5万m3储罐第一圈壁板裂纹产生原因分析及预防

2015-12-01刘增峰张先龙王永峰都宏海

金属加工(热加工) 2015年20期

关键词：焊剂施焊壁板

刘增峰张先龙王永峰都宏海

刘增峰张先龙王永峰都宏海

在伊拉克某工程5万m3储罐焊接过程中，第一圈壁板环焊缝出现裂纹缺陷。本文从现场施焊环境及施工工艺各方面进行分析，确定裂纹产生原因，并采取预防和控制措施，解决了焊接裂纹问题，保证了焊接质量，提高了焊接效率。

1. 概述

伊拉克某工程5万m3储罐采用ASTM A516 Gr.70板材，其具体化学成分如表1所示。为保证施工效率和焊接质量，该项目选用埋弧横焊进行储罐横缝焊接。施工过程中，在第一圈横缝RT检测过程中，发现两处裂纹缺陷（见图1）。为避免漏探，施工单位立即决定对第一圈横缝进行100%探伤，以杜绝隐患。经检测，共发现17处不同程度的裂纹缺陷，且缺陷位置全部位于焊缝与第一圈壁板的熔合部位。

图1 裂纹缺陷

2. 现场情况

（1）焊接工艺焊接方法方面，横焊缝采用埋弧焊。此方法在国内众多重点工程储罐中均有成功应用的范例，属于成熟工艺。焊接材料方面，根据A516 Gr.70板材的化学成分与力学性能，按照ASME IX标准，焊丝和焊剂选择四川大西洋EH14和CHF26H。并在业主代表和第三方见证下，严格按照ASME IX进行了焊接工艺评定，达到了标准规定的各项指标，符合使用条件。具体焊接参数如表2所示。

（2）现场施焊情况 ①施焊环境：气温在20℃左右，相对湿度＜40%，符合焊接要求。②焊剂：使用前烘焙350℃，保温时间1.5~2.0h，保温150℃，符合产品烘干要求。③组对：横缝的组对从一侧开始调整，按顺序每张板进行组对，在最后一张板处调整，组对过程中错边调整量不大，未造成强力组对。④焊前预热：焊前利用火焰加热的方式进行预热，火焰加热枪与焊机相对固定，随焊机的移动对板材进行加热。⑤焊接顺序：利用两台埋弧横焊机，第一台在前面打底操作，第二台紧随其后进行填充。完成整圈壁板的打底和第一遍填充后，两台焊机进行整体的填充盖面。⑥裂纹出现位置：经X射线检测发现，17处裂纹均出现在第一圈环缝的盖面焊缝与第一圈壁板的熔合部位。

3. 裂纹产生原因分析

针对此次RT探伤发现的缺陷，从裂纹产生位置、钢材及焊

材的S、P含量等方面考虑，加之裂纹处无明显氧化色彩，故主要考虑该缺陷为冷裂纹。因此从影响材料的淬硬倾向、应力及含氢量三方面的相关因素进行分析。

表1 A516 Gr.70化学成分（质量分数）（%）

表2 焊接参数

（1）焊前组对如焊前组对时发生强力组对的情况，焊接完成后，固定夹具去掉后，焊缝将承受较大的拉应力，造成焊缝产生裂纹。但根据现场施工实际，组对过程中并未出现强力组对现象，可以排除强力组对造成焊缝承受较大拉应力而产生裂纹。

（2）焊前预热、层间温度及焊接热输入由于第一圈壁板厚度达到32mm，因此焊前需预热，预热温度应在100~150℃。考虑现场应用的预热方法，虽可去除坡口表面残留的水分油污，排除氢的影响，但可能造成预热温度不足的情况，加之第一圈壁板的厚度要大于与其对接的第二圈壁板，因此预热后的第一圈壁板温度还要低于第二圈壁板温度。焊接时，焊接电流大，焊接速度快，热输入相对较小，造成横缝熔池的热量迅速向温度较低的第一圈壁板散失，熔池在极短的时间内冷却凝固，熔池化学成分不均匀，拘束应力大，推测极有可能造成裂纹缺陷。同时考虑裂纹出现在盖面焊道，可排除预热的影响，层间温度不足应为导致出现裂纹的原因之一。

（3）焊材烘干埋弧焊剂CHF26H需要焊前烘焙，烘焙温度和时间，以及保温温度都达到了产品的规定要求，排除焊剂吸水造成氢含量过高导致裂纹产生的原因。

（4）现场环境施焊时天气晴朗，气温在22℃，相对湿度＜40%，气候条件适宜，不应对焊接产生影响，因此排除周围环境为焊接裂纹产生的原因。

（5）焊接顺序根据现场的焊接顺序，未在完全完成打底焊接的情况下，即进行了第一遍的填充工作，这样造成第一圈收尾处焊缝的刚性变大，焊接熔池在冷却过程中受到的应力将增大，板厚越大，填充层越厚，则刚度越大，产生的应力也将越大。考虑此处会产生较大的焊接残余应力。同时，随着储罐的不断焊接，罐体能够释放应力的点不断减少，应力也在逐渐增大。因此，焊接顺序导致焊接残余应力的产生，进而可能导致裂纹缺陷的产生。

（6）焊接材料焊接使用的焊丝及焊剂，均在国内进行过焊接工艺评定，确定了其与母材的匹配性。但不排除现场到货的焊丝或焊剂，存在部分质量不达标的可能，造成在局部使用时产生焊接裂纹。但同时焊接的坡口其他位置并未出现类似缺陷，故可排除因焊接材料质量问题造成焊接裂纹缺陷。

（7）焊丝角度横缝采用K形坡口，即下壁板不开坡口，上壁板开双面坡口，具体坡口形式如图2所示。焊接时，如果焊丝角度较平，则会造成下坡口面的熔深较浅或熔合不好的现象，而熔深较浅的下坡口极有可能成为裂纹产生的源头。

由以上分析可知，造成此裂纹缺陷的主要原因有：层间温度控制、焊接热输入、焊丝角度以及施焊顺序。

图2 坡口形式

4. 解决措施

根据裂纹缺陷产生原因制定相应措施。对已经产生裂纹缺陷的部位，采用碳弧气刨加机械打磨的方式，并配合渗透PT检测对缺陷进行清理，保证缺陷清理彻底。然后，利用焊条电弧焊的方法对清除部位进行补焊，附加X射线检测，保证不再产生裂纹。

在后续的环缝焊接过程中，采取以下措施：①改变预热方式，保证焊接时的预热温度达到100~150℃，同时保证焊接时的层间温度。②施焊时，严格按照施工组织设计制定的焊接顺序施焊，控制焊接变形和应力。③适当调整埋弧横焊焊接速度，合理控制热输入，保证达到工艺要求。④调整焊丝角度，保证熔合比。⑤保证焊剂烘干时间、烘干温度及保温时间。