基于压扁实验导致焊管开裂的原因分析★

王永建，孙二东，范义焘，楚志兵，王正谊，党淑娥

（中钢不锈钢管业科技山西有限公司）

压扁实验是对焊接钢管（见图1）焊缝缺陷质量检测的常见手段之一，通过对焊接钢管进行压扁处理，对其缺陷进行展开检测。其做法是：将带缺陷的焊管放置在平行板中，采用压力机或其他方式对焊管进行均匀处理，直到尺寸达到目标值后停止压力机，并对焊管的变形大小进行检测，根据检测结果确定该焊管是否符合标准要求。由于焊管的开裂与生产现场有关，因此需要对焊管的施工现场进行了解。

图1 焊接钢管

1 焊管施工情况

焊管的生产工艺简单，且具有生产效率高、成本低、发展快、规格品种多等优势[1]，在工程现场施工等其他领域中运用广泛。但是由于焊管的工艺影响，其焊接位置的接缝是焊接钢管最薄弱的地方，因此其强度比同规格的无缝钢管低。

近年来，由于焊管的施工工艺显著改进，直缝和螺旋焊管的焊接工艺明显改善。直缝以及螺旋焊管的焊缝方向决定了两者的性能差异，直缝焊管通过直接焊接施工方式得到，但螺旋焊管则是由特定的螺旋线角度将管坯打卷而制成的，因此直缝焊管具有更高的可靠性。

在焊接过程中，焊缝的纤维组织方式是焊缝的特征之一，而判别焊接挤压力的重要目标是金属流线。如果金属流线的上升角度大，表明焊接挤压力高，被挤压而熔融的金属较多，由此可以判断出板边金属的焊合存在问题，所以容易出现冷焊的情况[3]。

2 影响实验结果的因素及开裂原因分析

2.1 影响实验结果的因素

2.1.1 实验设备及实验方法影响

在对焊管进行压扁实验的各种方案中，实验设备和实验方法不完全相同，大多数的压扁实验是在焊管的两个端部进行施压。在施压过程中主要采用万能试验机（见图2）或者压力拉伸机，对焊管的两个端部进行开裂实验分析；而少部分实验是在焊管的中段进行施压处理。因此导致试验结果出现不同程度的偏差。

图2 万能试验机

2.1.2 实验材料质量影响

造成实验偏差的另一个主要原因是材料的质量。它会影响焊管的物理化学性能指标，也会影响焊管的质量指标。因此在进行实验时，会根据材料的质量差异，选择不同的目标参数，这也是导致实验结果产生偏差的因素之一。在进行实验时，如果选用不同的目标参数，将会直接影响实验的结果。比如，在进行低压流体的输送时，应对焊管进行科学使用。在输送取暖蒸汽及水等较低压力流体时，要选择满足相应标准要求的材料。按照GB/T 3091—2015标准要求，可选用外径不低于60.3 mm，长度为64 mm的焊管试样进行压扁实验，根据实验结果做相应判断和规划设计。在实验过程中，如果出现焊缝处开裂或裂口现象，将会影响实验结果，因此应选择质量好的材料来进行实验。

2.1.3 实验中人员操作影响

实验结果和人员的操作有很大关系，操作不当将造成实验结果的失真。人员操作对实验结果的影响体现在以下两方面：

1）由于操作人员的操作习惯和专业能力不同，在进行压扁实验时，会造成实验结果的偏差。如果操作人员的专业能力强，操作流程规范，得到的实验结果精确度就会高，焊管样品的选择也具有代表性，从而可以体现焊接工艺对焊管生产水平的精确评价。

2）操作人员在实验过程中的操作规范程度，直接影响实验结果的可靠性。由于实验的操作程序比较复杂，如果操作人员的操作不规范，不能按操作规程严格进行，很容易造成实验结果的偏差，甚至导致错误结果[4]。

