壓力管道焊接缺陷成因及對策研究

王家駿

涼山州綜合檢驗檢測中心 四川 涼山 615000

引言

當前，作為我國五大交通運輸系統之一的管道運輸已經取得了非常巨大的進步，這對于我國的工業生產至關重要，為我國國民經濟的發展提供巨大助力。正因如此，管道的安裝質量和運行維護工作是至關重要的。在特種設備行業中，壓力管道安裝時會遇到很多問題，比如大多數情況下壓力管道的施工環境是比較復雜的，有的會經過人員密集區域，有的會穿過學校、醫院等重點場所，還有的需要跨越河流甚至湖泊，因此很多時候都不具備適合的工作環境和條件，施工時很容易受到外部因素的影響。雖然就管道焊接能力來看我國已經有了非常成熟的體系和工藝，但是在實際情況中對一些特定壓力管道進行焊接時還是不能完全保證高質量完成，這也是壓力管道的焊接質量受到關注的原因。

1 壓力管道焊接工藝

1.1 定位和組對

管道的焊前定位和組對工作是管道焊接工作中頗為重要的一環，它在整個焊接工作中起到基礎性作用，對焊接的質量產生非常大的影響，所以我們應該首先做好定位和組對工作，這將對于形成良好的焊縫起到促進作用。在焊接過程中組對的間隙是否符合規范要求是組對工作的重要參考指標，管道的同心度也會受到管道定位工作的影響，這些工作中的誤差應該控制在1.5mm內[1]。

1.2 焊材的烘烤

在焊接時，溫度和時間對于焊接工藝來說是非常重要的，不同的焊接材料所需要滿足的時間和溫度條件也會有不同的要求，因此在焊接前需要進行焊材烘烤的工作。在進行焊材烘烤的時候，要對時間和溫度進行記錄，這對于保證焊接質量的穩定是非常重要的。如果使用的溫度遠高于要求，就會非常容易使焊接材料發生氧化，出現材料過早分離的情況，導致材料的表面失去保護。與之相反的是，如果使用的溫度過低，就會造成焊接材料還保留有一些水分，這些水分就會造成焊接接頭出現氣孔或者裂紋。不僅如此，在進行焊接的時候，溫度和時間也應該匹配，當然在這二者之間溫度是更為重要的。這是因為即使對焊接的時間進行延長，然而在溫度沒有達到要求的情況下，同樣不能得到良好的焊接效果。在溫度選擇方面，呈現酸性的材料一般選擇150℃～250℃之間，而對于呈現堿性的材料來講則需要選擇溫度在350℃～400℃之間，在時間上都選擇1～2h[2]。

1.3 焊接過程中的控制

負責焊接的持證作業人員在進行焊接工作之前就應當對整個工藝流程認真學習掌握，嚴格控制原材料和焊材質量，弄清焊接要素和焊接方法。不僅如此，負責焊接的人員在焊接工作開始前就需要對工藝參數以及操作條件進行確認，前者包含了組對間隙、坡口形式、焊接的層數、速度、使用材料、電壓、電流等條件，后者則包含了焊接順序、焊接方法和角度等。除了這些條件外，進行焊接工作的人員也應該在焊接過程中持續檢查，及時對出現的問題進行處理，嚴格按照WWI施焊，保證整體的焊接質量。

1.4 焊后檢查

在焊接完成后，要對焊縫的表面質量進行檢查，這一步驟要在開展無損檢測和耐壓試驗之前進行。檢查標準以及檢查方法都應該明確到焊接流程中，都需要滿足相應的施工要求，在進行記錄的時候要按照事實進行，不能出現違規操作。焊件達標的前提就是不能有裂紋或者氣孔等肉眼可見的缺陷出現在焊件之上，施工單位也需要對接頭的錯邊量、咬邊等情況進行檢查。

如果這些方面出現問題，還需要對之前的檢查結果進行復核，找到其他存在的問題。如果懷疑缺陷出現在焊接接頭比較深的位置，就需要結合RT底片和報告分析問題出現的位置和原因。

