T型節(jié)點(diǎn)焊縫層狀撕裂缺陷的檢驗(yàn)與修復(fù)

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(jié)點(diǎn)是常見焊縫節(jié)點(diǎn)形式的一種，其在鋼結(jié)構(gòu)中主要起連接作用。本文主要討論T型節(jié)點(diǎn)焊縫層狀撕裂缺陷的產(chǎn)生原因、缺陷特征，以及質(zhì)量控制的實(shí)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(qū)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(jié)點(diǎn)焊縫質(zhì)量控制過程中，焊接完成后，無損檢驗(yàn)時(shí)，由于其缺陷位于熱影響區(qū)或者被交材料內(nèi)部，磁粉檢驗(yàn)很難發(fā)現(xiàn)由焊接導(dǎo)致的層狀撕裂。同時(shí)，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(qū)中，容易造成檢驗(yàn)員認(rèn)為焊縫檢驗(yàn)結(jié)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(fā)現(xiàn)后，通過超聲波檢驗(yàn)確定缺陷的位置區(qū)域，然后通過干式磁粉檢驗(yàn)方式確認(rèn)缺陷是否完全去除，而后采用本文案例中推薦的焊接修復(fù)方式，在氣刨區(qū)域通過堆焊方式替換問題區(qū)域母材，提高焊后節(jié)點(diǎn)材料的抗撕裂性能。本文案例中，通過分析確定，由于節(jié)點(diǎn)母材選用錯(cuò)誤導(dǎo)致其抗撕裂性能較差，易出現(xiàn)層狀撕裂缺陷。

1 層狀撕裂缺陷的產(chǎn)生機(jī)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(diǎn)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(yīng)力作用下，夾雜物首先開裂并擴(kuò)展，以后這種開裂在各層之間相繼發(fā)生，連成一體，造成層次撕裂的階梯性。

因此，層狀撕裂區(qū)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(kuò)散含量以及鋼材縱向和橫向上的特性都會對層狀撕裂產(chǎn)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(gè)。

（1）節(jié)點(diǎn)形式的合理性。接頭節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是否合理在很大程度上會影響層狀撕裂的出現(xiàn)。

（2）坡口的合理性。坡口的形式、坡口角度大小等參數(shù)對改變母材厚度方向承受的拉應(yīng)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(gè)方面。

2 質(zhì)量控制實(shí)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(yè)主提供設(shè)計(jì)圖紙施工，施工圖紙如圖1所示，節(jié)點(diǎn)形式及撕裂位置如圖2所示。在進(jìn)行無損檢驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)所有主梁下翼板平齊相交厚25 mm的工字梁腹板的T型節(jié)點(diǎn)，其被交母材內(nèi)均發(fā)現(xiàn)可疑超聲反射回波。反射回波特點(diǎn)：超聲波斜探頭直射波可探測到，反射回波強(qiáng)度接近靈敏度試塊參考反射體強(qiáng)度水平，回波尖銳有鋸齒，并且同一區(qū)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(guān)反射。焊縫的表面及近表面經(jīng)磁粉檢驗(yàn)亦無缺陷。最終確定此反射回波是由被交母材內(nèi)部出現(xiàn)的層狀撕裂造成。隨后采用氣刨后干磁粉檢驗(yàn)以確定缺陷情況。

圖1 施工圖紙

圖2 節(jié)點(diǎn)形式及撕裂位置

經(jīng)過分析，此次層狀撕裂的產(chǎn)生是由于該類T型節(jié)點(diǎn)被交區(qū)域的板材為DH36碳鋼材質(zhì)，為非Z向力學(xué)性能材料，抗層狀撕裂能力較弱，受到焊縫的收縮拉應(yīng)力作用導(dǎo)致母材沿厚度方向出現(xiàn)開裂。經(jīng)分析認(rèn)為設(shè)計(jì)時(shí)，選材不合理是產(chǎn)生母材層狀撕裂的根本原因。此處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)采用含有Z向力學(xué)性能的抗撕裂鋼材［2］。

2.2 撕裂修復(fù)

被交母材層狀撕裂修復(fù)方案采用氣刨方法清除T型節(jié)點(diǎn)焊縫周圍不含有Z向力學(xué)性能的母材，使用抗拉強(qiáng)度高的焊材進(jìn)行補(bǔ)焊，使T型節(jié)點(diǎn)周圍的焊縫具有一定的抗拉強(qiáng)度，避免了母材出現(xiàn)層狀撕裂的情況。