2.2 造成焊管开裂的因素

2.2.1 焊管内部杂质影响

为了能够达到焊管压扁实验的要求，确保焊管整体性能，防止焊管在实验过程中出现开裂或其他缺陷问题，在进行焊管压扁实验并进行开裂原因分析时，需要对焊管断面层内的物质进行研究，比如对硫化物进行分析，明确硫化物形态、含量及分布对实验结果的影响。另外要对焊管内的杂质进行全方位检测，选择符合相关标准要求的优质材料，从而避免焊管压扁实验中因材料内部杂质而影响实验结果。

2.2.2 焊管材质方面影响

由于钢铁材料存在同素异构现象，即温度和压力发生改变时，钢铁材料会发生晶体结构的变化，由一种晶格转变为另一种晶格。钢铁材料的同素异构体主要有：α铁、β铁和γ铁。其中α铁出现开裂的程度最高，且开裂断面在开裂后会形成纵向裂纹，严重降低焊管的价值，影响焊管的使用。而β铁和γ铁同样也存在开裂现象，但主要是以横向裂纹为主，不会出现严重的纵向裂纹，对焊管的使用影响相对较小。从焊管的整体裂纹程度来说，焊管的价值与裂纹程度密切相关，且呈反比关系，也就是说裂纹程度越高，焊管价值越低，反之，裂纹程度越低，焊管价值越高。

3 开裂问题处理措施

3.1 提高焊接水平

由于焊接工艺水平对压扁实验结果会产生直接影响，是导致焊管开裂的主要原因之一，因此必须重视焊管的焊接工艺，提高焊接质量。为此，首先要对操作人员进行操作步骤规范性培训，提高操作人员的专业水平，保证操作高质量进行；其次要精确控制焊接条件，如焊接挤压熔融金属量、焊接温度等，确保焊缝不会因外部因素而产生开裂，影响焊管的加工性和耐压性[5]；第三要对现有焊接工艺进行优化，根据对焊接工和对焊接性能指标的要求，对焊接方式进行优化改进，确保现有焊接方案为最优化工艺方案。

3.2 做好杂质处理

为了降低焊管的杂质含量，应做好焊管生产各环节的指标分析和控制，做到规范实施化学处理的各项操作，做好选矿及各阶段的成分分析，根据矿石的化学成分确定后续各环节的处理方案，对氧化物及硫化物等杂质进行必要处理。如在炼铁炼钢过程中，实时监控各元素的变化情况，确保每一步操作的规范性以及科学性，通过采用铁水预处理及炉外精炼等工艺，去除钢中的夹杂物和有害物质，保证在冶炼过程中有效降低钢材的杂质含量。在钢材的成型过程中，要做好对化合物的分析及对其特点的利用，根据钢材的使用要求，做好对有害杂质的必要处理。

3.3 控制生产工艺

在进行焊管压扁实验前，首先制定压扁实验方案，并对其进行讨论与选择，根据对焊管压扁实验性能的具体要求，严格控制焊管生产工艺，保证从选矿开始，优化焊管物理性能和化学性能指标，达到避免焊管压扁实验过程中产生开裂现象。为此需要严格控制焊管成分含量，并根据不同材质的成分分析结果，制定物理及化学性能指标，为实验提供准确的目标参数。此外对焊管加压技术的实施细节进行优化，通过选用先进的生产设备及生产工艺，达到提高焊管整体质量的目标。

4 结语

焊管的应用越来越广，在钢材市场中占有重要地位，因此提高焊管的质量尤为重要，相关机构应加大对焊管压扁实验的研究。根据压扁实验的操作规范要求及所要达到的实验目标，科学地进行焊管压扁实验，研究和控制引起实验开裂的因素，确保实验结果的可靠性和精确度。技术人员根据实验的开裂情况，准确判断焊管的质量，明确焊管是否存在缺陷，找出引起焊管出现缺陷的原因，并从原料、生产、操作、管理等方面加以控制，为生产高质量焊管奠定良好基础。