2 壓力管道焊接缺陷的基本類型

2.1 焊接夾渣

在進行焊接工作的時候，比較常見的缺陷就是焊接夾渣。一般會出現兩種情況：金屬夾渣和非金屬夾渣，表現的形式也不一樣，可能會出現斑點狀缺陷、條紋狀缺陷等。結合相關的資料和研究我們可以發現，于焊縫內深埋的斑點狀焊接夾渣和條紋狀夾渣屬于壓力管道焊接中最多見的一類夾渣，針對此類焊接夾渣的斷層進行檢查，能夠看出其形狀通常為類似橢圓形滑面。

2.2 焊接氣孔

在對壓力管道進行焊接的時候，可能會出現焊接氣孔。氣孔缺陷是一種體積形缺陷，因占據了焊縫金屬一定的體積，所以使焊縫的有效工作截面面積減小，導致焊縫的力學性能降低，尤其是焊縫的彎曲和沖擊強度等塑性指標降低。氣孔可能造成應力集中，甚至成為焊縫裂紋源，同時，由于氣孔缺陷超標造成返修次數增多，影響產品質量，增加成本。

2.3 未焊透或未熔合

在進行焊接工作時，母材金屬未熔化，導致焊縫金屬沒有進入接頭根部的現象，就是未焊透。而未熔合主要指的是焊縫金屬與母材金屬或者是焊縫金屬之間未能夠完全熔化、結合所形成的缺陷。未熔合具體表現為面積缺陷，在坡口未熔合或者根部未熔合的情況下很容易出現承載截面積大幅度的減小問題，造成嚴重的應力集中和接頭強度降低，因此未熔合的危害強度僅次于裂紋。

2.4 焊接裂紋

焊縫表面或內部熔合位置的原子結構形成了原子層，而層面上的晶體中粒子之間存在著相互作用力影響，若作用力不規則，則易在焊縫處產生裂紋。裂紋對壓力管道來講屬于非常致命的缺陷，所以裂紋缺陷通常是壓力管道發生事故的主要原因。焊接裂紋通常分為以下幾類：焊接熱裂紋、焊接冷裂紋、再熱裂紋、應力開裂裂紋、應力腐蝕裂紋和其他性質的裂紋等形式。

3 壓力管道焊接缺陷成因

3.1 夾渣

在焊接過程中，一是電流參數較小，金屬熔池受熱緩慢并且溫度較低的情況下，熔化金屬和熔渣所得到的熱量不足，使其流動性降低，而熔化金屬凝固速度快，熔渣來不及浮出；二是金屬焊條通常分為酸性焊條和堿性焊條，不同的焊條類型對電流的要求不盡相同，如果在電流調節上不規范合理的話，特別是使用堿性焊條時，若熔渣未除凈，就更容易產生夾渣；三是由于壓力管道的結構特殊性，很多壓力管道焊接接頭采取雙層或是多層結構，在多層焊接時如果未對每層焊接表面進行及時徹底的清理，助焊劑或是殘余物就會遺留在焊縫處而形成夾渣。

3.2 氣孔

出現氣孔的原因主要是焊接材料經焊弧加熱而逐漸融化成為一種池狀的熔融物，存在于其中的氣體在這些熔融物冷卻凝固之前沒有及時排出，這些氣體就會留在焊縫之中，并在其中產生空洞，或者有其他一些途徑形成焊接氣孔。這些焊接氣孔中主要的氣體是H2或者CO[3]。針對存在焊接氣孔的部位，通常情況下，均具有銹蝕痕跡或污染痕跡。焊接氣孔產生的物理因素通常是由于焊條未能完全烘干，因焊弧熱而熔化成池狀的母材部分的冷卻速度高于預期導致殘留氣體來不及逸出。通常來講，焊接氣孔大部分散布于焊縫接近管道表面部位，同樣屬于導致壓力管道外表面裂紋出現的關鍵因素。

3.3 未焊透或未熔合

焊工焊接技術不熟練是主要原因。如，選用焊接電流過大時母材還未熔化，焊條已熔化，導致母材與焊條熔敷金屬未熔合在一起；當選用過小電流時，運條的速度過快，使母材與焊條的熔敷金屬未能很好地熔合；或是在焊接時焊條的角度不正確，熔池偏向一側或焊接時產生偏吹現象，都會在電弧作用不到之處形成未焊透或者未熔合。在進行實際焊接的時候，還通常因為焊接人員沒有完全按照施工的要求進行操作，出現了違反工藝參數施工的情況，這樣就導致了普遍未焊透、未熔合情況的發生，在對這些現象進行分析之后發現原因之一是管口形狀不規則[4]。

