1、淺談導管架卷制管埋弧自動焊終端裂紋防止措施韓福君 王亮 張洪濤 吳金（中國天辰工程有限公司 天津北辰 300400）（中國石油天然氣第一建設公司 河南洛陽 471023）摘要：在導管架卷制管埋弧自動焊接過程中，通常在焊縫終端產生裂紋，本文分析了終端裂紋的形成原因及相應的防止措施。為以后同類工程提供了參考與借鑒。關鍵詞：導管架 卷制管 埋弧自動焊 終端裂紋 防止0前言：導管架平臺又稱樁式平臺，是由打入海底的樁腿來支撐整個平臺，導管架是樁基式平臺的主要組成部分，是平臺的支撐結構件，是先在陸地上制作完成，然后在海上用鋼樁穿入導管打入海底，使其固定在海上，后與平臺通過焊接連接固定成導管架平臺。導管架是

2、由管件經過組對、焊接而形成剛性框架結構。導管架整體結構剛性大，能適用于各種土質，是目前最主要的固定平臺的結構。導管架主要由鋼樁、隔水套管等主要構件組成，各組成件通過單根管件的焊接連接形成，焊接是導管架建造的主要施工方法。以我公司青島項目建造的番禺30-1深海導管架為例，由于焊接工作量大導管架在預制時主要采用埋弧自動焊接。在導管架卷制管焊接的過程中，發現12mm18mm壁厚范圍的管段焊縫熄弧板處容易產生裂紋，本文對埋弧自動焊接過程中終端裂紋的產生原因及防止措施進行了詳盡的描述。1 終端裂紋特點及產生的原因分析1.1 終端裂紋的主要特點番禺30-1深海導管架管件為16MnR鋼管，焊絲采用H10Mn

3、2，焊劑采用SJ101，這是經過長期使用已經成熟的工藝方法。在焊接完畢清除掉焊劑藥皮后發現終端部位有裂紋（圖1），該裂紋產生在焊縫金屬中，裂紋沿著焊縫中心長度方向開裂，即裂紋與焊縫的波紋線相垂直，露在焊縫表面有明顯的鋸齒形狀，可以確定該裂紋為結晶裂紋。在以后的焊接過程中多次出現該種裂紋，出現的裂紋均有以下幾個特點：（1）裂紋一般分布在焊縫的熄弧板一端，并且與焊縫的波紋線呈垂直分布。（2）管件的壁厚越大出現該種裂紋的幾率越大。（3）在鋼板和焊劑的化學成分中C、P、S等合金成分偏上或超過規定含量上限時易產生裂紋。1.2 終端裂紋產生原因分析焊接過程中，電弧作用中心的前方金屬出于急劇升溫并迅速熔化的

4、階段，而電弧作用中心后方的金屬則已經開始降溫并進入凝固或結晶階段（圖2）。運動中的焊接電弧始終在焊縫上的局部位置發生作用，并在電弧作用中心的溫度最高，遠離此作用中心的溫度逐漸變低，焊接過程中母材上的溫度和焊接熔池中的溫度分布是不均勻的，固體母材同液體熔池的交界處的溫度應等于母材金屬的熔點，而越往熔池中心溫度就越高。在電弧電壓焊接電流及焊接速度保持穩定的情況下，熔池的尺寸形狀也較為穩定（圖3），從圖3可知，其輪廓剛好為熔點的等溫面，熔池的寬度和深度沿焊接方向（X軸方向）連續變化，一般情況下，增大焊接電流時，熔池的最大深度Hmax增大，而最大寬度Bmax則相對減少；增大電弧電壓時Hmax減小而Bm

5、ax則相對增大。熔池的長度L的大小與電弧能量成正比。由于熔池溫度高，而周圍金屬溫度較低，隨著熔池的前移，原來熔池內的液態金屬溫度迅速下降快速進入凝固階段，隨著凝固時熔池體積的不斷減小，從而形成各方向的拉應力，這些拉應力并在焊縫金屬逐漸冷卻時會逐漸變大，而且焊縫越長，越接近終端時，各種變形能量越大，應力和變形的累計使終端焊縫內的應力值增高。另外，由于卷制管受下料尺寸精度、卷圓程度、使用的機具和操作者技能的影響，并且在焊縫組對過程中，常存在著不同程度的強制組對現象，強制組對將導致在點固焊處產生復雜的彈性應力，在焊縫進行打底焊時由于焊接區域加熱和冷卻的不均勻性，使各部分金屬發生的相變過程不一樣，當溫

