管端內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管環(huán)焊縫質(zhì)量缺陷研究

周正強，李志德

（甘肅省水務投資有限責任公司，甘肅730000）

0 引言

內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管，是指采用碳鋼管作為基管，通過縮徑法、冷擴法、爆燃法或釬焊法復合工藝將不銹鋼內(nèi)襯管與基管復合的雙金屬管材[1]。碳鋼管作為管道整體支撐構架，承擔抗拉、抗壓、抗剪、抗彎等管道在運行中可能承受的各種內(nèi)、外力作用。不銹鋼內(nèi)襯管復合于碳鋼管內(nèi)壁，起到將碳鋼與管道內(nèi)輸送介質(zhì)隔絕的作用，從而顯著提高了碳鋼的耐久性。內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管因其具有良好的耐腐蝕性、耐酸堿性、耐熱性、耐久性等性能優(yōu)勢，而廣泛應用于輸水、輸油、輸氣及化工工藝管道中。在國內(nèi)某長距離輸水工程壓力鋼管設計中，采用了內(nèi)襯不銹鋼復合鋼管，在最初的焊接工藝評定及試焊過程中，大部分試焊的環(huán)焊縫均出現(xiàn)不同程度的質(zhì)量缺陷，導致生產(chǎn)焊接無法進行。本文根據(jù)焊接工藝評定，試焊過程及相關試驗檢測數(shù)據(jù)，就質(zhì)量缺陷出現(xiàn)的原因進行深入分析，得出相關結(jié)論。

1 管道設計概況

該工程屬長距離引調(diào)水工程，主要建筑物形式有壓力管道、暗渠、隧洞、調(diào)蓄水池等。壓力管道布置中最長的一段全長約42 公里，大倒虹底部最大靜水壓力達437.8 米。管道設計為給水涂塑復合鋼管結(jié)構，外防腐形式三層聚乙烯材料，內(nèi)防腐形式為熔結(jié)環(huán)氧粉末，主材Q345C （GB/T9711-2011PSL1、GB/T1591 -2008）， 焊 接 管 口 內(nèi) 襯0Cr18Ni9（S304）不銹鋼板。

具體設計是：

基材：為螺旋縫埋弧焊鋼管Q345C，配套管件為Q345C。

焊接管口內(nèi)襯：為厚度1.5 mm、寬120 mm 的S304 不銹鋼板。

管材、管件內(nèi)壁防腐：采用熔結(jié)環(huán)氧樹脂粉末熱噴涂，涂層平均厚度≥400 μm，內(nèi)防腐執(zhí)行《給水涂塑復合鋼管》（CJ/T120-2008）。

管材、管件外壁防腐：使用熔結(jié)纏繞三層聚乙烯防腐涂層，涂層平均厚度≥3.0 mm，外防腐執(zhí)行《埋地鋼制管道聚乙烯防腐層》（GB/T23257-2009）。

焊接法生產(chǎn)技術要求為：

（1）依據(jù)管道實際內(nèi)徑尺寸下料，將不銹鋼板彎曲成型后，襯入管端內(nèi)壁120 mm，先用不銹鋼焊條采取點焊方式固定，然后將管口環(huán)向焊縫、內(nèi)側(cè)環(huán)向焊縫及不銹鋼板拼接的縱向焊縫全部滿焊，使不銹鋼套筒與鋼管內(nèi)壁貼合緊密。

（2）內(nèi)套筒應超出基管端部3 mm，并在3 mm處進行環(huán)向封口焊接, 并形成與管口過渡的30°坡口，其加工詳見圖1。端口處內(nèi)防腐后如圖2 所示。

圖1 不銹鋼襯頭廠內(nèi)加工示意圖

圖2 管口內(nèi)防腐示意圖

2 焊接工藝評定、焊材檢測及試焊過程

經(jīng)相關單位進行焊接工藝評定，推薦焊接工藝為：采用免充氬自保不銹鋼TG F309L 焊絲氬弧焊接打底（不銹鋼層），低氫型J507 焊條填充、蓋面（碳鋼層）。經(jīng)相關試驗檢測單位，對焊材、母材進行了試驗檢測，檢測結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

采用以上焊接工藝組織進行了現(xiàn)場試焊，經(jīng)超聲、X 射線等無損檢測，結(jié)果顯示現(xiàn)場共試驗焊接環(huán)焊縫235 道，合格30 道，合格率僅為12.76%。焊縫質(zhì)量缺陷主要為不銹鋼內(nèi)襯鼓包、未熔合、未焊透、氣泡、夾渣、裂紋等[2]。

3 焊接質(zhì)量缺陷原因分析

經(jīng)過對以上試焊數(shù)據(jù)及焊縫質(zhì)量缺陷類型進行仔細分析，認為本工程環(huán)焊縫質(zhì)量缺陷可以分為以下兩種類型：

3.1 工藝性焊縫質(zhì)量缺陷

工藝性焊縫質(zhì)量缺陷一般為氣泡、夾渣、未熔合、未焊透等。產(chǎn)生這些質(zhì)量缺陷的原因主要為焊接工藝參數(shù)設置不當，焊工焊接水平不足，或焊接現(xiàn)場環(huán)境條件控制不到位造成。這些缺陷可以通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)，嚴格控制焊接現(xiàn)場環(huán)境條件，提升焊工焊接水平等方式進行改善，進而逐步消除。

