何小東，仝 珂， 梁明華，朱麗霞， 路彩虹

（1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，西安，710077；2.國(guó)家石油管材質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，西安，710077）

長(zhǎng)輸管道工程建設(shè)實(shí)際上是一個(gè)大規(guī)模的焊接過(guò)程，常采用藥皮焊條電弧焊、自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊、熔化極氣體保護(hù)焊 （STT半自動(dòng)焊和CRC全自動(dòng)焊）等焊接方式[1-4]。由于熔敷效率高、全位置成形好和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝在大直徑長(zhǎng)輸管道施工中逐漸得到廣泛應(yīng)用[5]。管道焊接過(guò)程中不可避免會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，劉云光等人[6]指出長(zhǎng)輸管線環(huán)焊縫焊接施工中容易產(chǎn)生的未焊透、未熔合、夾渣及氣孔焊接缺陷，并分析了其產(chǎn)生的原因。文獻(xiàn)[5]針對(duì)對(duì)接環(huán)焊縫常出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象，結(jié)合射線檢測(cè)和解剖結(jié)果，對(duì)裂紋產(chǎn)生的位置、斷口特征、下向焊焊接工藝和焊口的受力進(jìn)行了分析，找出了裂紋產(chǎn)生原因，提出了防止對(duì)策。管道運(yùn)行安全可靠性在很大程度上取決于焊接質(zhì)量[7]。王衛(wèi)東[8]采用雙判據(jù)法計(jì)算分析了焊接缺陷種類和尺寸對(duì)管道極限承載能力和抗斷裂能力的影響。結(jié)果表明缺陷的長(zhǎng)度和深度對(duì)管道的極限承載能力都有影響，尤其是深度的影響更加顯著。此外，焊接缺陷的存在對(duì)管道的抗斷裂能力影響較大，特別是錯(cuò)邊、未焊透、未熔合等裂紋類缺陷的復(fù)合型缺陷對(duì)管道抗斷裂能力影響非常大。為了保證管道運(yùn)行安全可靠，文獻(xiàn)[9]從焊接責(zé)任工程師、焊接前質(zhì)量檢驗(yàn)、施焊過(guò)程中質(zhì)量檢驗(yàn)和焊后質(zhì)量檢驗(yàn)等方面論述了焊接質(zhì)量控制要求。李頌宏[10]總結(jié)了長(zhǎng)輸管道施焊的經(jīng)驗(yàn)，介紹了焊接試驗(yàn)、焊接工藝規(guī)程編制、焊工管理、材料和設(shè)備管理、焊接過(guò)程控制、焊接檢驗(yàn)等的控制內(nèi)容及要求。本研究以實(shí)際環(huán)焊縫為研究對(duì)象，在工藝評(píng)定試驗(yàn)基礎(chǔ)上采用統(tǒng)計(jì)方法，研究了大直徑、大壁厚X80高鋼級(jí)長(zhǎng)輸油氣輸送管道自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接典型缺陷產(chǎn)生幾率，并提出了有效控制措施，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)，保證管道安全。

1 試驗(yàn)材料、工藝和方法

試驗(yàn)材料采用外徑1 219mm，壁厚18.4 mm和22.0 mm的X80埋弧焊接鋼管，現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝為熔化極氣體保護(hù)焊 （GMAW）根焊，自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接熱焊、填充和蓋面的工藝，焊接方向?yàn)橄孪蚝附?，焊接工藝參?shù)見(jiàn)表1。焊接完成后，按照Q/SY GJX 133—2012標(biāo)準(zhǔn)，采用單筆單影內(nèi)透法對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行X射線探傷檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，在不同施工部門(mén)和作業(yè)機(jī)組中共抽取II級(jí)以上合格環(huán)焊縫24個(gè)，按照Q/SYGJX137.1—2012《油氣管道工程焊接技術(shù)規(guī)范第1部分：線路焊接》在環(huán)焊縫的6點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn) （分別對(duì)應(yīng)于仰焊、立焊、平焊位置）位置取金相試樣，用MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)進(jìn)行焊接接頭宏觀和微觀組織分析，并用TESCAN IVEGA II型掃描電鏡和Inca350型能譜儀對(duì)焊接缺陷形貌和缺陷中物質(zhì)進(jìn)行成分分析。

表1 φ1 219mm焊管GMAW+FCAW-S焊接工藝參數(shù)

