直缝埋弧焊管焊缝内部横向裂纹产生原因分析

王立柱， 陈小伟， 张 骅, 韩铁利， 李志华， 吴红星

（1. 渤海装备巨龙钢管有限公司， 河北 青县062658； 2. 渤海装备研究院， 天津300280）

在生产厚壁直缝埋弧焊管时， 焊缝内部会有横向裂纹产生， 裂纹的尺寸不一， 裂纹在焊缝深度和长度方向随机分布， 没有规律。 用超声波手探检测， 将Φ1.6 mm 竖通孔校验灵敏度提高10 db， 反射波高最高80%， 按检验标准属不超标缺欠[1-2]。 由于裂纹在焊缝内部， 没有延伸到焊缝表面， 裂纹间隙很小， 大部分裂纹只有在焊缝横向超声波探伤时才能检测到回波。 虽然裂纹的尺寸较小， 但在后续扩径、 热处理或服役过程中很可能发生扩展， 导致管道泄漏[3-4]。 因此，找出焊缝内部横向裂纹产生的原因， 采取工艺措施避免裂纹的产生是本研究探讨的主要内容。

1 生产实例

1.1 案例1

中俄东线部分露天使用弯管要求－45 ℃焊缝冲击功单值≥60 J， 平均值≥80 J， 使用常规多丝双面单道焊工艺生产母管， 做成弯管后焊缝冲击功下降较多， 不能满足标准要求， 为此开发了单丝多道焊工艺及焊丝。 在使用单丝多道焊工艺（方案1） 焊接Φ1 422 mm×33.8 mm X80M 低温母管时， 发现焊缝内部有尺寸较小的横向裂纹（如图1 所示）， 探伤结果显示内外焊缝均有裂纹存在。

对焊接工艺进行了改进， 改用三丝多层焊工艺 （方案2）， 并采用电伴热带对焊缝两侧300 mm 进行焊前预热、 焊后石棉布保温等措施降低焊接应力。 采用该工艺生产的母管做成弯管后焊缝内部未见横向裂纹， 冲击功满足标准要求。 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管焊接参数见表1， 采用方案1 和方案2 得到的焊缝宏观照片如图2 所示。

图1 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管裂纹微观形貌

表1 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管焊接参数

图2 Φ 1422 mm×33.8 mm 母管焊缝宏观形貌

截取的弯管试样如图3 所示， 通过扫描电镜观察裂纹断口上呈现光滑的枝晶状开裂形态， 并存在高温氧化， 剖面金相试样上也可以观察到类似的失效特征， 这表明裂纹为焊接热裂纹[5]。

图3 Φ 1 422 mm×33.8 mm 弯管试样

在焊缝结晶后期， 由于低熔点共晶形成的液态薄膜削弱了晶粒间的联结， 在拉应力作用下产生裂纹[5-6]。 即热裂纹产生的条件： 一是低熔点共晶， 二是拉应力。 对钢管母材、 焊丝、 焊缝的化学成分进行了分析， 结果见表2。

从表2 可以看出， 裂纹管焊缝成分中Cu 含量偏高， Mn 和Mo 含量偏低。 焊丝A 化学成分中w（Cu）=1.0%， 是焊缝中Cu 的主要来源。 方案2焊缝中w（Cu）降低30%， 减少了焊缝低熔点共晶形成的机率； w（Ni）含量降低20%， w（Mo）上升1 倍， w（Mn）上升13%。

在母管上截取焊缝纵向圆棒拉伸试样， 并在焊缝边缘取母材纵向圆棒拉伸试样做拉伸试验，试验结果见表3。

由表3 可以看出， 方案1 焊缝的屈强比偏高， 延伸率偏低， 母材延伸率较高， 焊缝在冷却过程中， 由于焊缝金属的收缩产生较大的纵向拉应力， 当焊缝塑性很差时， 在拉应力的作用下比较容易开裂； 方案2 焊缝的延伸率和屈强比与母材接近， 焊缝的塑性有了较大的改善， 焊缝内部横向未产生裂纹。

表3 Φ1 422 mm×33.8 mm 母管拉伸试验结果

1.2 案例2

在使用方案3 （见表4） 生产Φ1 016 mm×26.2 mm X70M 钢管时， 发现焊缝内部有横向裂纹（如图4 所示） 产生， 探伤结果显示裂纹只存在于外焊缝。

表4 Φ1 016 mm×26.2 mm X70M 钢管焊接参数

图4 Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管焊缝裂纹微观形貌

取样检验母材和焊缝的化学成分见表5， 拉伸试验结果见表6。 试验结果未发现异常。

Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管焊缝宏观照片如图5 所示。 由图5 可以看出， 外焊缝宽度较小，熔深较大， 焊缝的宽深比较小。 改用方案4 工艺（见表4）， 通过降低外焊焊速， 减小外焊一丝、二丝电流， 增加外焊热输入， 使外焊缝的宽深比加大， 焊缝内部横向裂纹再未出现。

