API 2W GR50直缝焊管横向裂纹分析及处理

季小波 田杨

摘 要：在API 2W GR50材质的埋弧直缝管（JCOE工艺）上发现大量穿过热影响区的横向裂纹，经过对母材、焊材、生产过程等因素的讨论，分析了裂纹产生的可能原因，并制定了返修措施。

关键词：API 2W GR50；埋弧直缝管；横向裂纹

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.033

1 问题简述

API 2W GR50 是海洋结构用热机械控轧（TMCP）钢板，日前公司承接的澳大利亚码头支撑模块主体采用管子桁架结构（图1），管子为API 2W GR50材质板材通过直缝埋弧焊（JCOE）生产得到，管子壁厚范围为25mm至50mm，直径范围为600mm至1500mm。

JCOE生产工艺简单，采用多丝埋弧生产效率高，被广泛应用在预制管，但本项目的中直缝埋弧焊预制管在无损检测抽查时在发现大量穿过热影响区的横向裂纹（图2）。针对此现象，采取了以下措施。

2 情况调查

（1）母材：经实测，母材化学成分及各项力学性能符合标准。

（2）焊材熔覆金属化学成分及力学性能实测值符合标准。

（3）坡口形式如图3。

（4）焊接工艺：

首先在管体外侧使用实心焊丝打底，然后使用双丝埋弧焊焊接内侧坡口，外侧不清根，最后使用三丝埋弧焊焊接外侧坡口，打底前的预热温度不小于65℃，焊丝纵向间距约20mm，电流电压参数如下：

3 裂纹类型分析

经查，所有抽查发现横向裂纹的管子在焊后48h都经过了独立的两方UT检查，当时均未发现裂纹，且已知的横向裂纹在后续检查中发现有缓慢长达的情况，判断为延迟裂纹。

4 原因分析

生产实践与理论研究证明：钢材的淬硬倾向、焊接接头中的氢含量、焊接接头的拘束应力是延迟裂纹的三大要素，从这三个要素上分析裂纹的产生原因[1]。

（1）钢材的淬硬倾向。API 2W GR50的碳当量CEIIW=0.36%<0.45%，焊接性良好。

由于多丝埋弧焊的热输入较大，导致热影响区奥氏体晶粒易粗化。

打底焊前将管子使用电履带加热，但由于打底焊完成还需要将管子转移至埋弧焊工位，实际焊前接头温度已比WPS要求的预热温度低，且由于管长超过10米，焊道间隔试件长，过程中的层间温度可能存在低于预热温度。

（2）焊接接头中的氢含量。由于多丝埋弧焊的单道焊缝体积大（实测焊缝单道焊缝宽度最大50mm），导致焊层焊道数少，后层对前层的消氢作用较弱。

实际使用的焊材含氢量未做明确要求。

焊剂从烘箱取出后到实际焊接时已接近室温，结合雨季的气候条件，存在焊剂吸潮的可能。

（3）焊接接头的拘束应力。由于JCOE是将板材折弯成圆，纵向合口在定位焊前自由状态下将会张开约100mm，然后使用强力拘束后进行定位焊，导致纵向接头所受的应力较大，将会增加冷裂纹的倾向。

外侧坡口深度大，焊接量大，且为三丝埋弧焊焊接，外侧坡口应力较大。

实际裂纹深度多在外侧第一层埋弧焊焊缝位置，也反应了接头外侧坡口的应力较大。

5 后續焊接改善措施

（1）为了减少热输入，降低热影响区的晶粒粗大倾向，将内侧双丝外侧三丝埋弧焊改为内外双丝埋弧焊。

（2）提高预热要求，降低焊缝冷却速度，将打底焊前的预热温度提高到150℃，经实测，最终能保证内外埋弧焊焊前接头温度不低于110℃。

（3）提高焊剂烘干要求，将焊接烘干要求由350℃*2h改为350℃*3.5h。

（4）为了减小单道焊缝宽度，尽量降低后丝的焊接电压，将后丝焊接电压由40V降为38V，电流和焊接速度不变。

（5）选用含氢量控制更严的焊材（H5）。

基于以上更改，对三种F7A4-EH14类别焊材进行试验，坡口形式不变，试板长度1米，板厚50mm，试验参数及焊后检测结果如下：

无损检测发现的缺陷（非裂纹）经过射线检查并刨开焊缝验证，多数为气孔，位置处于实心打底焊焊道位置，结合定位焊的分布，判断为定位焊内的气孔，后续增加对定位焊的检查要求。最终结合焊材成本，选用焊材C进行后续焊接。

6 返修施工

对于不小于900mm的管子上裂纹的返修：

（1）对缺陷或缺欠区域进行碳刨，从更容易去除的一侧（内侧或外侧）进行碳刨。

（2）碳刨接近缺陷或缺欠深度时停止碳刨，然后用MT检查，如此反复直至找到缺陷。最后的刨槽两端应呈斜梯形过渡，斜坡应在大约在1：3左右。

（3）然后使用GFL-71Ni药芯焊丝将刨槽焊接完成，焊接参数通过在原裂纹焊缝上做模拟返修试验得到。

对于直径600mm的管子上的裂纹返修（内部无法人工焊接）：

（1）仅从管外侧进行刨槽，直至彻底去除缺陷或缺欠。

（2）刨穿的部位要求刨穿槽底部开口宽度不得大于18mm，使用ER70S-G氩弧焊打底后再用GFL-71Ni填充盖面，焊接参数通过在原裂纹焊缝上做模拟返修试验得到。

其他要求通用：

当需要时，室外返修时必须管子两侧端部封住，使管子内没有穿堂风；

通长裂纹返修，或在壁厚30mm以上的管子上返修少量裂纹时，焊接完成后立即使用保温棉覆盖焊缝；

对于同一接头上的多个不连续少量的缺陷或缺欠的返修，需要对称焊接，对于间距小于200mm的缺陷或缺欠需要作为一个缺陷处理。

7 结果检查

对返修后的焊缝及后续使用改善后的方案焊接焊缝按照AWS D1.1进行UT检查，并增加相控阵检查，未发现裂纹及超标缺陷，表明以上措施是成功的。

参考文献：

[1]陈祝年.焊接工程师手册 第2版[M].北京：机械工业出版社，2009.