一起滑行車類游樂設(shè)施軌道對(duì)接焊縫開裂的案例分析

成 浪 陳亞文 周顯元

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 長(zhǎng)沙 410117）

2022 年3 月2 日，筆者和同事在某游樂場(chǎng)內(nèi)對(duì)1臺(tái)某廠新生產(chǎn)的滑行車類大型游樂設(shè)施進(jìn)行軌道對(duì)接焊縫探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，其軌道對(duì)接焊縫存在細(xì)小裂紋。繼續(xù)打磨后復(fù)探，發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)大呈蛛網(wǎng)狀，按照作業(yè)指導(dǎo)書的要求進(jìn)行擴(kuò)探50%，發(fā)現(xiàn)軌道對(duì)接焊縫存在大量焊接裂紋缺陷。隨即要求生產(chǎn)單位對(duì)軌道對(duì)接焊縫進(jìn)行100%無損探傷。

1 問題描述

按照《游樂設(shè)施監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程（試行）》中2.5項(xiàng)的要求，對(duì)20%的軌道對(duì)接焊縫進(jìn)行磁軛法探傷[1]，使用A1-30／100 型標(biāo)準(zhǔn)試片，靈敏度符合要求。經(jīng)過探傷發(fā)現(xiàn)，圓形軌道對(duì)接環(huán)焊縫存在多處明顯裂紋。后期對(duì)全部軌道對(duì)接焊縫進(jìn)行100%的無損探傷發(fā)現(xiàn)，裂紋主要分布在第11 至第18 立柱之間的軌道對(duì)接焊縫，為坡度較大的部分。裂紋主要集中于焊縫旁邊1 ～5 mm 處（ 見圖1、 圖2）， 位于焊接熱影響區(qū)。

圖1 軌道對(duì)接焊縫裂紋1

圖2 軌道對(duì)接焊縫裂紋2

根據(jù)生產(chǎn)單位設(shè)計(jì)要求，安裝時(shí)在軌道對(duì)接處加裝了一個(gè)φ65 mm×3 mm 的內(nèi)襯環(huán)，但是與軌道內(nèi)壁之間存在間隙。當(dāng)軌道對(duì)接焊縫裂紋完全開裂時(shí)，內(nèi)襯環(huán)只能起到一時(shí)的支撐作用，很可能會(huì)直接從軌道對(duì)接處脫落，無法持久起到支撐保護(hù)作用。這對(duì)于設(shè)備的運(yùn)行安全以及乘客的人身安全是一個(gè)極大的安全隱患。

2 焊接工藝及檢驗(yàn)要求

根據(jù)生產(chǎn)單位的焊接工藝要求，軌道對(duì)接焊縫焊接方法為SMAW 手工電弧焊，坡口夾角為60°，坡口深度為2 mm，分內(nèi)外兩道。焊接材料為J422（即E4303）焊條，要求焊條受潮嚴(yán)禁使用，需經(jīng)過150 ～170 ℃烘焙后使用，保溫時(shí)間為30 ～60 min。焊接過程如下：

1）焊前檢查，清除被焊處附近 20 mm 范圍內(nèi)油、銹、水等雜物直至露出金屬光澤，檢查坡口角度及尺寸。

2）組對(duì)檢驗(yàn)，坡口間隙、錯(cuò)邊量等應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定及施工要求。

3）點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊長(zhǎng)度為 10 ～20 mm。

4）在定位焊縫上引弧。

5）應(yīng)對(duì)前一層焊縫仔細(xì)清渣，特別是死角處的熔渣更要清理干凈。

6）清渣，表面檢查合格、按序施焊，層與層間清渣。

7）不允許有漏焊、夾渣、氣孔、裂紋及咬邊等缺陷。

8）打磨后焊縫與母材應(yīng)平滑過渡。

9）在施焊記錄中記錄焊工代號(hào)。

10）檢測(cè)方法為VT 和MT，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB／T 34370.2—2017《游樂設(shè)施無損檢測(cè) 第2 部分：目視檢測(cè)》和GB／T 34370.3—2017《游樂設(shè)施無損檢測(cè)第3 部分：磁粉檢測(cè)》。

3 資料審查及標(biāo)準(zhǔn)要求

該設(shè)備為2021 年9 月制造完成出廠，2021 年12月完成安裝調(diào)試。查詢生產(chǎn)單位提供的設(shè)計(jì)文件鑒定以及型式試驗(yàn)報(bào)告規(guī)定，該軌道為圓鋼軌道，選用鋼材為20#鋼，尺寸為φ76 mm×4 mm，為外購(gòu)部件。現(xiàn)場(chǎng)復(fù)驗(yàn)尺寸與資料相符合。

