管端內襯不銹鋼焊管環焊縫缺陷分析

張錦剛， 楊國才， 劉剛偉， 張萬鵬， 牛 輝，祁福川，李志德，張銀亮

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；3.甘肅水投天水供水有限責任公司，甘肅 天水741000）

管端內襯不銹鋼焊管環焊縫缺陷分析

張錦剛1，2， 楊國才3， 劉剛偉1，2， 張萬鵬1，2， 牛 輝1，2，祁福川3，李志德3，張銀亮1

（1.寶雞石油鋼管有限責任公司，陜西 寶雞721008；2.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞721008；3.甘肅水投天水供水有限責任公司，甘肅 天水741000）

為了對國內某供水工程用管端內襯不銹鋼鋼管環焊縫缺陷進行評定，利用光學顯微鏡、掃描電鏡以及能譜分析等手段對缺陷形貌、元素含量和組織形態進行了分析。結果表明，該環焊縫缺陷為典型焊接熱裂紋，裂紋起始位置在碳鋼層底部，裂紋處以淬硬的馬氏體組織為主，并伴有氧化物夾雜物。分析認為，該裂紋缺陷是由于打底焊之后焊道保護不良、清理不到位和焊接熱輸入過大造成，可以通過嚴格控制有害雜質、降低熱輸入、減小接頭拘束度等方法來防止此類缺陷的發生。

焊管；內襯不銹鋼；環焊縫；熱裂紋；焊接應力

Abstract:In order to analyze the circumferential weld defect of pipe end lined with stainless steel used for some domestic water supply engineering,by means of optical microscope,scanning electron microscope and energy spectrum analysis method,the defect morphology,element content and organization form were analyzed.The results indicated that this circumferential weld defect was typical welding hot crack,the crack initiation site was at the bottom of the carbon steel layer,the microstructure of crack was mainly composed of martensite，accompanied by oxide inclusions.Through the analysis results,it considered that the crack defect was due to the weld bead was not well protected after backing weld,insufficient cleaning and too big welding heat input,can strictly control harmfulimpurities,reducetheheatinput,reducethejointconstraintdegreeandsoontopreventtheoccurrenceofsuchdefects.

Key words:welded pipe;stainless steel lined;circumferential weld;hot crack;welding stress

近年來，涂塑鋼管是水利水電工程中應用最多的管材之一，其內壁防腐主要采用熔結環氧樹脂粉末（FBE）熱噴涂，施工過程中，管道對接焊產生的高熱量會燒損涂塑層，造成接口處防腐層脫落等問題。為了避免涂塑鋼管在焊接施工中破壞涂覆層，可采用雙密封焊接涂塑鋼管克服以上問題，即在鋼管管端內襯寬度超出焊接熱影響范圍的不銹鋼鋼圈，并通過管端封焊使碳鋼和不銹鋼有效結合在一起。該設計的主要目的是在環焊時保護FBE涂覆層，同時減少接口位置的防腐層修補工序[1-3]。管口焊接類似于機械復合管的對接焊，因此，對焊接工藝的控制提出了更為嚴格的要求。

對低碳鋼管管端貼合不銹鋼鋼圈進行焊接時，兩種不同的金屬材料具有不同的物理性能，從而會產生不同的物理及冶金變化，另外，由于工藝和技術的限制，碳鋼管與不銹鋼鋼圈通過封焊完全貼合在一起，將會增加金屬熱變形及裂紋等缺陷產生的概率[4-11]。本研究就國內某供水工程用管端內襯不銹鋼鋼管在施工過程中出現的缺陷進行分析，為預防焊縫裂紋的產生提供技術支撐。

1 內襯不銹鋼鋼管管端設計及焊接工藝

1.1 管端設計

試驗所用鋼管材質為Q345C，管端設計采用壁厚1.5 mm的0Cr18Ni9（S304）不銹鋼鋼帶作為內襯層，根據管道內徑下料，插入鋼管端口內120 mm，用不銹鋼焊條點焊固定，再用309不銹鋼焊條對內邊環向焊縫、縱向焊縫和端口環向焊縫進行滿焊，使不銹鋼套筒與鋼管內壁緊密復合，并形成與管口過渡的30°坡口，如圖1所示。