2 焊接缺陷統(tǒng)計(jì)分析及討論

2.1 焊接缺陷統(tǒng)計(jì)分析

按照Q/SYGJX137.1—2012規(guī)定，將裂紋、未熔合、尺寸大于1.6 mm的氣孔、深度大于或等于0.8 mm的夾渣均判定為不合格。在72個(gè)環(huán)焊縫低倍試樣中發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔、未熔合和裂紋的數(shù)量見(jiàn)表2?？梢钥闯觯捎肵射線檢測(cè)的環(huán)焊縫，即使判定為II級(jí)以上質(zhì)量合格的焊縫仍然有可能存在超標(biāo)缺陷漏檢或漏判。

表2 焊接缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果

通過(guò)低倍金相檢驗(yàn)，在24個(gè)對(duì)接環(huán)焊縫中發(fā)現(xiàn)存在焊接缺陷的共有20個(gè)，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷的只有4個(gè)，無(wú)缺陷的環(huán)焊縫數(shù)量占16.67%，如圖1所示。這說(shuō)明采用自保護(hù)藥芯焊絲產(chǎn)生焊接缺陷的幾率較高，必須對(duì)焊工操作技能要求很高，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量管理。圖2是環(huán)焊縫不同位置產(chǎn)生焊接缺陷的比例。從圖2中可以看出，在12點(diǎn)位置和6點(diǎn)位置，也就是在環(huán)焊縫頂部起弧和底部仰焊收弧焊接位置產(chǎn)生缺陷的幾率相對(duì)較高，而在9點(diǎn)立焊位置附近產(chǎn)生缺陷的幾率相對(duì)較低。這主要原因是在立焊位置附近，焊工處于便利的操作范圍。在12點(diǎn)位置時(shí)，由于鋼管管徑較大，處于位置較高，焊工操作不方便；而且由于該處為焊接起弧位置，搭接焊縫較多，每次焊接時(shí)需要仔細(xì)清理焊縫。因此，在12點(diǎn)平焊位置附近比9點(diǎn)立焊位置附近出現(xiàn)缺陷的幾率要多些。而在6點(diǎn)位置附近，因?yàn)楹附犹幱诃h(huán)焊縫底部，屬于仰焊，而且焊工操作空間受限制，因此該處產(chǎn)生缺陷幾率也較高。在長(zhǎng)輸油氣管道自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接工藝中，不同性質(zhì)的缺陷產(chǎn)生概率也是不同。幾種常見(jiàn)缺陷所占的比例如圖3所示。

圖1 焊接缺陷產(chǎn)生比例

圖2 不同位置焊接缺陷比例

圖3 不同性質(zhì)的缺陷所占比例

圖3表明，自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接時(shí)，夾渣產(chǎn)生的幾率最大，其次是未熔合和氣孔，而產(chǎn)生裂紋的幾率相對(duì)較低。同一焊層內(nèi)部、焊層之間和焊縫與母材側(cè)壁的夾渣產(chǎn)生的原因不完全相同。焊層之間和焊縫與母材之間的夾渣很大程度上是因?yàn)楹附忧昂冈蚰デ謇聿粡氐自斐傻?，或者是由于工藝參?shù)不當(dāng)；而同一焊層內(nèi)部的夾渣是由于填充焊時(shí)焊接電流及焊接速度過(guò)小，焊渣上浮不及時(shí)造成。實(shí)際上，在光學(xué)顯微鏡下很難區(qū)分焊縫低倍組織中的夾渣、未熔合和氣孔缺陷。如果將這三種缺陷統(tǒng)稱為 “孔洞型”缺陷，那么這種 “孔洞”是藥芯自保護(hù)半自動(dòng)焊接工藝的主要缺陷，如圖4所示。在長(zhǎng)輸油氣管道自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接工藝產(chǎn)生的焊接缺陷中，“孔洞型”缺陷出現(xiàn)幾率達(dá)到92.5%。圖5是自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接典型缺陷的低倍金相照片。

