直縫埋弧焊管氫致缺陷的防止措施

王立柱，韓鐵利，張金利，陳 龍，孫永琪，呂育棟

（巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

氫是嚴(yán)重危害焊縫性能的元素，氫的存在可能使焊縫中產(chǎn)生氫脆、白點(diǎn)、氣孔、裂紋等缺陷[1]，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)失效，因此，對(duì)一些重要的焊縫要控制焊縫中的氫含量。大直徑油氣輸送管道由于使用壓力高，焊縫承受較大的拉應(yīng)力，在生產(chǎn)時(shí)采用埋弧自動(dòng)焊工藝，選用低氫型焊接材料，保證焊縫中氫含量較少。但在直縫埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中焊縫偶爾會(huì)有少量與氫相關(guān)的缺陷產(chǎn)生，查找并消除焊縫中氫的來(lái)源[2]，是防止直縫埋弧焊管產(chǎn)生氫致缺陷的主要任務(wù)。

1 生產(chǎn)實(shí)例

1.1 案例1

在生產(chǎn)線投產(chǎn)初期，內(nèi)焊縫出現(xiàn)連續(xù)氣孔，如圖1 所示，氣孔表面呈喇叭口形，判斷是氫氣孔。檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)焊未焊接的鋼管內(nèi)壁有水，部分鋼管坡口中也有水。向內(nèi)焊之前的工序查找，發(fā)現(xiàn)鋼管內(nèi)壁的水是鋼板超聲波探傷時(shí)用作耦合劑的水沒(méi)有清理干凈，成型后留在鋼管內(nèi)表面。在鋼板探傷工序增加探后除水裝置，內(nèi)焊縫氣孔不再產(chǎn)生。

圖1 焊縫表面氫氣孔

1.2 案例2

在2021 年7 月生產(chǎn)一批Φ914 mm×24 mm 鋼管時(shí)，多次發(fā)現(xiàn)內(nèi)焊縫產(chǎn)生氣孔、夾珠、焊瘤缺陷。2 個(gè)月前用相同的工藝生產(chǎn)同一規(guī)格的鋼管時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)類(lèi)似的缺陷。工業(yè)電視下看到的氣孔、夾珠分別如圖2 所示。內(nèi)焊縫表面的焊瘤如圖3（a）所示，將缺陷取樣制成金相試樣，宏觀形貌如圖3（b）所示。氣孔位于內(nèi)焊縫中心，近似于圓柱形，根部略大，工業(yè)電視上看到的氣孔亮度較高。氣孔的形態(tài)符合氫氣孔的特征。

圖2 工業(yè)電視中觀察到的氣孔和夾珠

圖3 內(nèi)焊縫表面的焊瘤及其金相試樣宏觀形貌

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，成型機(jī)壓下梁油缸在鋼管成型過(guò)程中有油滴落到坡口表面。在成型崗位增加防護(hù)措施，防止油滴落到鋼管上，并要求內(nèi)焊崗位在焊前檢查，如發(fā)現(xiàn)坡口表面或邊緣有油，先用稀料將油擦除，再焊接，氣孔消除。

1.3 案例3

在生產(chǎn)一批Φ813 mm×17.5 mm X70 鋼管時(shí)，工藝參數(shù)與前期生產(chǎn)同種規(guī)格鋼管的參數(shù)相同，焊接材料也相同，焊縫沖擊功低于標(biāo)準(zhǔn)值，內(nèi)焊為脆性斷口；焊縫橫向拉伸試樣斷口位置為焊縫，反彎試驗(yàn)時(shí)焊縫中心開(kāi)裂；從焊縫拉伸試樣斷口能看到白點(diǎn)，如圖4 所示，判斷內(nèi)焊縫性能差的原因是焊縫中產(chǎn)生了氫脆。

圖4 焊縫拉伸斷口

檢查發(fā)現(xiàn)，鋼管坡口及焊接材料均符合要求。檢查內(nèi)焊壓縮空氣干燥器，發(fā)現(xiàn)干燥器內(nèi)原本應(yīng)該是球形的干燥劑顆粒變成粉末狀，已經(jīng)失效。更換干燥劑后重新焊接，焊縫沖擊功滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)焊縫氫脆消除。

1.4 案例4

在生產(chǎn)一批鋼管兩天后無(wú)損檢測(cè)崗位反映發(fā)現(xiàn)多根鋼管外焊縫表面有連續(xù)氣孔。氣孔位于外焊縫中心，長(zhǎng)度方向的位置不固定。氣孔較深，表面呈喇叭口形，具有典型的氫氣孔特征。

對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)外焊崗位進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)預(yù)彎?rùn)C(jī)鋼板輸入端對(duì)中輥表面有黃油，如圖5 所示。清除對(duì)中輥表面的黃油后，外焊縫沒(méi)有再發(fā)現(xiàn)氣孔[3]。

圖5 對(duì)中輥表面黃油

1.5 案例5

生產(chǎn)Φ1 016 mm×21 mm X70M 鋼管時(shí)，1 號(hào)射線在某根鋼管東端2 150 mm 處發(fā)現(xiàn)一處氣孔，補(bǔ)焊后手探復(fù)查時(shí)在距氣孔東端50 mm 處原焊縫內(nèi)發(fā)現(xiàn)一處橫向裂紋，超聲波探傷發(fā)現(xiàn)裂紋在壁厚方向較長(zhǎng)，將裂紋部位取下，制成拉伸試樣，在拉伸試驗(yàn)機(jī)上拉斷，斷口如圖6 所示。

圖6 拉伸斷口

裂紋表面為白色脆性斷口，約5 mm 寬度，從外焊縫根部沿焊縫一側(cè)熔合線向上延伸，在靠近壁厚中心的裂紋根部有氫白點(diǎn)。由此，可以判定裂紋為氫引起的外焊縫冷裂紋[4]。

