薄壁銅鎳管線環(huán)焊縫裂紋分析及預(yù)防

史忠珂，程晉宜，侯宇，楊慶澤，陸傳航

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

銅鎳合金（白銅）是一種海水系統(tǒng)常用的金屬材料，具有耐海水、海生物腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)海洋石油鉆井平臺[1]（如消防水管線系統(tǒng)）中經(jīng)常采用。

目前，UNS C70600銅鎳管線的焊接主要采用鎢極氬弧焊，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，可以保證較好的接頭性能和正反面良好的成形效果[2-4]。在銅合金的焊接中，極易出現(xiàn)氣孔和裂紋這兩種焊接缺陷，然而，對于有色金屬的焊接施工，最常見的缺陷還是焊接裂紋。在銅鎳管線的車間預(yù)制階段中發(fā)現(xiàn)，厚2.5mm薄壁銅鎳管線焊接完成后，在焊腳位置出現(xiàn)了裂紋，如圖1所示。

圖1 管線及裂紋形貌

裂紋的出現(xiàn)會對工程施工產(chǎn)生不利影響，因此本文通過宏觀形貌、微觀金相組織及斷口掃描電鏡分析等，對裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了判定，并結(jié)合以往施工的良好做法，確定了改進(jìn)措施，成功避免了后續(xù)裂紋的出現(xiàn)。

2 檢測結(jié)果

2.1 化學(xué)成分分析

樣品母材為UNS C70600，通過現(xiàn)場鋸開的管段精確追溯裂紋管的批次信息，經(jīng)查UNS C70600 管所有批次的供貨材料產(chǎn)品質(zhì)量證明和檢驗(yàn)報(bào)告均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過對開裂試樣進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，開裂斷口已經(jīng)失去金屬光澤，發(fā)生開裂的地方有明顯的氧化顏色，符合熱裂紋的基本特征。通常產(chǎn)生裂紋[2，3]的主要原因是焊接接頭中存在低熔點(diǎn)雜質(zhì)或晶界中析出影響接頭韌性的金屬間化合物。文獻(xiàn)檢索表明：當(dāng)母材和焊接材料內(nèi)wP＋S≤0.02%、wZn≤0.5%、wPb≤0.02%、wC≤0.05%時(shí)，焊接熱影響區(qū)的熱裂紋基本不會出現(xiàn)。焊接過程中使用的焊接材料為林肯LNT CuNi30，制造標(biāo)準(zhǔn)為AWS A5.7 ER CuNi。為驗(yàn)證母材和焊接材料成分是否存在元素超標(biāo)或其他雜質(zhì)，對出現(xiàn)斷裂的銅鎳管線母材進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1、表2。通過與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值的對比可發(fā)現(xiàn)，主要微量元素種類及含量未見明顯異常，均在合理范圍之內(nèi)，特別是P、S元素的含量極低。

表1 母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.2 金相分析

在開裂試樣裂紋段的中間截取金相試樣，進(jìn)行金相組織分析，其焊縫、熱影響區(qū)及母材區(qū)域金相組織如圖2所示，金相組織和晶粒度結(jié)果見表3。

表3 金相組織及晶粒度結(jié)果

圖2 金相組織

由表3可知，焊縫和熱影響區(qū)的金相組織和晶粒度均符合要求，沒有存在異常。

2.3 裂紋分析

金相試樣顯示裂紋均位于焊縫的熱影響區(qū)，距熔合線存在一定距離，裂紋沿熔合線方向擴(kuò)展，未貫穿整個(gè)壁厚，裂紋整體形貌如圖3所示。

圖3 裂紋整體形貌

浸蝕后對裂紋放大，通過整體觀察可發(fā)現(xiàn)，裂紋擴(kuò)展呈沿晶+穿晶混合特征，以沿晶擴(kuò)展為主，裂紋擴(kuò)展尖端主要呈沿晶開裂特征，裂紋微觀形貌如圖4所示。