圖1 管端內襯不銹鋼加工示意圖

1.2 焊接工藝

試驗模擬國內某工程輸水管道的施工工藝，采用氬弧焊（單面焊雙面成型）焊接復合層（不銹鋼板），使用免充氬的藥芯自保護不銹鋼焊絲（TGF309L），填充及蓋面層選用低氫型焊條（J507）進行多層多道焊。環焊縫焊接工藝參數見表1。

表1 環焊縫焊接工藝參數

2 焊接缺陷描述

焊接過程中出現的焊縫裂紋缺陷如圖2所示。從圖2（a）可以看出，裂紋出現在焊縫中心位置，并且在碳鋼層底部。對試樣環焊縫進行超聲波探傷，確定缺陷位置后，采用線切割切取金相試樣進行顯微分析，從圖2（b）可以看出，碳鋼層焊縫底部存在明顯裂紋缺陷，長度為1.19 mm，并且裂紋出現在焊縫中心，沿縱向開裂，可以判斷該缺陷屬于焊接熱裂紋。

圖2 焊縫裂紋缺陷形貌

一般認為，焊縫在結晶過程中，固相線附近由于凝固金屬的收縮，殘余液體金屬不足，不能及時添充，從而形成“液態薄膜”，在拉伸應力和收縮應力的共同作用下可能在該薄弱區域造成開裂而形成熱裂紋[12-14]。在焊縫金屬的凝固末期固液共存階段，由于凝固金屬收縮時殘存液相不足，致使沿晶開裂，故也稱為結晶裂紋。這種裂紋是在焊縫金屬凝固過程中產生的，所以有時也稱為凝固裂紋。結晶裂紋主要在焊縫上，也有少量在熱影響區，最常見的是沿焊縫中心長度方向上開裂，即縱向裂，斷口有較明顯的氧化色，表面無光澤，也是結晶裂紋在高溫下形成的一個特征。

2.1 缺陷元素分析

通常，結晶裂紋主要產生在含雜質較多的碳鋼和低合金鋼焊縫中（含S、P、C、Si偏高）。本研究中兩種不同金屬材質焊接時，特別在Ni含量較高的不銹鋼中，Ni會與非金屬元素S在熔池中形成低熔點共晶，焊接熱輸入越大，晶界低熔點相熔化越嚴重，晶界處于液態的時間就會加長。同時，焊縫所承受的應力越大，會促使焊縫產生熱裂紋，并且合金元素過渡到碳鋼焊縫會產生大量淬硬組織，這些因素都是焊縫金屬裂紋擴展的主要原因。

為了深入了解焊縫裂紋缺陷產生的原因，通過掃描電鏡對裂紋試樣進行了能譜分析，分析結果如圖3所示。由圖3可以看出，裂紋內部氧含量很高，另外還有大量Mn和Si等元素，說明裂紋內部含有大量氧化物夾渣。這是由于試驗打底焊采用自保護藥芯焊絲，而焊接過程中，自保護熔池經常會受到風的干擾，容易導致熔池遭受O、N的入侵，從而形成氧化物夾渣。目前，通常在自保護藥芯焊絲中加入一定量的氧化物和氮化物形成元素，如Al、Mg、Ti、Si等元素，在焊接過程中形成穩定的N、O化合物進行脫氧、脫氮[13-16]，因此，在圖3中除了大量的O、Mn、Si元素外，還檢測到一定量的Al、Mg、Ti等元素。在碳鋼層焊縫中出現此類元素，很可能是由于打底焊之后焊道保護不良以及清理不到位所致。一般情況下，夾雜物、氣孔等缺陷周圍的應力條件不好，焊縫中如果存在大量夾雜物，很容易在其周圍起裂并形成微裂紋等缺陷。