3.2 結(jié)構性焊縫質(zhì)量缺陷

在對焊縫質(zhì)量缺陷進行分析中，發(fā)現(xiàn)了大量焊縫裂紋，同時伴隨著不銹鋼內(nèi)襯鼓包現(xiàn)象，見圖3。裂紋多在填充第一層出現(xiàn)，一般是填充第一層焊接過程中或是焊接剛完成時立刻出現(xiàn)，裂紋位于焊縫中心，沿焊縫縱向分布，見圖4。

圖3 不銹鋼鼓包外觀照片

圖4 裂縫外觀照片

對其中一條表面觀測無裂紋的焊縫進行了外觀、力學性能檢測和金相分析，檢測結(jié)果為：

（1）焊縫外觀檢驗結(jié)果見表1，除咬邊和焊縫余高超出規(guī)范尺寸外，其他指標均為合格。

（2）焊縫拉伸性能試驗結(jié)果見表2，全部指標合格。

（3）焊縫彎曲性能試驗結(jié)果見表3，全部指標合格。

（4）焊縫硬度試驗結(jié)果見表4，全部指標合格。

（5）焊縫沖擊試驗結(jié)果見表5，全部指標合格。

（6）在使用掃描電鏡（日立S-3700N）進行金相分析過程中發(fā)現(xiàn)高度為1.119 mm 的微裂紋，見圖5、圖6。

圖5 裂紋微觀照片（尼康D90 單反相機）

圖6 焊縫裂紋尺寸測量（掃描電鏡日立S-3700N）

表1 焊縫外觀檢驗結(jié)果

表2 拉伸性能試驗結(jié)果

表3 彎曲性能試驗結(jié)果

表4 硬度試驗結(jié)果

表5 沖擊試驗結(jié)果

除金相試驗中偶然發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷外，其它檢測試驗結(jié)果基本滿足標準要求。由于發(fā)現(xiàn)裂紋尺寸較小，在對環(huán)焊接頭進行無損檢測時，未發(fā)現(xiàn)缺陷。金相試樣的取樣位置是隨機的，因而本次金相檢驗過程中發(fā)現(xiàn)的裂紋也帶有很大的隨機性，在后期焊接過程中，也出現(xiàn)了大量類似位置的裂紋，所以該裂紋在本次現(xiàn)場施工焊接中，具有一定的代表性。

從后期現(xiàn)場重新定位取樣進行的裂紋分析證實了這一點。由圖6 可知，裂紋高度僅為1 mm 左右，尺寸較小，在無損檢測過程中，由于焊縫表面質(zhì)量參差不齊，以及焊縫內(nèi)部質(zhì)量的不確定性，該裂紋在無損檢測中是很容易漏檢的。

3.3 結(jié)構性焊縫裂紋缺陷分析

（1）根據(jù)以上施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的大量裂紋及焊縫金相試驗中發(fā)現(xiàn)的微小裂紋出現(xiàn)位置來看，裂紋大多出現(xiàn)在填充層第一層。這一層恰好是不銹鋼打底焊熔池與填充層熔池之間的過渡區(qū)，由于碳鋼和不銹鋼兩層鋼板屬焊接貼合，結(jié)構上本來存在一個結(jié)合不夠緊密的貼合面，加之兩種不同金屬的物理、化學性質(zhì)相差很大，因此在工程現(xiàn)場實際焊接作業(yè)中由于焊接環(huán)境影響或焊接作水平影響，就有可能沿著兩種金屬的貼合面產(chǎn)生裂紋。采用焊接法生產(chǎn)的內(nèi)襯不銹鋼復合管，封焊區(qū)是最容易發(fā)生裂紋的區(qū)域之一。

（2）由于兩種材料的線膨脹系數(shù)及導熱系數(shù)存在較大差異，在焊接熱循環(huán)作用下焊后產(chǎn)生的冷卻不均勻，使得過渡區(qū)產(chǎn)生較大的不均衡應力即熱應力，在焊接過程中成為應力比較集中的區(qū)域。熱應力的存在，使焊縫金屬和熱影響區(qū)金屬材料受拉伸應力作用，遠離熔合線區(qū)域的金屬受壓縮應力作用，造成了材料內(nèi)部應力不均而形成開裂[3]。

（3）不銹鋼管頭僅僅采用焊接法與碳鋼結(jié)合，結(jié)合部位不夠緊密，無法達到雙金屬管的密合程度，因而在焊接過程中普遍出現(xiàn)不銹鋼管頭鼓包問題。

通過以上理論分析論證，結(jié)合施工現(xiàn)場焊接試驗結(jié)果統(tǒng)計情況，本文認為焊接法生產(chǎn)的內(nèi)襯不銹鋼板在焊接過程中出現(xiàn)的鼓包問題無法解決，而只能盡量緩解。

4 結(jié)語

管端內(nèi)襯不銹鋼輸水管的設計，主要目的是在環(huán)焊完成后，內(nèi)焊位置防腐層的修補工序可以節(jié)省。然而，相對于縮徑法、冷擴法、爆燃法制造工藝生產(chǎn)的雙金屬復合管，采用管端內(nèi)襯焊接法封口的不銹鋼內(nèi)襯復合管，雖然造價較低，在理論上具有可焊性，但在工程實際焊接施工中，焊縫合格率過低，無法達到大規(guī)模施工焊接的合格率要求，該設計帶來的負面效果遠多于其優(yōu)點。通過節(jié)省內(nèi)焊防腐層修補工序而降低的施工成本，遠遠彌補不了采用該設計帶來的施工成本上升；同時，焊接質(zhì)量隱患大大增加。因此，在輸水管領域，該設計是不合理的。