6、度恢復到原始的均勻狀態后，這些應力在焊接溫度場的作用下，將進行恢復和再結晶，這將給焊縫產生新的拉應力。焊接拉應力的存在是產生結晶裂紋的一個原因。通常，焊縫結晶時先結晶部分化學成分比較單一，后結晶的部分雜質與合金化元素較多，這種結晶偏析造成了化學成分不均勻，隨著柱狀晶長大，雜質與合金化元素就不斷被排斥到平行生長的柱狀晶交界或焊縫中心線處，它們與金屬形成低熔點化合物或共晶體，隨著熔池的前移，這種低熔點化合物或共晶體多集中在焊縫的終端部位，最后被推向晶界，在晶粒之間形成一個液態薄膜。這一膜層結晶體相對抗拉能力弱，在焊縫拉應力的作用下易形成裂紋。我們對卷制管鋼板化學成分（表1）進行分析，發現C、S、P

7、、Si元素偏高，達到了上限，而Mn元素及Nb、Ti、AIt等微量合金元素略低。C是影響結晶裂紋的主要因素，并能加劇其他元素的有害作用，由Fe-C相圖（圖4）可知，由于鋼中含碳量的增加，初生相可由相轉為相，而S、P在相中溶解度比在相中低很多，S僅為1/3，P約為1/10。如果初生相或結晶終了前是相，S和P就會在晶界析出，使熱裂紋傾向增大。P和S在各類鋼中幾乎都會增加結晶裂紋的傾向。在鋼的各種元素中P和S的偏析系數最大，所以在鋼中都易引起結晶偏析。同時P和S在鋼中還能形成多種低熔化合物或共晶體。形成的化合物FeS和Fe3P的熔點分別為1190和1166，而與FeO形成的共晶體FeS-Fe和Fe3P

8、-Fe熔點為985和1050，這些化合物和共晶體在結晶期極易形成液態薄膜，對各種裂紋都很敏感。Mn具有脫硫作用，能置換FeS為球狀的高熔點的MnS，因而能降低裂紋傾向，隨著鋼中含碳量的增加，Mn/S的比值也應隨之增加。Mn 、S、C在焊縫和母材中常同時存在，在一定含碳量的條件下，隨著含硫量的增高，裂紋傾向增大，隨著含錳量的增多，而裂紋傾向下降，而隨著含碳量的增加，硫的作用則會加劇，而C的含量超過0.16%時，P對結晶裂紋的作用超過了S繼續增加Mn/S值對防止結晶裂紋已無意義，從而增加了產生結晶裂紋的傾向。Si是脫氧元素，但焊縫中Si>0.4時，容易形成硅酸鹽夾雜，造成裂紋源，從而增加裂紋

9、傾向。2 終端裂紋的防治措施通過以上分析我們可以確定終端裂紋是焊接拉應力和低熔點化合物或共晶體共同作用的結果，所以我們在實際生產中要從解決這兩方面的影響入手。一是從力學因素方面減少焊接拉應力，二是從冶金因素方面減少低熔點化合物或共晶體的存在，降低其危害性，從而從根本上解決終端裂紋的問題。2.1 減少焊接拉應力的措施2.1.1 嚴格控制管段組對的質量、選擇合理的坡口型式為了減少管段在組對過程中產生的應力及應變，防止誘發終端裂紋的產生，在管段制造的全過程應加強質量控制。在管段下料過程中，應嚴格控制下料尺寸，提高下料尺寸的精度，以便提高卷圓質量，避免焊口組對過程中的強制組對，減少組對應力，適當減小焊

10、縫的組對間隙，組對間隙越大在焊縫冷卻時收縮量越大從而產生的拉應力就越大；減少焊接拉應力是焊縫坡口選擇的重要考慮因素，實際上，結晶裂紋和焊縫的成形系數=W/H(即寬深比)有關，提高焊縫成形系數可以提高焊縫的抗裂性能，當碳含量提高時，為了防止裂紋，要相應的提高寬深比，要避免采用<1的坡口型式。2.1.2 控制點固焊的數量及長度卷圓完畢后，焊縫組對時在保證不燒穿的情況下，盡量減少點固焊的數量和長度，以降低坡口局部的剛度，從而達到降低焊接拉應力的目的，通常點固焊的長度約80mm，間距約800mm。2.1.3 焊件預熱與焊劑烘干這項措施也是防止焊接拉應力的有效措施，它的主要作用是減緩焊縫的溫度變化

11、，使焊接接頭處的熱量分部均勻，從而有利的減少內應力。特別是在環境氣溫較低（-10）的情況下，焊前預熱就尤為重要，我們通過火焰對焊縫實施預熱，在操作過程之中我們把預熱溫度控制在90100之間；焊劑使用前要進行烘干，SJ101為燒結型焊劑烘干溫度范圍在300與350之間，保持烘干時間2小時，當天使用后剩余的焊劑要及時返回倉庫保管，防止受潮。2.1.4 選用適當的熄弧板熄弧板的作用是將收弧時的弧坑引到焊件外；加強焊縫終端的約束度，承受終端部位產生的較大的拉伸應力；改善終端部位的溫度場，有利于導熱，不使終端部位的溫度過高。由于通常的熄弧板在端部點焊的非常牢固，增加了局部剛度，因而加大了焊縫凝固時所受的

