浅谈导管架卷制管埋弧自动焊终端裂纹防止措施(定稿)

1、浅谈导管架卷制管埋弧自动焊终端裂纹防止措施韩福君 王亮 张洪涛 吴金（中国天辰工程有限公司 天津北辰 300400）（中国石油天然气第一建设公司 河南洛阳 471023）摘要：在导管架卷制管埋弧自动焊接过程中，通常在焊缝终端产生裂纹，本文分析了终端裂纹的形成原因及相应的防止措施。为以后同类工程提供了参考与借鉴。关键词：导管架 卷制管 埋弧自动焊 终端裂纹 防止0前言：导管架平台又称桩式平台，是由打入海底的桩腿来支撑整个平台，导管架是桩基式平台的主要组成部分，是平台的支撑结构件，是先在陆地上制作完成，然后在海上用钢桩穿入导管打入海底，使其固定在海上，后与平台通过焊接连接固定成导管架平台。导管架是

2、由管件经过组对、焊接而形成刚性框架结构。导管架整体结构刚性大，能适用于各种土质，是目前最主要的固定平台的结构。导管架主要由钢桩、隔水套管等主要构件组成，各组成件通过单根管件的焊接连接形成，焊接是导管架建造的主要施工方法。以我公司青岛项目建造的番禺30-1深海导管架为例，由于焊接工作量大导管架在预制时主要采用埋弧自动焊接。在导管架卷制管焊接的过程中，发现12mm18mm壁厚范围的管段焊缝熄弧板处容易产生裂纹，本文对埋弧自动焊接过程中终端裂纹的产生原因及防止措施进行了详尽的描述。1 终端裂纹特点及产生的原因分析1.1 终端裂纹的主要特点番禺30-1深海导管架管件为16MnR钢管，焊丝采用H10Mn

3、2，焊剂采用SJ101，这是经过长期使用已经成熟的工艺方法。在焊接完毕清除掉焊剂药皮后发现终端部位有裂纹（图1），该裂纹产生在焊缝金属中，裂纹沿着焊缝中心长度方向开裂，即裂纹与焊缝的波纹线相垂直，露在焊缝表面有明显的锯齿形状，可以确定该裂纹为结晶裂纹。在以后的焊接过程中多次出现该种裂纹，出现的裂纹均有以下几个特点：（1）裂纹一般分布在焊缝的熄弧板一端，并且与焊缝的波纹线呈垂直分布。（2）管件的壁厚越大出现该种裂纹的几率越大。（3）在钢板和焊剂的化学成分中C、P、S等合金成分偏上或超过规定含量上限时易产生裂纹。1.2 终端裂纹产生原因分析焊接过程中，电弧作用中心的前方金属出于急剧升温并迅速熔化的

4、阶段，而电弧作用中心后方的金属则已经开始降温并进入凝固或结晶阶段（图2）。运动中的焊接电弧始终在焊缝上的局部位置发生作用，并在电弧作用中心的温度最高，远离此作用中心的温度逐渐变低，焊接过程中母材上的温度和焊接熔池中的温度分布是不均匀的，固体母材同液体熔池的交界处的温度应等于母材金属的熔点，而越往熔池中心温度就越高。在电弧电压焊接电流及焊接速度保持稳定的情况下，熔池的尺寸形状也较为稳定（图3），从图3可知，其轮廓刚好为熔点的等温面，熔池的宽度和深度沿焊接方向（X轴方向）连续变化，一般情况下，增大焊接电流时，熔池的最大深度Hmax增大，而最大宽度Bmax则相对减少；增大电弧电压时Hmax减小而Bm

5、ax则相对增大。熔池的长度L的大小与电弧能量成正比。由于熔池温度高，而周围金属温度较低，随着熔池的前移，原来熔池内的液态金属温度迅速下降快速进入凝固阶段，随着凝固时熔池体积的不断减小，从而形成各方向的拉应力，这些拉应力并在焊缝金属逐渐冷却时会逐渐变大，而且焊缝越长，越接近终端时，各种变形能量越大，应力和变形的累计使终端焊缝内的应力值增高。另外，由于卷制管受下料尺寸精度、卷圆程度、使用的机具和操作者技能的影响，并且在焊缝组对过程中，常存在着不同程度的强制组对现象，强制组对将导致在点固焊处产生复杂的弹性应力，在焊缝进行打底焊时由于焊接区域加热和冷却的不均匀性，使各部分金属发生的相变过程不一样，当温

