浅谈热力管道焊接裂纹产生原因

王德文

摘   要：对于城市供热管道来说，焊接裂纹对管道使用安全有着较为严重的影响，不仅会降低供热效果，严重时还会直接威胁供热系统的安全。所以在实际作业中，需要对热力管道焊接裂纹产生原因进行分析和研究，并有针对性地采取解决措施，提高管道焊接质量，促进供热系统的正常运转。文章以某城市供热管道焊接裂纹为例，对裂纹产生原因、特征进行分析和阐述。

关键词：热力管道;焊接裂纹;产生原因

结合以往焊接经验，可将焊接裂纹划分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂及应力腐蚀裂纹5种。由于不同裂纹的产生原因不同，采用的返修工艺也会存在差异，工作人员需要在详细了解裂纹产生原因后，制定科学、合理的返修方案，避免裂纹扩大，影响供热管道的安全运转。

1    项目简介

某城市供热热源以火电厂余热为主，在供热系统设置中，供热管道采用了螺旋焊管，直径控制在1 000 mm左右，壁厚约10 mm。安装焊接过程中，管沟底高程控制在2.8 m，采用了钨极氩弧焊和焊条电弧焊这两种方式，不过在焊接中发现，焊口位置出现焊接裂纹，通过对现场情况勘查、原因分析，制定科学处理方案，其具体内容如下。

1.1  裂纹性质判定

本项目中供热管道材质以低碳钢材质为主，具有较好的焊接性能，在实际作业中，只要焊接工艺合理将不会产生裂纹。当焊接工艺及材质出现问题时，大多会存在热裂纹现象。通过对本项目裂纹位置的研究可以看出，出现裂纹的位置在焊缝中心区域内，并沿着中心位置向纵向方向扩展，结合所学知识及实际情况分析，断定其存在的热裂纹属于结晶裂纹。

1.2  裂纹产生原因

结晶裂纹产生的原因有两点：一是焊接过程中焊缝内存在液态薄膜，内部结构出现变化，影响焊接效果.二是拉伸应力变化，导致焊缝凝固过程中存在拉伸现象，进而产生裂纹。深入分析产生上述现象的原因，了解到造成裂纹的主要因素如下。

1.2.1  材料问题

本项目中使用的管材中含有碳、磷、硫、硅、锰等多种元素，其中，碳元素约占0.120%～0.200%，磷元素≤0.045%，硫元素≤0.045%，硅元素≤0.300%，锰元素占0.300%～0.670%。从材料元素的构成可知，材料中硫、磷的含量相对较高，存在较多杂质，所以在焊接过程中，焊缝中的硫及磷元素会富集在结晶后的焊缝中心部位，形成低熔点的共晶物，待凝固结晶后，就会形成一层液态薄膜，附着在裂缝上，导致裂纹的产生。另外，使用的焊条材料在实际作业中会产生较多熔渣，其属于酸性渣，其中黏性氧化物，如氧化钙、氧化锰的含量较少，脱硫、脱磷效率较差，降低了焊缝的抗裂性能，导致裂纹的产生。

1.2.2  拉伸应力影响

拉伸应力是造成结晶裂纹的主要原因，从以往结晶裂纹原因分析中了解到，结晶裂纹的出现都会伴随较大的拉伸应力变化。以下是导致拉伸应力变化的原因。

（1）施工环境较为恶劣，焊接过程中存在明显的强制组队情况，导致焊口组在焊接组装中存在不适应的情况，进而增大拉伸应力，出现裂纹。

（2）管底夯实力度不足，随着重力增加，管底垫层会出现不均匀沉降，拉伸应力会在沉降过程中逐渐集中到焊缝位置上，使得焊缝承受较大应力，其自身抵抗能力较弱，应力的加大很容易导致其出现裂纹。

（3）焊接过程中，因加热和冷却控制的不均匀，使得焊缝位置内应力增加，加大了拉伸应力，导致结晶裂纹的产生[1]。

2    返修工艺

2.1  缺陷清理

本项目中产生裂纹所处管道属于固定焊接管道，无法移动和翻转，所以在裂缝处理前，应先了解和掌握裂缝情况，需要利用X射线，通过无损探伤方式对裂纹的尺寸、规格及具体位置予以掌握。通过观测得出，裂纹长度约52 mm，宽度约3.5 mm，且集中在盖面层位置。确定裂纹位置后利用记号笔予以标注，之后利用氧乙炔火焰将焊道两侧大约200 mm的范围实施预热处理，降低拉伸应力对焊缝的影响。处理完成后，需采用碳弧气刨法，对存在缺陷的位置进行清理，清理干净后完成打磨，以U型坡口状为主，为后续补焊作业的开展提供帮助。

2.2  返修焊接工艺

为降低结晶裂纹带来的不良影响，可从焊接材料及焊接工艺两方面综合考量，选用合适的返修焊接工艺，制定合理的补焊方案。

首先，在焊接材料选择上，可将原本使用的焊条替换成E4315规格的焊条，该焊条在使用中产生的熔渣为碱性，氧化钙含量符合工程焊接要求，且具有较好的脱硫、脱磷性能，能够增强焊缝抗裂能力，避免裂纹的产生。同时该类型的焊条在使用中能够有效降低焊缝中H含量，增强焊缝金属的塑性、韧性及抗裂性能。

其次，在施工工艺选择上，需要严格按照现有的规定要求进行焊接施工工艺的选择，确保其合格性、有效性。又由于本项目中裂纹大多集中在盖面层内，并未深入到结构内部，所以在选用补焊施工工艺时，以手工焊条电弧焊为主，将电流控制在100～130 A，电弧电压控制在20～22 V，焊接速度控制在每分钟10～15 cm或12～18 cm内，以此提高焊接质量，降低结晶裂纹影响。具体的工艺措施如下。

（1）替换后的焊条在开展焊接作业前，需先在350～400 ℃的环境下烘干，烘干时间控制在1～2 h，烘干完成后将其放置在保温桶内，结合焊接需要进行领取。

（2）如果在室外开展焊接施工，室外焊接环境的温度要高于5 ℃，环境湿度小于65%，风速控制在5 m/s。

（3）做好焊前预热，减小拉伸应力。预热温度约50 ℃，预热范围控制在50 mm左右。

（4）对焊工人员资质予以审查，禁止非专业人员参与。

（5）采用短弧焊接方式，以免夾渣等问题的产生。

（6）两层焊缝的开头需要错开一定距离，且焊接速度要快，以免应力集中问题的产生。

（7）焊接完成后，做好表面及周边的清洁作业，保证外观质量。同时利用X射线无损探伤法实行质量检测。

3    结语

综上所述，为减少焊道焊接裂纹的产生，在实际作业中要对裂纹产生原因实行深入分析和研究，有针对性地实行施工材料及工艺的选择，减少拉伸应力对焊缝的影响，以此提高焊接质量，促进供热管道的安全、稳定运行。

[参考文献]

[1]赵芳.热力管道焊接裂纹产生原因分析及修复工艺[J].河北建筑工程学院学报，2018（2）：55.