2.2.1 撕裂修復(fù)方案

結(jié)合該節(jié)點(diǎn)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(zhì)量。修復(fù)過程中，采用對稱氣刨、焊接的操作。本方案只從現(xiàn)場操作方面入手，結(jié)合業(yè)主規(guī)格書和相應(yīng)焊接工藝進(jìn)行焊接作業(yè)，不涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。

2.2.2 具體修復(fù)步驟與措施

（1）修復(fù)前的準(zhǔn)備工作

修復(fù)工作應(yīng)由有資質(zhì)的人員完成，所有的返修工作都按批準(zhǔn)的工藝執(zhí)行。

移除T型節(jié)點(diǎn)焊縫含有層狀撕裂風(fēng)險(xiǎn)25 mm范圍內(nèi)的母材金屬，全部氣刨移除。預(yù)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(xué)性能母材金屬，進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)合格后進(jìn)行焊接修補(bǔ)作業(yè)。

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

氣刨坡口及其附近25 mm范圍內(nèi)，需清理干凈，打磨出金屬光澤。

（2）焊接修復(fù)施工

返修焊接的預(yù)熱溫度至少高于原WPS的預(yù)熱溫度50℃。預(yù)熱應(yīng)覆蓋返修區(qū)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(yù)熱至160℃。

使用經(jīng)過批準(zhǔn)的焊接程序，參數(shù)如表1所示。

表1 焊接參數(shù)

返修焊接作業(yè)嚴(yán)格按照工藝程序執(zhí)行，選用合理的焊接參數(shù)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(shí)間1.5 h。

（3）修復(fù)后無損檢驗(yàn)

熱處理完成后使用和原始焊縫相同的無損檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)。無損檢驗(yàn)在焊接返修完成48 h后進(jìn)行，并包括全部返修焊縫區(qū)域。在本項(xiàng)目中出現(xiàn)的層狀撕裂，用此方法焊接返修完成后，經(jīng)過檢驗(yàn)，焊口均合格，無層狀撕裂出現(xiàn)。

T型節(jié)點(diǎn)層狀撕裂缺陷出現(xiàn)位置為母材及熱影響區(qū)的內(nèi)部，焊縫表面磁粉檢驗(yàn)無法探測到，超聲檢驗(yàn)斜探頭直射波可發(fā)現(xiàn)。在識別缺陷時(shí)，碳弧氣刨或打磨后采用干式磁粉進(jìn)行檢驗(yàn)，這樣可避免濕式磁粉對溫度的苛刻要求，同時(shí)無需等待即可檢驗(yàn)，可減小氣刨后該處的應(yīng)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(yán)重的危害缺陷，如不事先預(yù)防采取有效控制措施并及時(shí)排除隱患，后果會非常嚴(yán)重。對于層狀撕裂的形成，3種條件必須同時(shí)存在，分別是厚度方向上的應(yīng)力，敏感的接頭形狀以及材料雜質(zhì)含量高。因此，為了避免層狀撕裂的出現(xiàn)，必須消除這3種因素的任何一種。預(yù)防T型節(jié)點(diǎn)層狀撕裂的出現(xiàn)，主要從以下幾個(gè)方面控制。

3.1 材料選用

在設(shè)計(jì)階段嚴(yán)格選用材料，對存在材料厚度方向應(yīng)力的焊縫節(jié)點(diǎn)采用具有Z向力學(xué)性能的鋼板，嚴(yán)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(jié)點(diǎn)形式

節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)形式

3.2.2 采用合理坡口

在滿足設(shè)計(jì)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(yīng)力，由此達(dá)到減小母材厚度方向承受拉應(yīng)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(hù)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(shù)施焊，使應(yīng)力分布均勻，減少應(yīng)變集中。采用適當(dāng)小的熱輸入的多層多道焊，從而減小收縮應(yīng)變。

（3）采用焊后消氫熱處理加速氫的擴(kuò)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(yù)熱減少和防止層狀撕裂，將原定的防止氫裂紋預(yù)熱溫度再提高50～100℃并保持一定的預(yù)熱溫度（正面焊接背面加溫）及后熱措施，防止近縫區(qū)材料硬淬化，也有助于焊接接頭中擴(kuò)散氫的溢出。

4 結(jié)束語

層狀撕裂缺陷往往是從材料內(nèi)部產(chǎn)生，容易形成隱患，危害極大，因此對其預(yù)防控制工作非常重要。本文從原材料的質(zhì)量、焊接工藝、焊接接頭設(shè)計(jì)等方面對層狀撕裂的成因做了具體分析。對層狀撕裂的產(chǎn)生及影響因素進(jìn)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(xiàng)過程及修復(fù)焊接工藝和參數(shù)，以供業(yè)界參考。