6、度恢复到原始的均匀状态后，这些应力在焊接温度场的作用下，将进行恢复和再结晶，这将给焊缝产生新的拉应力。焊接拉应力的存在是产生结晶裂纹的一个原因。通常，焊缝结晶时先结晶部分化学成分比较单一，后结晶的部分杂质与合金化元素较多，这种结晶偏析造成了化学成分不均匀，随着柱状晶长大，杂质与合金化元素就不断被排斥到平行生长的柱状晶交界或焊缝中心线处，它们与金属形成低熔点化合物或共晶体，随着熔池的前移，这种低熔点化合物或共晶体多集中在焊缝的终端部位，最后被推向晶界，在晶粒之间形成一个液态薄膜。这一膜层结晶体相对抗拉能力弱，在焊缝拉应力的作用下易形成裂纹。我们对卷制管钢板化学成分（表1）进行分析，发现C、S、P

7、、Si元素偏高，达到了上限，而Mn元素及Nb、Ti、AIt等微量合金元素略低。C是影响结晶裂纹的主要因素，并能加剧其他元素的有害作用，由Fe-C相图（图4）可知，由于钢中含碳量的增加，初生相可由相转为相，而S、P在相中溶解度比在相中低很多，S仅为1/3，P约为1/10。如果初生相或结晶终了前是相，S和P就会在晶界析出，使热裂纹倾向增大。P和S在各类钢中几乎都会增加结晶裂纹的倾向。在钢的各种元素中P和S的偏析系数最大，所以在钢中都易引起结晶偏析。同时P和S在钢中还能形成多种低熔化合物或共晶体。形成的化合物FeS和Fe3P的熔点分别为1190和1166，而与FeO形成的共晶体FeS-Fe和Fe3P

8、-Fe熔点为985和1050，这些化合物和共晶体在结晶期极易形成液态薄膜，对各种裂纹都很敏感。Mn具有脱硫作用，能置换FeS为球状的高熔点的MnS，因而能降低裂纹倾向，随着钢中含碳量的增加，Mn/S的比值也应随之增加。Mn 、S、C在焊缝和母材中常同时存在，在一定含碳量的条件下，随着含硫量的增高，裂纹倾向增大，随着含锰量的增多，而裂纹倾向下降，而随着含碳量的增加，硫的作用则会加剧，而C的含量超过0.16%时，P对结晶裂纹的作用超过了S继续增加Mn/S值对防止结晶裂纹已无意义，从而增加了产生结晶裂纹的倾向。Si是脱氧元素，但焊缝中Si>0.4时，容易形成硅酸盐夹杂，造成裂纹源，从而增加裂纹

9、倾向。2 终端裂纹的防治措施通过以上分析我们可以确定终端裂纹是焊接拉应力和低熔点化合物或共晶体共同作用的结果，所以我们在实际生产中要从解决这两方面的影响入手。一是从力学因素方面减少焊接拉应力，二是从冶金因素方面减少低熔点化合物或共晶体的存在，降低其危害性，从而从根本上解决终端裂纹的问题。2.1 减少焊接拉应力的措施2.1.1 严格控制管段组对的质量、选择合理的坡口型式为了减少管段在组对过程中产生的应力及应变，防止诱发终端裂纹的产生，在管段制造的全过程应加强质量控制。在管段下料过程中，应严格控制下料尺寸，提高下料尺寸的精度，以便提高卷圆质量，避免焊口组对过程中的强制组对，减少组对应力，适当减小焊

10、缝的组对间隙，组对间隙越大在焊缝冷却时收缩量越大从而产生的拉应力就越大；减少焊接拉应力是焊缝坡口选择的重要考虑因素，实际上，结晶裂纹和焊缝的成形系数=W/H(即宽深比)有关，提高焊缝成形系数可以提高焊缝的抗裂性能，当碳含量提高时，为了防止裂纹，要相应的提高宽深比，要避免采用<1的坡口型式。2.1.2 控制点固焊的数量及长度卷圆完毕后，焊缝组对时在保证不烧穿的情况下，尽量减少点固焊的数量和长度，以降低坡口局部的刚度，从而达到降低焊接拉应力的目的，通常点固焊的长度约80mm，间距约800mm。2.1.3 焊件预热与焊剂烘干这项措施也是防止焊接拉应力的有效措施，它的主要作用是减缓焊缝的温度变化

11、，使焊接接头处的热量分部均匀，从而有利的减少内应力。特别是在环境气温较低（-10）的情况下，焊前预热就尤为重要，我们通过火焰对焊缝实施预热，在操作过程之中我们把预热温度控制在90100之间；焊剂使用前要进行烘干，SJ101为烧结型焊剂烘干温度范围在300与350之间，保持烘干时间2小时，当天使用后剩余的焊剂要及时返回仓库保管，防止受潮。2.1.4 选用适当的熄弧板熄弧板的作用是将收弧时的弧坑引到焊件外；加强焊缝终端的约束度，承受终端部位产生的较大的拉伸应力；改善终端部位的温度场，有利于导热，不使终端部位的温度过高。由于通常的熄弧板在端部点焊的非常牢固，增加了局部刚度，因而加大了焊缝凝固时所受的

