“π”形管道點(diǎn)焊工裝焊疤部位的磁粉檢測

王瑞強(qiáng)，呂拴錄

(1.中石化國際事業(yè)有限公司，北京 100000；2.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院材料系，北京 100249)

撬裝設(shè)備中含有“π”形管道，在對撬裝設(shè)備“π”形管等環(huán)焊縫進(jìn)行焊接的過程中，工廠須采用點(diǎn)焊輔助支撐工裝(以下簡稱點(diǎn)焊工裝)在車床上進(jìn)行夾持，才能實(shí)現(xiàn)管道旋轉(zhuǎn)焊接?，F(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)雖然允許點(diǎn)焊工裝，工廠采用點(diǎn)焊工裝也方便裝夾，但工裝點(diǎn)焊位置表面容易產(chǎn)生燒傷，使其組織發(fā)生變化，產(chǎn)生焊接應(yīng)力，進(jìn)而可能產(chǎn)生焊接裂紋[1-6]。采取修磨措施之后，會使管道工裝焊疤位置壁厚變薄，甚至報(bào)廢。即使當(dāng)時(shí)進(jìn)行了無損檢測確認(rèn)該部位不存在裂紋，但其仍然是薄弱部位，可能在使用過程中萌生疲勞裂紋。為此，筆者對點(diǎn)焊工裝的實(shí)施以及工裝焊疤部位的缺陷檢測和去除問題進(jìn)行研究，并對工裝焊接部位進(jìn)行了檢測。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣

采用φ89.00 mm×6.00 mm(壁厚)Q355D管線管工裝與4件φ219.08 mm×14.02 mm(壁厚)的L245N PSL2“π”形管道、6件φ406.40 mm×20 mm(壁厚)的L360N PSL2“π”形管道組對焊接形成點(diǎn)焊工裝接頭。

1.2 點(diǎn)焊工裝焊接方法

焊接方法采用氬弧焊+CO2氣體保護(hù)焊。

1.3 焊疤位置檢測方案

(1) 拆除工卡具時(shí)應(yīng)不損傷母材，同時(shí)應(yīng)將輔助支撐工裝焊疤部位殘余的焊疤打磨修整至與表面平齊，并采用磁粉檢測確認(rèn)其無裂紋。

(2) 打磨之后工裝焊疤部位壁厚應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。筆者先后采用外觀檢驗(yàn)及磁粉檢測方法對焊疤部位進(jìn)行檢測，并對檢測效果進(jìn)行分析。

2 工裝焊疤部位的外觀檢驗(yàn)及磁粉檢測

對“π”形管道工裝焊疤部位進(jìn)行了外觀檢驗(yàn)，并采用著色劑進(jìn)行了磁粉檢測，磁粉檢測技術(shù)參數(shù)如表1所示，無損檢測標(biāo)樣標(biāo)定結(jié)果如圖1所示。

表1 工裝焊疤部位磁粉檢測技術(shù)參數(shù)

圖1 無損檢測標(biāo)樣標(biāo)定結(jié)果

“π”形管道工裝焊疤部位外觀檢驗(yàn)及磁粉檢測結(jié)果如表2所示，工裝點(diǎn)焊位置及焊疤形貌如圖2所示，焊疤部位裂紋如圖3所示。

表2 工裝焊疤部位外觀檢驗(yàn)及磁粉檢測結(jié)果

圖2 工裝點(diǎn)焊位置及焊疤形貌

圖3 “π”形管工裝焊疤部位裂紋示意

3 分析與討論

3.1 點(diǎn)焊工裝材料與管道材料的匹配性

“π”形管所用的管線管和管件是L245和L360鋼級材料，點(diǎn)焊工裝采用尺寸φ89.00 mm×6.00 mm(壁厚) 的Q355D鋼管材料。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中5.1.2節(jié)的規(guī)定，“π”形管材料與工裝鋼管材料全部歸類為Fe-1類別材料，兩者滿足組對焊接要求。

3.2 “π”形管尺寸對工裝焊疤部位焊接裂紋的影響

兩種尺寸“π”形管工裝焊疤部位的檢測結(jié)果表明，4件φ219.08 mm的管道工裝焊疤部位沒有裂紋，而對6件φ406.40 mm的管道工裝焊疤部位進(jìn)行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)2件有裂紋，其中1件焊疤部位有2處裂紋。這說明“π”形管尺寸越大，工裝焊疤部位越容易產(chǎn)生裂紋。其原因是“π”形管尺寸越大，質(zhì)量越大，在焊接過程中工裝焊疤部位受力越大，越容易產(chǎn)生裂紋。

3.3 焊接缺陷判定

3.3.1 裂紋判定

對10件 “π”形管道點(diǎn)焊工裝焊疤部位進(jìn)行磁粉檢測，結(jié)果表明，2件焊疤部位存在表面焊接裂紋類缺陷(共3處)，打磨之后裂紋完全去除，壁厚符合要求。