根據(jù)GB／T 18159—2019《滑行車類游樂設(shè)施通用技術(shù)條件》中附錄A 規(guī)定，該設(shè)備軌道采用對(duì)接接頭對(duì)接焊縫，焊縫等級(jí)為Ⅱ級(jí)[2]；GB 8408—2018《大型游樂設(shè)施安全規(guī)范》中6.4.6.2 條規(guī)定，應(yīng)對(duì)Ⅱ級(jí)焊縫進(jìn)行100%磁粉無損檢測(cè)、100%目視檢測(cè)[3]。磁粉無損檢測(cè)方法按GB／T 34370.3—2017 相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，合格級(jí)別為I 級(jí)[4]。

4 材質(zhì)分析

在現(xiàn)場(chǎng)截取了一段φ76 mm×4 mm 的圓鋼軌道進(jìn)行了金相分析和光譜分析，金相組織形貌見圖3。

圖3 軌道鋼顯微組織（200×）

由圖3 可知，主要材質(zhì)為鐵素體＋珠光體，符合20#鋼熱軋狀態(tài)下顯微組織。光譜分析（見表1）顯示，鋼材硫、磷等雜質(zhì)含量沒有超標(biāo)，符合20#鋼的特征要求。

表1 光譜分析數(shù)據(jù)%

5 原因分析

5.1 施焊環(huán)境不符合要求

根據(jù)GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》中7.5項(xiàng)的要求：“當(dāng)焊接作業(yè)處于下列情況之一時(shí)嚴(yán)禁焊接：

1）焊接作業(yè)區(qū)中相對(duì)濕度大于90%；

2）焊件表面潮濕或暴露于雨、冰、雪中。

焊接環(huán)境溫度低于0 ℃但不低于-10 ℃時(shí)，應(yīng)采取加熱或防護(hù)措施，應(yīng)確保焊接處各方向不小于2倍板厚且不小于100 mm 范圍內(nèi)的母材溫度，不低于20 ℃或規(guī)定的最低預(yù)熱溫度二者的較高值，且在焊接過程中不應(yīng)低于這一溫度?！盵5]

經(jīng)調(diào)取監(jiān)控記錄，施焊時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境為下雨天，溫度為2 ℃，濕度達(dá)98%?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不符合該軌道對(duì)接焊縫施焊要求，且焊接工人未做相應(yīng)焊接區(qū)域的防護(hù)措施。

5.2 施焊前未對(duì)焊條進(jìn)行再烘干及保溫處理

根據(jù)GB 50661—2011 中7.2.3 項(xiàng)的要求，“酸性焊條保存時(shí)應(yīng)有防潮措施，受潮的焊條使用前應(yīng)在100 ～150 ℃范圍內(nèi)烘焙1 ～2 h?！盵5]焊材使用前，焊絲需去除油、銹；保護(hù)氣體應(yīng)保持干燥。除真空包裝外，焊條、焊劑應(yīng)按產(chǎn)品說明書規(guī)定的規(guī)范進(jìn)行再烘干，經(jīng)烘干之后可放入保溫箱內(nèi)（100 ～150 ℃）待用。現(xiàn)場(chǎng)施焊時(shí)，焊條開封后，焊接工人便將焊條放置在施焊現(xiàn)場(chǎng)旁邊，被雨水打濕。焊接工人違規(guī)采用濕焊條施焊。

5.3 裂紋產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)《焊接冶金原理》，按照裂紋形成的本質(zhì)特征，可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋等幾大類[6]。

此次案例中軌道對(duì)接焊縫裂紋屬于其中的冷裂紋。1）由于施焊人員在焊接過程中沒有清除被焊處附近20 mm 范圍內(nèi)油、銹、水等雜物，坡口表面存在鐵銹、油污等附著物，這些附著物存在一定形態(tài)和數(shù)量的水分，在焊接冶金過程中，釋放出來的氫被焊接熔池吸收，導(dǎo)致金屬中的氫增加；2）由于是露天作業(yè)，沒有采取遮雨措施，雨水極有可能滴入熔池，也會(huì)增加焊縫內(nèi)部氫含量；3）沒有密封的焊條在放置過程中會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，尤其在潮濕的天氣，焊條藥皮吸收水分很快。用潮濕的焊條進(jìn)行焊接，也會(huì)增加氫的產(chǎn)生。焊接時(shí)，電弧高溫會(huì)使水分熱分解產(chǎn)生氫，由于焊接環(huán)境溫度低，增加了焊接熱影響區(qū)與焊接母材之間的溫度梯度，就會(huì)導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度增大。焊縫及熱影響區(qū)冷卻速度過快，過多的氫氣來不及從金屬晶格逸出即被固化的金屬包裹在焊縫及熱影響區(qū)中。因此，焊縫過多的氫含量是造成此案例中裂紋產(chǎn)生的主要因素，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，焊接裂紋主要分布在焊接熱影響區(qū)，大部分平行于焊縫走向，這屬于典型的氫致裂紋。