3.4 裂紋

不同類型的裂紋產生機理也各不相同。熱裂紋是母材在焊接過程中，焊縫金屬因熱脹冷縮發生變化，但焊縫周邊的冷態金屬部分變化幅度較小，對膨脹部分產生約束作用，焊縫在周邊熱區的影響下出現壓縮應力，并隨著焊接時間的延長、熱點不斷前移，整個焊接接頭溫度下降不一致，焊縫金屬收縮速度不同步，因此產生熱裂紋。而冷裂紋是焊接接頭冷卻到馬氏體轉變溫度，即Ms線附近，在氫、殘余應力以及淬硬組織的共同作用下產生的。冷裂紋具有延遲性，容易造成重大危害。

4 解決壓力管道焊接缺陷的對策

4.1 針對錯邊或偏心的解決方法

在進行焊接工作的時候，出現錯邊或偏心現象是很常見的事情，但要盡可能避免錯邊、偏心現象的發生。在實際操作時需要嚴格按照標準和工藝的要求進行施工，主要是施焊前定位及組對的工藝和方法的實用性，并對施工過程中出現的問題進行控制和改進，盡可能將這些問題控制在能夠進行調整或者校準的范圍內。

4.2 壓力管道焊接表面的氣孔和夾渣控制

在實際的壓力管道焊接工作中，焊接表面時常會出現一些夾渣或者氣孔缺陷，這些問題都會影響焊接接頭的質量，在施焊過程中要針對其產生原因做針對性檢查，并在焊接完成后對整個接頭進行焊后檢查，這是非常重要的工作環節。對那些存在比較嚴重問題的接頭進行重新焊接，保證焊接的高質量完成[5]。只有高的質量才能保證管道有良好的使用效果，這直接關系到管道運輸的安全性。

4.3 未焊透或未熔合的質量控制

在進行焊接的時候，應該嚴格按照已評定合格的WPQ所編寫的WPS，制定的WWI進行焊接，在根部、坡口或者層間以及焊縫其他的位置出現未熔合現象時，經無損檢測發現問題后立即進行針對性補救，這樣才能夠保證工程的有效質量，在日后的使用中才能夠保障安全。

目前，解決這個問題最有效的方式就是補焊，在進行補焊時一定要對整個過程嚴格把控，從缺陷的消除到補焊的工藝，如果再次產生相同缺陷，應考慮是否需要更換焊接工藝。在進行焊接的時候發現規定范圍內允許的未焊透現象，根據規定是不需要進行返修的。

4.4 裂紋

裂紋對壓力管道而言是最為危險的一種缺陷，會對管道的使用產生巨大的負面影響。一般分為以下幾種情況：第一，如果是表面淺層的裂紋可以采用打磨消除的方式來解決；第二，如果出現的裂紋在打磨后形成的凹坑長度或者深度超過了規定的范圍值，那就需要使用補焊來處理；第三，如果在使用中發現有嚴重危害管道安全運行的裂紋出現，就需要將該道焊縫完全清除后，重新采用合格工藝進行焊接。如果條件允許，有一些在使用中未對管道安全造成危害的微小裂紋可以暫不進行處理，這樣就能夠對裂紋出現和發展的規律進行總結研究，并且將其趨勢進行記錄，在日后的工作中防止類似情況的發生。

5 結束語

綜上所述，在對壓力管道進行焊接作業時會遇到多種多樣的焊接環境和技術問題，不僅要在地面或坑底工作，更可能會出現高空作業的情況，但是，保證高的焊接質量是焊接工作的第一要求。在管道的焊接工作中，每一環的工作都與下一環息息相關，任意一環出現問題，都會對整體工作的完成度和安全質量造成影響，對特殊壓力管道焊接時更為明顯，其焊接質量會對工程安全、國家財產甚至是人民生命和財產相掛鉤。因此，相關工作人員特別是焊接作業人員在施工過程中要做到嚴格控制和管理，制定針對性策略，保證壓力管道焊接工作的質量。