12、拉應力。因此焊縫在此處最容易開裂。要解決這個問題，可采用彈性熄弧板（圖5）。該熄弧板在兩側割開兩個缺口，并且只點焊熄弧板的兩側，這種結構的優點是由于收弧在熄弧區因兩側帶有缺口而產生熱隔離作用，把熄弧功能和拘束功能分開，從而減少管段終端與熄弧板部位的熱變形，同時可利用缺口來補償熱變形量，減少焊縫端部的剛度，進而減少端部的焊接拉應力。2.1.5合理選擇焊接工藝焊接參數直接影響到焊縫的成形系數，而焊縫的成形形狀又直接決定著焊縫凝固后的晶粒分部和低熔點共晶體的存在位置及受力情況，因而對結晶裂紋產生與否影響較大，為了控制成形系數，必須合理調整焊接工藝參數，我們就要從埋弧自動焊焊接參數的匹配現場操作上入手

13、，在生產中采用以下三種方法，這三種方法首先要有焊接工藝評定的支持。控制焊接線能量。由于實際生產中焊接電流總是偏上限，造成線能量過大，線能量增大對結晶組織的形態有害，因此無論是打底焊還是埋弧自動焊，都適當的采用較小的焊接電流，這樣可以通過減少晶粒度和降低應變量，同時增大了焊縫成形系數，減少結晶裂紋的傾向。控制焊接速度。焊接速度過快時形成的結晶組織對裂紋敏感性大，但是現場看來，由于焊縫的組對間隙控制不好、焊工操作等因素，往往焊接速度不是過快，而是過慢，過慢的焊接速度和較大的焊接電流結合在一起，造成線能量增大，其結果一是焊縫晶粒粗大，焊接內應力增大；二是根部母材中雜質熔入過多，焊縫成形系數減小，從而

14、增大了結晶裂紋的傾向，因此適當的焊接速度，是減少焊縫裂紋的重要因素。增大焊絲直徑。在焊接電流不變時，適當的增大焊絲直徑，則電流的密度減小，電弧的吹力減小，電弧的擺動作用隨之加強，而熔深則有所下降，使焊縫的成形系數增加，有利于焊縫的成形。 根據實踐表明，我們通過表2中的焊接參數進行施焊，能有效防止裂紋的產生。另外，在焊接中，應該控制好首道焊縫的焊接參數，減少終端的偏弧，并應注意背面的清根深度，尤其是終端的清根，從而有效的減少終端裂紋的產生。2.2焊縫金屬化學成分的控制控制焊縫中C、P、S等有害雜質的含量，這幾種元素不僅能形成低熔相或共晶，而且還能促使偏析，從而增大結晶裂紋的敏感性。為了消除它們的

15、有害作用，應盡量限制母材和焊接材料中C、P、S的含量。根據JB/T4709-2007鋼制壓力容器焊接規程16MnR鋼采用埋弧自動焊接時推薦使用H10Mn2或H10MnSi焊絲，我們選用H10Mn2型焊絲，通過對焊絲的化學成分（表3）進行分析，其中的有害雜質含量控制的都較低，因此，焊絲成分對結晶裂紋的產生影響較小。要控制焊縫金屬中有害成分的含量，減少低熔點共晶體的出現，必須做好以下兩個方面的工作：2.2.1母材金屬化學成分的控制材料驗收時首先對其質量說明說進行審查，重點審查母材中C、S、P、Si等元素的含量，對C、S、P、Si等元素含量偏高或接近上限的鋼板，盡量避免采用埋弧自動焊進行焊接。必須使用自動焊接的要采取其他補償措施。2.2.2焊劑化學成分的控制焊劑成分對最終形成焊縫金屬的化學成分影響很大，施工中常因焊劑中S、P等有害元素的超標而形成焊接裂紋。為了防止增加結晶裂紋的傾向，必須要對焊劑進行質量審查，根據質量說明書中各種元素的化學成分判斷S、P等有害元素的含量，條件允許時，要對其化學成分進行復查化驗，嚴謹使用S、P含量高的焊劑。為了與鋼板相匹配，必要時可對焊劑的配比提出要求定制，以保證焊縫金屬的化學成分。3 結束語通過對焊縫的終端裂紋的形成原因分析，以及施工實踐證明，有效控制原材料、焊材化學成