6 改進(jìn)措施

6.1 嚴(yán)格控制焊接工藝

根據(jù)焊接工藝的要求，焊前對(duì)焊口及附近進(jìn)行清理，清除被焊處附近 20 mm 范圍內(nèi)油、銹、水等雜物直至露出金屬光澤。在低溫環(huán)境下，可按照GB 50661—2011 中7.5 項(xiàng)的要求，在施焊處各方向不小于2 倍板厚且不小于100 mm 范圍內(nèi)的母材溫度，加熱至20 ℃[5]。原則上一條焊縫應(yīng)一次焊接完成，若有中斷，在重新焊接前應(yīng)仔細(xì)檢查和清渣。如發(fā)現(xiàn)缺陷，應(yīng)進(jìn)行處理，達(dá)到合格后，方可重新預(yù)熱施焊。對(duì)軌道對(duì)接焊縫等重要焊縫應(yīng)當(dāng)進(jìn)行100%磁粉探傷和部分內(nèi)部探傷。如發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，及時(shí)反饋。無損檢測(cè)人員須取得相應(yīng)資格的特種設(shè)備無損檢測(cè)人員證書后，才能從事相應(yīng)的工作。

6.2 加強(qiáng)焊條現(xiàn)場(chǎng)管理

為防止焊條受潮，生產(chǎn)單位應(yīng)加強(qiáng)焊條的保管措施：不隨意拆開焊條包裝，盡量做到現(xiàn)用現(xiàn)拆，焊完后將剩余的焊條密封起來。焊條必須存放于通風(fēng)良好、干燥的材料庫(kù)中。焊條的發(fā)放和使用管理采取以下措施：堿性低氫型焊條在使用前必須烘干，一般為350 ℃，烘干1 h。緩慢加熱，保溫、緩冷。烘干后的堿性低氫焊條最好放入另一溫度控制箱內(nèi)（80 ～100 ℃） 存放， 隨用隨取。 酸性焊條在100 ～150 ℃范圍內(nèi)烘焙1 ～2 h。焊條放在保溫筒內(nèi)。保溫筒在使用時(shí)要及時(shí)關(guān)閉，在保溫筒內(nèi)可放適量硅膠以吸潮。焊工在焊接過程中，手中不得有多余焊條，以減少焊條受潮機(jī)會(huì)。一次領(lǐng)出用不完的焊條，下次用時(shí)重新烘干。焊條烘干次數(shù)不得超過2 次。

另外，在焊條藥皮中加入適量的CaF2，熔渣中含有的CaF2能夠從氫的氧化物當(dāng)中奪取氫，生成化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定且不溶于液體金屬的HF 氣體，降低了氫在焊接氣氛中的濃度和活度，抑制氫與液體金屬的冶金反應(yīng)，最終降低焊縫金屬中的含氫量[6]。

6.3 加強(qiáng)焊接質(zhì)量管理

生產(chǎn)單位應(yīng)當(dāng)明確關(guān)鍵焊接質(zhì)量控制點(diǎn)，尤其是對(duì)于需要在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施焊的重要焊縫，要由公司的技術(shù)質(zhì)量部門進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤和監(jiān)控。保證現(xiàn)場(chǎng)焊接條件符合焊接工藝要求，焊接人員按照焊接工藝要求進(jìn)行施焊。在沒有確認(rèn)重要焊縫符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，不應(yīng)當(dāng)進(jìn)行下一步施工。

6.4 加強(qiáng)軌道日常檢查

該設(shè)備軌道對(duì)接焊縫多處進(jìn)行了重新打磨補(bǔ)焊，使用單位以及檢驗(yàn)人員應(yīng)將軌道相關(guān)檢查項(xiàng)目作為重點(diǎn)檢查對(duì)象，增加檢查頻次，定期對(duì)軌道對(duì)接焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)焊縫異常，應(yīng)及時(shí)通知生產(chǎn)單位并告知當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備監(jiān)察機(jī)構(gòu)，對(duì)軌道進(jìn)行安全評(píng)估。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前，大多數(shù)滑行車類大型游樂設(shè)施軌道連接都涉及對(duì)接焊縫，現(xiàn)場(chǎng)施焊安裝，現(xiàn)場(chǎng)的施焊環(huán)境以及施焊條件難以與在廠房車間內(nèi)的作業(yè)條件相比較。

部分生產(chǎn)單位在圓鋼軌道對(duì)接處增加了內(nèi)環(huán)，以提高焊接的可靠性，減少焊趾的未焊透，同時(shí)一定程度提高了軌道的可靠性。在焊縫開裂，軌道斷開的情況下，內(nèi)環(huán)可以對(duì)軌道起到一定的支撐作用。因此，部分安裝人員及使用單位維保人員對(duì)軌道焊縫產(chǎn)生裂紋危害性的警覺性降低了，沒有引起重視?？梢钥紤]改進(jìn)生產(chǎn)工藝，將軌道連接方式改為軌道對(duì)接焊縫＋螺栓連接的方式，更加安全有效。

因此更需要加強(qiáng)此類大型游樂設(shè)施安裝現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制，同時(shí)，也提醒檢驗(yàn)人員，應(yīng)當(dāng)對(duì)大型游樂設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)安裝的質(zhì)量加強(qiáng)檢驗(yàn)。