表5 Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管及焊丝的化学成分

表6 Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管拉伸试验结果

图5 Φ1 016 mm×26.2 mm 钢管焊缝宏观形貌

1.3 案例3

采用Φ1 016 mm×21 mm 钢管用钢板对裁，按照方案5 工艺（见表7） 生产Φ508 mm×21 mm X70M 钢管时， 发现焊缝内部横向裂纹如图6 所示。 探伤结果显示裂纹只存在于内焊缝。

取样检验母材、 焊缝和焊材化学成分， 结果见表8。 通过扫描电镜得到的裂纹SEM 形貌如图7 所示， 分析结果是裂纹处C 和Nb 的含量偏高 （见表9）。 分析认为裂纹处C 可能是晶界周围的渗碳体， 而只有钢板中含有Nb， 剖分钢板中间可能存在局部偏析。

表7 Φ508 mm×21 mm 钢管焊接参数

图6 Φ508 mm×21 mm 钢管焊缝裂纹微观形貌

表8 Φ508 mm×21 mm 钢管和焊丝化学成分

在钢管上取焊缝纵向圆棒拉伸试样， 并在焊缝边缘取母材纵向圆棒拉伸试样做拉伸试验， 试验结果见表10。 由表10 可以看出， 焊缝的延伸率偏低为14.1%， 屈强比偏高为0.945。

图8 Φ508 mm×21 mm 钢管焊缝宏观形貌

为增加焊缝延伸率， 降低焊缝屈强比， 改用方案6 工艺 （见表7）， 将内外焊二丝由合金含量高的H08MnMoTiB 焊丝更换为不含合金成分的H08A 焊丝， 并调整焊接参数， 焊缝形状及性能均得到改善， 焊缝内部未出现横向裂纹。 Φ508 mm×21 mm 钢管焊缝宏观形貌如图8所示。

2 原因分析

以上几个案例表明， 焊缝内部横向裂纹的产生与焊缝的延伸率、 屈强比、 低熔点共晶成分以及焊缝的宽深比有关。

金属在高温时的延性和断裂曲线如图9 所示。金属在高温时的延性和断裂取决于3 个因素， 即拉应变对于温度的变化率∂ε/∂T、 脆性温度区的大小ΔTB和在这个区间里金属的延性δmin。 ∂ε/∂T 越大， ΔTB越大， δmin越小， 越容易产生裂纹[7]。

图9 金属在高温时的延性和断裂曲线

焊接残余应力与焊接变形在很大程度上具有相反的行为特征， 焊接变形较大时焊接残余应力较小， 焊接变形较小时焊接残余应力较大[8]。 随着屈强比的增加， 由于材料的塑性变形能力下降， 使得材料缓和应力集中、 松驰裂纹尖端局部应力和限制裂纹扩展的能力降低[9]。

热轧正火钢一般w（C）较低， Mn/S 较高， 具有较好的抗热裂纹能力。 当材料成分不合格而发生严重偏析或局部w（C）、 w（S）含量很高时， 也会出现热裂纹[10]。 Nb 对结晶裂纹的形成有促进作用， 促进低熔点硫化物和碳化物形成。 含Nb 钢在高温下有较低的塑性。 热裂纹敏感性与焊缝金属成分的关系为

其中， 当w（C）≤0.08%时， C*等于0.08%。

防止热裂纹的冶金措施是： 严格控制母材和焊缝金属中C、 S、 P 和其他易形成低熔点共晶体的合金元素Nb、 Ni、 Si 等含量， 当w（C）≤0.12%、w（S）≤0.01%、 w（P）≤0.02%， 则可采用较高的热输入而不产生热裂纹； 当以Nb 做为微量合金元素对钢进行合金化时， w（Nb）不应超过0.03%[9]。

通过改变焊接坡口尺寸或改变焊缝形貌， 降低母材在焊缝金属中所占的比例 （即熔合比），避免母材成分偏析带来的影响[11]。

焊缝的宽深比越小， 呈现窄而深的焊缝， 焊缝金属结晶速度加快， 焊缝中产生夹渣和裂纹的倾向越大[12]。 另外， 焊缝的宽深比越小， 加热区域越集中， 较高程度的温度集中会使焊接区在冷却时产生较大的塑性应变， 这种情况下通常要求焊件材料具有较高的塑性[8]。 制定焊接工艺时， 设计合理的坡口形式和几何尺寸， 调整焊接参数， 以增大焊缝的宽深比， 防止焊缝内部横向裂纹的产生。

3 结 论

（1） 控制母材中w（Nb）， 要求焊缝中w（Nb）≤0.03%， 当焊缝中w（Nb）偏高时， 可通过减少母材熔合比进行调整。

（2） 焊接工艺评定中增加焊缝纵向拉伸试验， 防止出现焊缝延伸率偏低、 屈强比偏高的情况。 建议焊缝金属的延伸率≥15%， 当焊缝金属延伸率偏低、 屈强比偏高时， 可换用合金含量较少的焊丝进行调整。

（3） 适当调整焊接参数， 加大焊缝宽深比，建议焊缝金属的宽深比≥1.6。