不銹鋼渣油管道焊接裂紋產(chǎn)生的原因及對(duì)策

 浙江至德鋼業(yè)有限公司在煉油廠輸送渣油管道更換安裝施工中，發(fā)現(xiàn)不銹鋼管道的部分焊道出現(xiàn)了裂紋，為找出裂紋產(chǎn)生的原因，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了模擬現(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)，對(duì)所用焊條的化學(xué)成分進(jìn)行了分析，認(rèn)為焊條質(zhì)量是造成裂紋的主要原因，并通過(guò)理論分析說(shuō)明該裂紋為凝固熱裂紋，相應(yīng)提出了熱裂紋的防治措施。

一、問(wèn)題概述

 浙江至德鋼業(yè)有限公司在煉油廠煉油裝置大檢修施工中，我單位承擔(dān)了輸送渣油不銹鋼管道的更換安裝工作。渣油管道工作壓力為3MPa，工作溫度為300℃，管道規(guī)格為D219mm×6mm和D273mm×8mm，材質(zhì)為0Cr18Ni12Mo2Ti，其化學(xué)成分見(jiàn)表。

 該渣油管線(xiàn)所采用焊接工藝如下：

  1. 機(jī)械加工坡口，其型式如圖所示。

  2. 清除坡口及其附近污物。

  3. 組對(duì)點(diǎn)固，沿周向均布3~4點(diǎn)，工藝同打底焊道。

  4. 打底采用手工電弧焊，直流反接，電弧電壓為22~24V，焊接電流為55~75A，選用A02242.5焊條，采用單面焊雙面成型技術(shù)?？刂茖娱g溫度≤60℃。

  5. 填充及蓋面采用手工電弧焊，直流反接，電弧電壓為22~24V，焊接電流為80~105A，選用A02243.2焊條，采用多層多道焊工藝，焊條不擺動(dòng)。

  6. 焊后進(jìn)行X射線(xiàn)（5%）探傷，達(dá)到JB4730Ⅲ級(jí)合格。

  7. 焊縫表面進(jìn)行酸洗鈍化處理。

 在不銹鋼管道焊接過(guò)程中，物資供應(yīng)部提供了相當(dāng)于A022牌號(hào)的SFA5.4E316L-16焊條，此焊條是根據(jù)美國(guó)焊接協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)制造的，但在使用中發(fā)現(xiàn)部分焊道出現(xiàn)了裂紋。

二、產(chǎn)生裂紋的原因分析

 為找出現(xiàn)場(chǎng)焊接裂紋產(chǎn)生的原因，我們從現(xiàn)場(chǎng)取回一段D273mm×8mm、材質(zhì)為0Cr18Ni12Mo2Ti的不銹鋼無(wú)縫鋼管，在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場(chǎng)焊接情況進(jìn)行焊接試驗(yàn)，觀察焊接成形和外觀質(zhì)量，在層間著色檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)有3處表面裂紋，所處位置均在焊縫中間，其中2處與焊縫方向平行，長(zhǎng)約3mm，1處在收弧處呈星狀。

 采用排除法，對(duì)影響焊接質(zhì)量的因素進(jìn)行逐一剖析。認(rèn)為焊接工藝正確，管材質(zhì)量合格，對(duì)焊接所使用的E316L-16焊條溶敷金屬進(jìn)行化學(xué)元素分析，其結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照見(jiàn)表。

 經(jīng)過(guò)分析，判定焊條質(zhì)量是造成裂紋的主要原因。通過(guò)表可以看出，焊條熔敷金屬中硫、鎳元素的含量偏高，而鉻的含量已低于標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)合焊接試驗(yàn)出現(xiàn)裂紋的實(shí)際情況，判斷裂紋的性質(zhì)為熱裂紋，其理由如下：

