基于壓扁實驗導(dǎo)致焊管開裂的原因分析★

王永建，孫二東，范義燾，楚志兵，王正誼，黨淑娥

（中鋼不銹鋼管業(yè)科技山西有限公司）

壓扁實驗是對焊接鋼管（見圖1）焊縫缺陷質(zhì)量檢測的常見手段之一，通過對焊接鋼管進(jìn)行壓扁處理，對其缺陷進(jìn)行展開檢測。其做法是：將帶缺陷的焊管放置在平行板中，采用壓力機(jī)或其他方式對焊管進(jìn)行均勻處理，直到尺寸達(dá)到目標(biāo)值后停止壓力機(jī)，并對焊管的變形大小進(jìn)行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果確定該焊管是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。由于焊管的開裂與生產(chǎn)現(xiàn)場有關(guān)，因此需要對焊管的施工現(xiàn)場進(jìn)行了解。

圖1 焊接鋼管

1 焊管施工情況

焊管的生產(chǎn)工藝簡單，且具有生產(chǎn)效率高、成本低、發(fā)展快、規(guī)格品種多等優(yōu)勢[1]，在工程現(xiàn)場施工等其他領(lǐng)域中運用廣泛。但是由于焊管的工藝影響，其焊接位置的接縫是焊接鋼管最薄弱的地方，因此其強(qiáng)度比同規(guī)格的無縫鋼管低。

近年來，由于焊管的施工工藝顯著改進(jìn)，直縫和螺旋焊管的焊接工藝明顯改善。直縫以及螺旋焊管的焊縫方向決定了兩者的性能差異，直縫焊管通過直接焊接施工方式得到，但螺旋焊管則是由特定的螺旋線角度將管坯打卷而制成的，因此直縫焊管具有更高的可靠性。

在焊接過程中，焊縫的纖維組織方式是焊縫的特征之一，而判別焊接擠壓力的重要目標(biāo)是金屬流線。如果金屬流線的上升角度大，表明焊接擠壓力高，被擠壓而熔融的金屬較多，由此可以判斷出板邊金屬的焊合存在問題，所以容易出現(xiàn)冷焊的情況[3]。

2 影響實驗結(jié)果的因素及開裂原因分析

2.1 影響實驗結(jié)果的因素

2.1.1 實驗設(shè)備及實驗方法影響

在對焊管進(jìn)行壓扁實驗的各種方案中，實驗設(shè)備和實驗方法不完全相同，大多數(shù)的壓扁實驗是在焊管的兩個端部進(jìn)行施壓。在施壓過程中主要采用萬能試驗機(jī)（見圖2）或者壓力拉伸機(jī)，對焊管的兩個端部進(jìn)行開裂實驗分析；而少部分實驗是在焊管的中段進(jìn)行施壓處理。因此導(dǎo)致試驗結(jié)果出現(xiàn)不同程度的偏差。

圖2 萬能試驗機(jī)

2.1.2 實驗材料質(zhì)量影響

造成實驗偏差的另一個主要原因是材料的質(zhì)量。它會影響焊管的物理化學(xué)性能指標(biāo)，也會影響焊管的質(zhì)量指標(biāo)。因此在進(jìn)行實驗時，會根據(jù)材料的質(zhì)量差異，選擇不同的目標(biāo)參數(shù)，這也是導(dǎo)致實驗結(jié)果產(chǎn)生偏差的因素之一。在進(jìn)行實驗時，如果選用不同的目標(biāo)參數(shù)，將會直接影響實驗的結(jié)果。比如，在進(jìn)行低壓流體的輸送時，應(yīng)對焊管進(jìn)行科學(xué)使用。在輸送取暖蒸汽及水等較低壓力流體時，要選擇滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的材料。按照GB/T 3091—2015標(biāo)準(zhǔn)要求，可選用外徑不低于60.3 mm，長度為64 mm的焊管試樣進(jìn)行壓扁實驗，根據(jù)實驗結(jié)果做相應(yīng)判斷和規(guī)劃設(shè)計。在實驗過程中，如果出現(xiàn)焊縫處開裂或裂口現(xiàn)象，將會影響實驗結(jié)果，因此應(yīng)選擇質(zhì)量好的材料來進(jìn)行實驗。

2.1.3 實驗中人員操作影響

實驗結(jié)果和人員的操作有很大關(guān)系，操作不當(dāng)將造成實驗結(jié)果的失真。人員操作對實驗結(jié)果的影響體現(xiàn)在以下兩方面：

1）由于操作人員的操作習(xí)慣和專業(yè)能力不同，在進(jìn)行壓扁實驗時，會造成實驗結(jié)果的偏差。如果操作人員的專業(yè)能力強(qiáng)，操作流程規(guī)范，得到的實驗結(jié)果精確度就會高，焊管樣品的選擇也具有代表性，從而可以體現(xiàn)焊接工藝對焊管生產(chǎn)水平的精確評價。

2）操作人員在實驗過程中的操作規(guī)范程度，直接影響實驗結(jié)果的可靠性。由于實驗的操作程序比較復(fù)雜，如果操作人員的操作不規(guī)范，不能按操作規(guī)程嚴(yán)格進(jìn)行，很容易造成實驗結(jié)果的偏差，甚至導(dǎo)致錯誤結(jié)果[4]。