圖3 焊縫裂紋能譜分析結果

2.2 缺陷斷口分析

將帶有裂紋缺陷的沖擊試樣在沖擊試驗機沿縱向敲開，在掃描電鏡下進行裂紋斷口分析，結果如圖4所示。從圖4可以看出，焊縫內部存在有害夾雜物、氣孔等缺陷。對夾雜物進行定性分析確定為Al、Mg氧化物夾雜，并且夾雜物尺寸較大，長度高達0.8 mm。根據氣孔周圍斷口呈現明顯的解理斷口形貌分析，試樣缺陷處可能存在大量的脆性組織。圖3（b）掃描電鏡能譜顯示，裂紋處存在大量的Cr、Ni元素，這可能是由于不銹鋼層中大量的Cr、Ni元素在焊接過程中過渡到了碳鋼焊縫中，過高的合金元素含量極易在焊縫凝固冷卻過程中形成大量淬硬組織，從而使焊縫裂紋敏感性大大提高。

圖4 焊縫缺陷斷口分析結果

2.3 缺陷組織分析

對試樣缺陷進行了微觀組織分析，分析結果如圖5所示。由圖5（a）可以看出，焊縫裂紋缺陷處主要以淬硬的馬氏體組織為主，馬氏體中碳含量較高，造成了晶格畸變，并且在較高冷速下會形成較大的淬火應力；另外，馬氏體組織塑性很差，對裂紋的擴展不能起到很好的止裂作用。止裂部分的焊縫組織主要以針狀鐵素體為主（如圖5（b）所示）。針狀鐵素體組織具有高密度的位錯亞結構以及高密度的大角度晶界，高密度的大角晶界能在塑性撕裂中改變裂紋擴展方向，對裂紋擴展起到阻礙作用，可提高斷裂應力，具有良好的止裂性。

圖5 裂紋缺陷顯微組織分析

對兩種類型組織分別進行了顯微硬度測試，馬氏體組織為主的顯微硬度為440HV10，針狀鐵素體組織顯微硬度為286HV10，兩種顯微組織相差154HV10，可見，兩種焊縫組織的強塑性差距較大。焊縫中出現兩種不同強塑性顯微組織主要是由于碳鋼層和不銹鋼層之間元素擴散和遷移所形成的，Cr、Ni元素容易過渡到近不銹鋼碳鋼層促使形成脆性組織馬氏體，使近焊縫區域的硬度升高，塑性下降,容易導致焊后產生裂紋。

另外，由于本研究涉及的鋼管接口為不銹鋼/碳鋼兩種不同金屬間的連接，不銹鋼本身的導熱系數比碳鋼小，但其線膨脹系數較碳鋼大，這使得在較高焊接熱輸入下焊縫區會產生較大的溫差，在焊接局部加熱和冷卻過程中會形成較大的拉應力作用，這一因素也是導致焊縫金屬裂紋擴展的主要原因之一。

3 結論與措施

（1）本研究出現的焊接裂紋主要是由于焊道清渣不良及熱輸入過大等焊接工藝控制不當所致。

（2）在冶金方面，應嚴格控制焊縫中合金元素含量，縮短脆性溫度區間的范圍，控制焊縫中S、P、C等有害雜質含量；要嚴格按照焊接工藝規范進行焊接作業，每層焊道要徹底清渣，避免由于清渣不良造成焊縫夾渣等缺陷。

（3）在工藝方面，可以通過焊前預熱、控制線能量、降低熱輸入、減小接頭拘束度等方面來防止焊接熱裂紋的發生。

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編輯：李 超

Analysis on Circumferential Weld Defect of Pipe End Lined with Stainless Steel

ZHANG Jingang1,2,YANG Guocai3,LIU Gangwei1,2,ZHANG Wanpeng1,2,NIU Hui1,2,QI Fuchuan3,LI Zhide3,ZHANG Yinliang1
（1.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China；2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008,Shaanxi,China；3.Gansu Water Investment Tianshui Water Supply Co.,Ltd.,Tianshui 741000,Gansu,China）

TG441.3

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.009

張錦剛（1978—），男，工程師，主要從事管材及焊接技術研究工作。

2017-03-20