焊縫的表面裂紋類缺陷包括裂紋和未熔合兩種。裂紋是金屬原子的結(jié)合遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。未熔合是焊縫金屬和母材或焊縫金屬各焊層之間未結(jié)合的部分，可能表現(xiàn)為側(cè)壁未熔合、層間未熔合或根部未熔合。

該試驗(yàn)在工裝焊疤部位發(fā)現(xiàn)的焊接裂紋是金屬原子的結(jié)合遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙，還是未熔合缺陷的縫隙，僅憑肉眼無法分辨，但通過金相分析或者掃描電鏡分析可以清楚辨別。由于成品管道不允許取樣進(jìn)行金相分析或者掃描電鏡分析，該問題有待繼續(xù)研究。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013.4—2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》 第9條規(guī)定，承壓設(shè)備不允許存在任何裂紋。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20801.4—2020 《壓力管道規(guī)范》 第7.4.4節(jié)規(guī)定，焊接的工卡具材料宜與母材相同或?yàn)镹B/T 47014—2015《承壓設(shè)備焊接工藝評定》規(guī)定的同一類別號。拆除工卡具時(shí)應(yīng)不損傷母材，拆除后應(yīng)確認(rèn)無裂紋，并將殘余的焊疤打磨修整至與表面平齊。對于下列管道，應(yīng)對工卡具拆除部位進(jìn)行表面無損檢測：① 鉻鉬合金鋼管道；② 標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值大于或等于540 MPa的焊接管道。

對10件“π”形管工裝焊疤部位進(jìn)行目視檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，判定為合格。但是采用磁粉檢測發(fā)現(xiàn)2件“π”形工裝焊疤部位存在裂紋，判定為不合格。打磨之后，復(fù)檢焊接裂紋已經(jīng)被清除，且壁厚符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，即判定為合格。

依據(jù)GB/T 20801.4—2020標(biāo)準(zhǔn)7.4.4節(jié)“定位焊縫”規(guī)定，φ406.40 mm×20.00 mm的L360N彎管工裝焊疤部位只需要外觀檢查，不需要進(jìn)行磁粉檢測。如果僅參照上述標(biāo)準(zhǔn)，就會導(dǎo)致該彎管工裝焊疤部位的裂紋出現(xiàn)漏檢，造成極大的安全隱患。建議對標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20801.4—2020中7.4.4節(jié)“定位焊縫”這一條做如下修改：焊接的工卡具材料宜與母材相同或?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)NB/T 47014—2015規(guī)定的同一類別號；拆除工卡具時(shí)應(yīng)不損傷母材，拆除后應(yīng)采用著色劑磁粉檢測并確認(rèn)無裂紋，并將殘余的焊疤打磨修整至與表面平齊。同時(shí)刪除“對于下列管道，應(yīng)對工卡具拆除部位進(jìn)行表面無損檢測：①鉻鉬合金鋼管道；②標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值大于或等于540 MPa的焊接管道?！?/p>

這樣修改之后，在執(zhí)行GB/T 20801.4—2020標(biāo)準(zhǔn)過程中就不容易產(chǎn)生異議。

3.3.2 工裝焊疤部位組織變化對管道力學(xué)性能的影響

點(diǎn)焊工裝焊接時(shí)采用的是熔化極氬弧焊+CO2氣體保護(hù)焊。鋼的熔點(diǎn)約為1 500 ℃，碳鋼焊接熔池溫度為1 450 ℃～1 480 ℃。在工裝點(diǎn)焊過程中，室溫管道工裝點(diǎn)焊位置熔池溫度突然升至1 450 ℃～1 480 ℃，然后再急劇降到室溫，不僅會使熱影響區(qū)組織和性能變差，而且會產(chǎn)生焊接熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，也易引起裂紋、氣泡、夾雜等焊接缺陷，這是焊接工藝本身的缺點(diǎn)。在隨后的管件環(huán)焊縫焊接過程中，這些焊接缺陷受力后還會擴(kuò)展。如果采用機(jī)械式無損輔助支撐工裝，就可以避免點(diǎn)焊輔助支撐工裝存在的弊端，保證管道質(zhì)量不受影響，目前已經(jīng)有機(jī)械式無損輔助支撐工裝方面的專利出現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1) 對10件“π”形管工裝焊疤部位進(jìn)行宏觀檢查，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但采用磁粉檢測發(fā)現(xiàn)有些工裝焊疤部位存在裂紋，且“π”形管尺寸越大，工裝焊疤部位越容易產(chǎn)生裂紋。

(2) 為了避免在執(zhí)行GB/T 20801.4—2020標(biāo)準(zhǔn)過程中產(chǎn)生異議，建議將其7.4.4節(jié)“定位焊縫”這一條修改為：焊接的工卡具材料宜與母材相同或?yàn)镹B/T 47014—2011規(guī)定的同一類別號；拆除工卡具時(shí)應(yīng)不損傷母材，拆除后應(yīng)采用著色劑磁粉檢測并確認(rèn)無裂紋，并將殘余的焊疤打磨修整至與表面平齊。

(3) 建議在進(jìn)行“π”形管焊接過程中選用不傷害管道的非點(diǎn)焊輔助機(jī)械支撐工裝。