檢查外焊崗位，發(fā)現(xiàn)天車(chē)停留在內(nèi)外焊中間區(qū)域，天車(chē)減速箱有油滴落在鋼管坡口上。將天車(chē)停留區(qū)域移到外焊以后的位置，未再發(fā)現(xiàn)類(lèi)似缺陷。

2 原因分析

焊縫中氫致缺陷與氫含量的多少有關(guān)，當(dāng)焊縫中氫含量較少時(shí)，產(chǎn)生氫脆；當(dāng)焊縫氫含量高，常常在拉伸或彎曲斷面上出現(xiàn)白點(diǎn)；當(dāng)熔池吸收了大量的氫，焊縫中會(huì)產(chǎn)生氣孔；當(dāng)焊縫中擴(kuò)散氫含量較高，承受的拉應(yīng)力較大產(chǎn)生冷裂紋。

控制焊縫中氫的措施有：一是限制焊接材料中的氫含量；二是焊前清除焊絲和焊件坡口附近表面上的鐵銹、油污、吸附水等；三是通過(guò)冶金處理降低焊縫中的氫含量；四是控制焊接工藝參數(shù)；五是焊后脫氫處理。在直縫埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中，主要是通過(guò)前兩種措施控制焊縫中氫含量[5]。

案例1 中，為保證鋼板超聲波探傷效果，用作耦合水的水量較大，在生產(chǎn)節(jié)拍較快，鋼板到達(dá)成型時(shí)，鋼板表面殘留的水還沒(méi)有干，成型后留在鋼管內(nèi)，由于內(nèi)焊是在下方6 點(diǎn)的位置進(jìn)行焊接，鋼管坡口旋轉(zhuǎn)到下方后，鋼管內(nèi)的水流到坡口內(nèi)，焊接后產(chǎn)生氣孔。

案例2 中，由于夏天氣溫高，成型機(jī)液壓站散熱慢，油溫升高，液壓缸漏油，部分油滴落在內(nèi)焊坡口內(nèi)或坡口附近，焊接時(shí)內(nèi)焊縫中產(chǎn)生氣孔；由于氣孔的位置靠近內(nèi)焊縫根部，外焊時(shí)氣孔根部容易被熔池金屬擊穿，金屬流到氣孔內(nèi)產(chǎn)生夾珠；當(dāng)內(nèi)焊縫氣孔到達(dá)焊縫表面，氣孔根部被擊穿后液態(tài)金屬流到焊縫表面形成焊瘤。

案例3 中，直縫埋弧焊管內(nèi)焊焊劑輸送距離較長(zhǎng)，采用壓縮空氣輸送，由于壓縮空氣中含有水分，為防止壓縮空氣中的水對(duì)焊接產(chǎn)生影響，使用無(wú)熱再生式干燥器以球形氯化鋁為干燥劑除水[6]。長(zhǎng)時(shí)間使用后，干燥劑吸附能力大幅度下降甚至失效，而夏季空氣溫度高，壓縮空氣中的水分含量高，經(jīng)過(guò)干燥器處理后的壓縮空氣中仍含有大量的水分，雖然焊劑在使用前進(jìn)行了嚴(yán)格的烘干，但在輸送過(guò)程中吸潮，壓縮空氣中的水分進(jìn)入焊劑，并通過(guò)焊劑進(jìn)入焊接熔池，最終導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氫脆。

案例4 中，黃油是鋼板運(yùn)輸過(guò)程中為裝卸方便在天車(chē)吊鉤上涂的黃油上料時(shí)未清理干凈，預(yù)彎前清掃帶清掃表面時(shí)將油掃到鋼板邊緣，鋼板通過(guò)對(duì)中輥時(shí)，邊緣的油黏到對(duì)中輥上，銑邊下線的鋼板重新上線時(shí)，板邊接觸到對(duì)中輥，對(duì)中輥上的油黏到下坡口上，導(dǎo)致外焊縫產(chǎn)生氣孔。

案例5 中，天車(chē)滴落的油量較少，焊縫中產(chǎn)生氫脆，當(dāng)附近焊縫中發(fā)現(xiàn)氣孔進(jìn)行補(bǔ)焊后，局部的拉應(yīng)力增大，致使焊縫中產(chǎn)生冷裂紋。

以上幾個(gè)案例表明，在長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)過(guò)程中，相關(guān)設(shè)備的異常可能導(dǎo)致焊接坡口附近有水或油存在，使焊縫中產(chǎn)生氫致缺陷，及時(shí)排除設(shè)備故障，消除氫的來(lái)源，才能防止焊縫中出現(xiàn)氫致缺陷。

3 結(jié) 語(yǔ)

直縫埋弧焊管的氫致缺陷與焊件坡口附近的油污、吸附水等有關(guān)，防止水、油進(jìn)入焊接熔池是防止焊縫產(chǎn)生氫致缺陷的主要措施[7-12]。可通過(guò)以下幾點(diǎn)控制焊件坡口附近的油污、吸附水：①探傷后鋼板表面的耦合水應(yīng)完全清除，冬季防止鋼板表面結(jié)冰；②防止成型機(jī)油滴落到鋼板坡口附近；③焊前檢查鋼管坡口附近是否有油、水、銹存在，如果有，應(yīng)先清除再焊接；④壓縮空氣干燥器內(nèi)的干燥劑定期進(jìn)行更換；⑤鋼板運(yùn)輸過(guò)程中不能與油接觸，上料時(shí)應(yīng)清除鋼板表面的油污；⑥焊接區(qū)域的天車(chē)盡可能停留在外焊以后的位置。