圖4 “孔洞”型焊接缺陷的比例

圖5 典型焊接缺陷

2.2 討 論

從上文中分析可以看出，自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接工藝產(chǎn)生的缺陷主要是 “孔洞” 型缺陷。為了進(jìn)一步研究這種 “孔洞”缺陷的形貌和產(chǎn)生原因，用金相顯微鏡和掃描電鏡對(duì)缺陷附近的組織和形貌進(jìn)行了觀察分析。在金相顯微鏡和掃描電鏡下，觀察發(fā)現(xiàn)在這種 “孔洞”缺陷并不是空的，缺陷內(nèi)部還存在有其他物質(zhì)，對(duì)“孔洞”中的物質(zhì)成分用能譜儀進(jìn)行分析。圖6～圖9給出了典型的 “孔洞”缺陷的組織和形貌，以及“孔洞”中夾雜物質(zhì)的成分。從圖6～圖9的能譜曲線中可以看出， 這種 “孔洞” 中有Al，Mg，Mn，S，Si，Ti，Zr，Ba和稀土Ce等元素存在，是典型氟化物Fe2O3-Al-Mg高堿性渣系的成分。同時(shí)，從圖6～圖9可以看出，焊縫與母材側(cè)壁的 “未熔合”和焊層之間的 “未熔合”很大程度與夾渣有關(guān)，這些夾渣是焊接過(guò)程中自保護(hù)藥芯的產(chǎn)物。由于自保護(hù)藥芯焊絲中藥芯的合金化復(fù)雜，非金屬夾雜物的形狀和成分總是不均勻的，在研究中觀察到的夾雜物有球形、多面菱形和團(tuán)聚的顆粒等[11]。夾雜物的核心主要是由不同比例的Ti，Mn，Si和Al等氧化物的混和體構(gòu)成，反映其是一個(gè)復(fù)雜的脫氧產(chǎn)物。通常，夾雜物為一個(gè)在先期脫氧階段形成的氧化物核心，脫氧產(chǎn)物的化學(xué)成分變化范圍很寬，主要取決于焊縫金屬中Al，Ti，Si，Mn和O的活度，氧化物的部分表面將被TiN和MnS覆蓋。這些相的析出發(fā)生在焊縫金屬脫氧反應(yīng)完全后，也可能發(fā)生在枝晶間富溶質(zhì)的液相凝固過(guò)程中。整體而言，在熔池達(dá)到平衡狀態(tài)條件下，強(qiáng)脫氧劑如Ti和Al在夾雜物中出現(xiàn)的比例高于焊縫金屬中的比例。同時(shí)，焊縫中不同區(qū)域聚集的夾雜物不同，有的區(qū)域是含有少量Al和Si的富Ti和Mn氧化物，有的區(qū)域是MnS，有的區(qū)域主要是TiO2。

圖6 焊縫與母材的未熔合形貌及能譜分析

圖7 焊縫層間的未熔合形貌及能譜分析

圖8 焊縫夾渣形貌及能譜分析

圖9 焊縫氣孔形貌及能譜分析

2.3 改善措施

為了減少 “孔洞”型夾雜缺陷的產(chǎn)生，改善藥芯焊絲自保護(hù)焊縫質(zhì)量，應(yīng)從以下幾方面采取措施。

（1）每層焊道焊接之前要將上層焊道的焊渣徹底清除干凈，從而減少焊層之間的夾渣和焊層之間未熔合。

（2）清渣過(guò)程中避免溝槽過(guò)深，形成 “W”狀，避免下層焊道填充焊接時(shí)流到深槽的熔渣來(lái)不及溢出而形成夾渣。

（3）在填充焊道時(shí)，要適當(dāng)做橫向擺動(dòng)，并注意擺動(dòng)幅度，保證坡口側(cè)母材熔化，避免形成未熔合的空隙，從而可以減少熔渣流入空隙形成夾渣。

（4）優(yōu)化焊接參數(shù)，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，焊接過(guò)程中始終保持焊接熔池位于焊接電弧后方。

（5）加強(qiáng)焊工培訓(xùn)，熟練掌握藥芯焊絲自保護(hù)焊接的 “薄層、快速、多道焊”技術(shù)關(guān)鍵。

（6）采取有效的現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量管理措施，加強(qiáng)焊接質(zhì)量抽查檢驗(yàn)。

3 結(jié) 論

（1）自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接工藝缺陷產(chǎn)生的幾率較大，夾渣、未熔合、氣孔的比例最高；

（2）自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊環(huán)焊縫上，6點(diǎn)和12點(diǎn)位置的缺陷比9點(diǎn)位置的缺陷多；

（3）自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊的典型缺陷呈 “孔洞”形貌， “孔洞”中常伴隨有夾雜物；

（4）采取有效的焊接工藝措施，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量管理，減少 “孔洞”型夾雜缺陷，改善藥芯焊絲自保護(hù)焊縫質(zhì)量，有利于長(zhǎng)輸管道運(yùn)行安全。

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