.033

1 問題簡述

API 2W GR50 是海洋結(jié)構(gòu)用熱機械控軋（TMCP）鋼板，日前公司承接的澳大利亞碼頭支撐模塊主體采用管子桁架結(jié)構(gòu)（圖1），管子為API 2W GR50材質(zhì)板材通過直縫埋弧焊（JCOE）生產(chǎn)得到，管子壁厚范圍為25mm至50mm，直徑范圍為600mm至1500mm。

JCOE生產(chǎn)工藝簡單，采用多絲埋弧生產(chǎn)效率高，被廣泛應(yīng)用在預(yù)制管，但本項目的中直縫埋弧焊預(yù)制管在無損檢測抽查時在發(fā)現(xiàn)大量穿過熱影響區(qū)的橫向裂紋（圖2）。針對此現(xiàn)象，采取了以下措施。

2 情況調(diào)查

（1）母材：經(jīng)實測，母材化學(xué)成分及各項力學(xué)性能符合標準。

（2）焊材熔覆金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能實測值符合標準。

（3）坡口形式如圖3。

（4）焊接工藝：

首先在管體外側(cè)使用實心焊絲打底，然后使用雙絲埋弧焊焊接內(nèi)側(cè)坡口，外側(cè)不清根，最后使用三絲埋弧焊焊接外側(cè)坡口，打底前的預(yù)熱溫度不小于65℃，焊絲縱向間距約20mm，電流電壓參數(shù)如下：

3 裂紋類型分析

經(jīng)查，所有抽查發(fā)現(xiàn)橫向裂紋的管子在焊后48h都經(jīng)過了獨立的兩方UT檢查，當時均未發(fā)現(xiàn)裂紋，且已知的橫向裂紋在后續(xù)檢查中發(fā)現(xiàn)有緩慢長達的情況，判斷為延遲裂紋。

4 原因分析

生產(chǎn)實踐與理論研究證明：鋼材的淬硬傾向、焊接接頭中的氫含量、焊接接頭的拘束應(yīng)力是延遲裂紋的三大要素，從這三個要素上分析裂紋的產(chǎn)生原因[1]。

（1）鋼材的淬硬傾向。API 2W GR50的碳當量CEIIW=0.36%<0.45%，焊接性良好。

由于多絲埋弧焊的熱輸入較大，導(dǎo)致熱影響區(qū)奧氏體晶粒易粗化。

打底焊前將管子使用電履帶加熱，但由于打底焊完成還需要將管子轉(zhuǎn)移至埋弧焊工位，實際焊前接頭溫度已比WPS要求的預(yù)熱溫度低，且由于管長超過10米，焊道間隔試件長，過程中的層間溫度可能存在低于預(yù)熱溫度。

（2）焊接接頭中的氫含量。由于多絲埋弧焊的單道焊縫體積大（實測焊縫單道焊縫寬度最大50mm），導(dǎo)致焊層焊道數(shù)少，后層對前層的消氫作用較弱。

實際使用的焊材含氫量未做明確要求。

焊劑從烘箱取出后到實際焊接時已接近室溫，結(jié)合雨季的氣候條件，存在焊劑吸潮的可能。

（3）焊接接頭的拘束應(yīng)力。由于JCOE是將板材折彎成圓，縱向合口在定位焊前自由狀態(tài)下將會張開約100mm，然后使用強力拘束后進行定位焊，導(dǎo)致縱向接頭所受的應(yīng)力較大，將會增加冷裂紋的傾向。

外側(cè)坡口深度大，焊接量大，且為三絲埋弧焊焊接，外側(cè)坡口應(yīng)力較大。

實際裂紋深度多在外側(cè)第一層埋弧焊焊縫位置，也反應(yīng)了接頭外側(cè)坡口的應(yīng)力較大。

5 后續(xù)焊接改善措施

（1）為了減少熱輸入，降低熱影響區(qū)的晶粒粗大傾向，將內(nèi)側(cè)雙絲外側(cè)三絲埋弧焊改為內(nèi)外雙絲埋弧焊。

（2）提高預(yù)熱要求，降低焊縫冷卻速度，將打底焊前的預(yù)熱溫度提高到150℃，經(jīng)實測，最終能保證內(nèi)外埋弧焊焊前接頭溫度不低于110℃。

（3）提高焊劑烘干要求，將焊接烘干要求由350℃*2h改為350℃*3.5h。

（4）為了減小單道焊縫寬度，盡量降低后絲的焊接電壓，將后絲焊接電壓由40V降為38V，電流和焊接速度不變。

（5）選用含氫量控制更嚴的焊材（H5）。

基于以上更改，對三種F7A4-EH14類別焊材進行試驗，坡口形式不變，試板長度1米，板厚50mm，試驗參數(shù)及焊后檢測結(jié)果如下：

無損檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷（非裂紋）經(jīng)過射線檢查并刨開焊縫驗證，多數(shù)為氣孔，位置處于實心打底焊焊道位置，結(jié)合定位焊的分布，判斷為定位焊內(nèi)的氣孔，后續(xù)增加對定位焊的檢查要求。最終結(jié)合焊材成本，選用焊材C進行后續(xù)焊接。

6 返修施工

對于不小于900mm的管子上裂紋的返修：

（1）對缺陷或缺欠區(qū)域進行碳刨，從更容易去除的一側(cè)（內(nèi)側(cè)或外側(cè)）進行碳刨。

（2）碳刨接近缺陷或缺欠深度時停止碳刨，然后用MT檢查，如此反復(fù)直至找到缺陷。最后的刨槽兩端應(yīng)呈斜梯形過渡，斜坡應(yīng)在大約在1：3左右。

（3）然后使用GFL-71Ni藥芯焊絲將刨槽焊接完成，焊接參數(shù)通過在原裂紋焊縫上做模擬返修試驗得到。

對于直徑600mm的管子上的裂紋返修（內(nèi)部無法人工焊接）：

（1）僅從管外側(cè)進行刨槽，直至徹底去除缺陷或缺欠。

（2）刨穿的部位要求刨穿槽底部開口寬度不得大于18mm，使用ER70S-G氬弧焊打底后再用GFL-71Ni填充蓋面，焊接參數(shù)通過在原裂紋焊縫上做模擬返修試驗得到。

其他要求通用：

當需要時，室外返修時必須管子兩側(cè)端部封住，使管子內(nèi)沒有穿堂風(fēng)；

通長裂紋返修，或在壁厚30mm以上的管子上返修少量裂紋時，焊接完成后立即使用保溫棉覆蓋焊縫；

對于同一接頭上的多個不連續(xù)少量的缺陷或缺欠的返修，需要對稱焊接，對于間距小于200mm的缺陷或缺欠需要作為一個缺陷處理。

7 結(jié)果檢查

對返修后的焊縫及后續(xù)使用改善后的方案焊接焊縫按照AWS D1.1進行UT檢查，并增加相控陣檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋及超標缺陷，表明以上措施是成功的。

參考文獻：

[1]陳祝年.焊接工程師手冊 第2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.