12、拉应力。因此焊缝在此处最容易开裂。要解决这个问题，可采用弹性熄弧板（图5）。该熄弧板在两侧割开两个缺口，并且只点焊熄弧板的两侧，这种结构的优点是由于收弧在熄弧区因两侧带有缺口而产生热隔离作用，把熄弧功能和拘束功能分开，从而减少管段终端与熄弧板部位的热变形，同时可利用缺口来补偿热变形量，减少焊缝端部的刚度，进而减少端部的焊接拉应力。2.1.5合理选择焊接工艺焊接参数直接影响到焊缝的成形系数，而焊缝的成形形状又直接决定着焊缝凝固后的晶粒分部和低熔点共晶体的存在位置及受力情况，因而对结晶裂纹产生与否影响较大，为了控制成形系数，必须合理调整焊接工艺参数，我们就要从埋弧自动焊焊接参数的匹配现场操作上入手

13、，在生产中采用以下三种方法，这三种方法首先要有焊接工艺评定的支持。控制焊接线能量。由于实际生产中焊接电流总是偏上限，造成线能量过大，线能量增大对结晶组织的形态有害，因此无论是打底焊还是埋弧自动焊，都适当的采用较小的焊接电流，这样可以通过减少晶粒度和降低应变量，同时增大了焊缝成形系数，减少结晶裂纹的倾向。控制焊接速度。焊接速度过快时形成的结晶组织对裂纹敏感性大，但是现场看来，由于焊缝的组对间隙控制不好、焊工操作等因素，往往焊接速度不是过快，而是过慢，过慢的焊接速度和较大的焊接电流结合在一起，造成线能量增大，其结果一是焊缝晶粒粗大，焊接内应力增大；二是根部母材中杂质熔入过多，焊缝成形系数减小，从而

14、增大了结晶裂纹的倾向，因此适当的焊接速度，是减少焊缝裂纹的重要因素。增大焊丝直径。在焊接电流不变时，适当的增大焊丝直径，则电流的密度减小，电弧的吹力减小，电弧的摆动作用随之加强，而熔深则有所下降，使焊缝的成形系数增加，有利于焊缝的成形。 根据实践表明，我们通过表2中的焊接参数进行施焊，能有效防止裂纹的产生。另外，在焊接中，应该控制好首道焊缝的焊接参数，减少终端的偏弧，并应注意背面的清根深度，尤其是终端的清根，从而有效的减少终端裂纹的产生。2.2焊缝金属化学成分的控制控制焊缝中C、P、S等有害杂质的含量，这几种元素不仅能形成低熔相或共晶，而且还能促使偏析，从而增大结晶裂纹的敏感性。为了消除它们的

15、有害作用，应尽量限制母材和焊接材料中C、P、S的含量。根据JB/T4709-2007钢制压力容器焊接规程16MnR钢采用埋弧自动焊接时推荐使用H10Mn2或H10MnSi焊丝，我们选用H10Mn2型焊丝，通过对焊丝的化学成分（表3）进行分析，其中的有害杂质含量控制的都较低，因此，焊丝成分对结晶裂纹的产生影响较小。要控制焊缝金属中有害成分的含量，减少低熔点共晶体的出现，必须做好以下两个方面的工作：2.2.1母材金属化学成分的控制材料验收时首先对其质量说明说进行审查，重点审查母材中C、S、P、Si等元素的含量，对C、S、P、Si等元素含量偏高或接近上限的钢板，尽量避免采用埋弧自动焊进行焊接。必须使用自动焊接的要采取其他补偿措施。2.2.2焊剂化学成分的控制焊剂成分对最终形成焊缝金属的化学成分影响很大，施工中常因焊剂中S、P等有害元素的超标而形成焊接裂纹。为了防止增加结晶裂纹的倾向，必须要对焊剂进行质量审查，根据质量说明书中各种元素的化学成分判断S、P等有害元素的含量，条件允许时，要对其化学成分进行复查化验，严谨使用S、P含量高的焊剂。为了与钢板相匹配，必要时可对焊剂的配比提出要求定制，以保证焊缝金属的化学成分。3 结束语通过对焊缝的终端裂纹的形成原因分析，以及施工实践证明，有效控制原材料、焊材化学成