圖4 裂紋微觀形貌

將斷口試樣切開后置于掃描電鏡下觀察，低倍下觀察原始斷口整體呈現(xiàn)沿晶形貌，放大后觀察斷口大部分區(qū)域沿晶特征明顯。進(jìn)一步放大后觀察，晶面上有明顯的熔融特征，晶界產(chǎn)生明顯寬化，局部晶面上存在類自由結(jié)晶表面，如圖5所示。對斷口進(jìn)行能譜分析，其結(jié)果見表4。測試結(jié)果顯示，試樣斷口wO偏高，說明焊接過程的氬氣保護(hù)不到位，與接頭存在一定的氧化特征相符合。

表4 試樣斷口能譜分析結(jié)果

圖5 試樣斷口形貌

對斷口試樣開展XRD測試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 開裂試樣XRD測試結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果得知，除了C u 以外，還有CuFe2S3相、CuFeS2相存在。這些二次相作為裂紋的形核點(diǎn)，會嚴(yán)重弱化晶粒之間的結(jié)合力并增加裂紋的敏感性。由于銅的導(dǎo)熱系數(shù)、膨脹系數(shù)大，因此焊接過程存在較大焊接應(yīng)力形成液化裂紋。一般雜質(zhì)元素混入主要是焊接過程清潔不到位導(dǎo)致的。

綜合以上所有測試結(jié)果，可以得出以下結(jié)論。

1）裂紋類型判斷為熱裂紋。

2）裂紋附近存在氧化色，證明焊接過程中氣體保護(hù)效果偏差。

3）斷口存在晶界熔融特征，焊接熱輸入過大。

4）CuFe2S3、CuFeS2等二次相降低了晶界結(jié)合強(qiáng)度。

3 解決措施

針對以上測試得出的裂紋產(chǎn)生原因，通過梳理焊接過程，制定了如下相應(yīng)對策。

1）提高氬氣純度。目前使用的焊接保護(hù)氣為氬氣，純度為99.99%，后續(xù)焊接將使用純度為99.999%的氬氣作為焊接保護(hù)氣。

2）焊槍內(nèi)采用大噴嘴加氣體分配器以加強(qiáng)保護(hù)。

3）針對焊接過程熱輸入過大的情況，需嚴(yán)格控制坡口尺寸，具體尺寸要求如下：①坡口鈍邊0.5～2mm，錯邊量≤0.5mm。②壁厚T＜2.5mm時(shí)，不留裝配間隙。③壁厚2.5mm≤T＜5mm時(shí)，裝配間隙為（2±1）mm。④壁厚T≥5mm時(shí)，裝配間隙為（3±1）mm。

4）焊接過程控制熱輸入為1.0～1.5kJ/mm。打底焊道采用填絲工藝，單面焊雙面成形，背面氬氣保護(hù)，采用多層多道焊時(shí)，層道間溫度為150℃。

5）焊接過程使用酒精或丙酮對焊絲及母材以及層間焊道進(jìn)行清潔，避免含P、S等元素的雜質(zhì)進(jìn)入焊縫。

4 效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證解決措施是否有效，選取相同尺寸的試樣，采用以上控制措施焊接了兩組試件。焊接接頭按照NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》 要求進(jìn)行X射線檢測，結(jié)果為I級合格，未發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、夾渣等缺陷（見圖7）。

圖7 X 射線檢測結(jié)果

以上措施已在工程項(xiàng)目中推廣使用，截至項(xiàng)目完工并未出現(xiàn)焊接熱裂紋，質(zhì)量提升效果明顯。

5 結(jié)束語

本文通過對出現(xiàn)焊接裂紋的薄壁銅鎳管線斷裂接頭開展顯微鏡掃查、化學(xué)成分分析、微觀組織分析，得出了產(chǎn)生裂紋的原因，同時(shí)又針對性地制定了相應(yīng)的措施，結(jié)論如下。

1）銅鎳管線出現(xiàn)的帶有氧化色的裂紋為焊接熱裂紋，且裂紋是由焊接過程氣體保護(hù)效果偏差造成氧化，焊接過程熱輸入量偏大以及形成含有S等雜質(zhì)的二次相引起的。

2）通過提升保護(hù)氣體純度、降低焊接熱輸入以及注重焊接全過程清潔等3種措施共同使用，可以有效地避免焊接裂紋的產(chǎn)生。