2.2 造成焊管開裂的因素

2.2.1 焊管內(nèi)部雜質(zhì)影響

為了能夠達(dá)到焊管壓扁實驗的要求，確保焊管整體性能，防止焊管在實驗過程中出現(xiàn)開裂或其他缺陷問題，在進(jìn)行焊管壓扁實驗并進(jìn)行開裂原因分析時，需要對焊管斷面層內(nèi)的物質(zhì)進(jìn)行研究，比如對硫化物進(jìn)行分析，明確硫化物形態(tài)、含量及分布對實驗結(jié)果的影響。另外要對焊管內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)行全方位檢測，選擇符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的優(yōu)質(zhì)材料，從而避免焊管壓扁實驗中因材料內(nèi)部雜質(zhì)而影響實驗結(jié)果。

2.2.2 焊管材質(zhì)方面影響

由于鋼鐵材料存在同素異構(gòu)現(xiàn)象，即溫度和壓力發(fā)生改變時，鋼鐵材料會發(fā)生晶體結(jié)構(gòu)的變化，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格。鋼鐵材料的同素異構(gòu)體主要有：α鐵、β鐵和γ鐵。其中α鐵出現(xiàn)開裂的程度最高，且開裂斷面在開裂后會形成縱向裂紋，嚴(yán)重降低焊管的價值，影響焊管的使用。而β鐵和γ鐵同樣也存在開裂現(xiàn)象，但主要是以橫向裂紋為主，不會出現(xiàn)嚴(yán)重的縱向裂紋，對焊管的使用影響相對較小。從焊管的整體裂紋程度來說，焊管的價值與裂紋程度密切相關(guān)，且呈反比關(guān)系，也就是說裂紋程度越高，焊管價值越低，反之，裂紋程度越低，焊管價值越高。

3 開裂問題處理措施

3.1 提高焊接水平

由于焊接工藝水平對壓扁實驗結(jié)果會產(chǎn)生直接影響，是導(dǎo)致焊管開裂的主要原因之一，因此必須重視焊管的焊接工藝，提高焊接質(zhì)量。為此，首先要對操作人員進(jìn)行操作步驟規(guī)范性培訓(xùn)，提高操作人員的專業(yè)水平，保證操作高質(zhì)量進(jìn)行；其次要精確控制焊接條件，如焊接擠壓熔融金屬量、焊接溫度等，確保焊縫不會因外部因素而產(chǎn)生開裂，影響焊管的加工性和耐壓性[5]；第三要對現(xiàn)有焊接工藝進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)對焊接工和對焊接性能指標(biāo)的要求，對焊接方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，確保現(xiàn)有焊接方案為最優(yōu)化工藝方案。

3.2 做好雜質(zhì)處理

為了降低焊管的雜質(zhì)含量，應(yīng)做好焊管生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的指標(biāo)分析和控制，做到規(guī)范實施化學(xué)處理的各項操作，做好選礦及各階段的成分分析，根據(jù)礦石的化學(xué)成分確定后續(xù)各環(huán)節(jié)的處理方案，對氧化物及硫化物等雜質(zhì)進(jìn)行必要處理。如在煉鐵煉鋼過程中，實時監(jiān)控各元素的變化情況，確保每一步操作的規(guī)范性以及科學(xué)性，通過采用鐵水預(yù)處理及爐外精煉等工藝，去除鋼中的夾雜物和有害物質(zhì)，保證在冶煉過程中有效降低鋼材的雜質(zhì)含量。在鋼材的成型過程中，要做好對化合物的分析及對其特點的利用，根據(jù)鋼材的使用要求，做好對有害雜質(zhì)的必要處理。

3.3 控制生產(chǎn)工藝

在進(jìn)行焊管壓扁實驗前，首先制定壓扁實驗方案，并對其進(jìn)行討論與選擇，根據(jù)對焊管壓扁實驗性能的具體要求，嚴(yán)格控制焊管生產(chǎn)工藝，保證從選礦開始，優(yōu)化焊管物理性能和化學(xué)性能指標(biāo)，達(dá)到避免焊管壓扁實驗過程中產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。為此需要嚴(yán)格控制焊管成分含量，并根據(jù)不同材質(zhì)的成分分析結(jié)果，制定物理及化學(xué)性能指標(biāo)，為實驗提供準(zhǔn)確的目標(biāo)參數(shù)。此外對焊管加壓技術(shù)的實施細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，通過選用先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)工藝，達(dá)到提高焊管整體質(zhì)量的目標(biāo)。

4 結(jié)語

焊管的應(yīng)用越來越廣，在鋼材市場中占有重要地位，因此提高焊管的質(zhì)量尤為重要，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)加大對焊管壓扁實驗的研究。根據(jù)壓扁實驗的操作規(guī)范要求及所要達(dá)到的實驗?zāi)繕?biāo)，科學(xué)地進(jìn)行焊管壓扁實驗，研究和控制引起實驗開裂的因素，確保實驗結(jié)果的可靠性和精確度。技術(shù)人員根據(jù)實驗的開裂情況，準(zhǔn)確判斷焊管的質(zhì)量，明確焊管是否存在缺陷，找出引起焊管出現(xiàn)缺陷的原因，并從原料、生產(chǎn)、操作、管理等方面加以控制，為生產(chǎn)高質(zhì)量焊管奠定良好基礎(chǔ)。