  1. 奧氏體不銹鋼具有較高的焊接熱裂紋敏感性，熱裂紋可分為凝固裂紋（結(jié)晶裂紋）、液化裂紋和失延裂紋，這些裂紋均發(fā)生在高溫狀態(tài)，常溫下不再擴(kuò)展，而凝固裂紋最容易發(fā)生在焊道的中心線(xiàn)上，且與焊縫方向平行，或在焊道的弧坑中，呈單個(gè)條狀或星狀。這些特征和我們發(fā)現(xiàn)的3處裂紋是完全一致的。

  2. 奧氏體焊縫的柱狀晶間存在低熔點(diǎn)夾層薄膜，在凝固結(jié)晶后期以液態(tài)膜的形式存在于奧氏體柱狀晶粒之間，在一定拉應(yīng)力下起著擴(kuò)展形成晶間裂紋的作用，能生成低熔點(diǎn)液態(tài)膜的合金元素有Si、B、S、P、Sn等，而我們所用焊條的S含量偏高，S易與Ni形成低熔點(diǎn)共晶，Ni與NisS，熔點(diǎn)僅645℃，且呈膜狀分布于晶界，會(huì)引起結(jié)晶裂紋。

  3. 焊縫凝固結(jié)晶模式不同，凝固裂紋敏感性也不同。先鐵素體模式的焊縫抗凝固裂紋能力最強(qiáng)，而全奧氏體模式的焊縫抗裂能力最低。鉻鎳奧氏體焊縫的結(jié)晶模式取決于焊縫金屬的鉻鎳當(dāng)量比，當(dāng)[C/Ni>1.47-1.58時(shí)為先鐵素體模式；當(dāng)1.47~1.58>[Cr/Ni]>1.14-1.24時(shí)為先奧氏體模式；當(dāng) Cr/Ni<1.14-1.24時(shí)為全奧氏體模式。而我們選用的焊條由于鉻含量低，鎳的含量高，經(jīng)分析計(jì)算得出鉻鎳當(dāng)量比為1.23，屬于全奧氏體模式，其焊縫抵抗凝固裂紋能力差。

 綜合以上分析，可以判斷得出現(xiàn)場(chǎng)焊接管道所產(chǎn)生裂紋為凝固熱裂紋。

三、防止熱裂紋的措施

 防止熱裂紋的產(chǎn)生往往從以下幾個(gè)方面入手：

 1. 限制鋼材及焊接材料中易偏析元素和有害雜質(zhì)的含量，特別是盡量減少硫、磷等雜質(zhì)元素的含量。

 2. 調(diào)節(jié)焊縫金屬的化學(xué)成分，改善焊縫組織，細(xì)化焊縫晶粒，采取先δ鐵素體，后奧氏體結(jié)晶模式。以提高其塑性，減少或分散偏析程度，如奧氏體加少量鐵素體。

 3. 提高焊條或焊劑的堿度，以降低焊縫中的雜質(zhì)含量，改善偏析程度。

 4. 控制焊接規(guī)范，適當(dāng)提高焊縫形狀系數(shù)，采用多層多道焊法，避免中心線(xiàn)偏析，可防止中心線(xiàn)裂紋；采用小線(xiàn)能量，斷弧時(shí)采用收弧板或逐漸斷弧，并填滿(mǎn)弧坑，可減少弧坑裂紋發(fā)生。

 根據(jù)以上原則，在實(shí)際焊接中采取了以下具體措施：

 1. 及時(shí)更換焊條，采用穩(wěn)定性較好的合格產(chǎn)品。我們采用上海司立太有限公司生產(chǎn)的A022焊條，該焊條的化學(xué)成分見(jiàn)表。

 2. 對(duì)采用A022焊條的焊縫進(jìn)行探傷檢驗(yàn)，合格后再進(jìn)行大量焊接，通過(guò)對(duì)10道焊口進(jìn)行X射線(xiàn)檢驗(yàn)，合格率為100%。

 3. 在施工中加強(qiáng)焊材的驗(yàn)收管理工作，對(duì)首次采用的新牌號(hào)焊材要經(jīng)過(guò)焊接工藝評(píng)定和有關(guān)檢驗(yàn)后再?zèng)Q定是否采用。