热镀锌钢管滚槽开裂原因分析

张 娜 张 宁 陈 洁 刘建涛

（河北省产品质量监督检验研究院 河北唐山 063000）

1 前言

随着生产技术的发展,焊管在建筑给排水工程中的应用已占主导地位。在施工过程中,人们广泛使用卡箍式(又称沟槽式)连接方式，即用滚槽机在钢管周围开出标准深度的凹槽，再用带有密封橡胶圈的卡箍件将2 段钢管紧密连接在一起。相对于丝接、法兰连接，卡箍式连接省去了螺纹加工或焊接的麻烦，操作简单，施工迅速，安全环保，维修方便，已成为流体输送管道连接的首推技术。在管道滚槽加工过程中，容易出现开裂问题，给管道安全施工与运行造成了巨大损失。

2 概述

某企业生产的热镀锌焊接钢管（以下简称“管”），主要用于流体输送管道，管道连接采用沟槽连接方式。下游客户反馈，管有压槽开裂现象。取3个开裂管样品进行原因分析发现，开裂部位集中在焊缝位置。样品编号 1#、2#、3#，见图1。样品规格型号为：1#，DN150×3.95,Q215B；2#，DN150×3.95,Q215B；3#，DN150×4.25，Q195。

图1 开裂管样品

经现场调研，管的生产工艺流程如下：钢带→裁边→卷曲→高频焊→切焊线→水冷→定尺→酸洗（盐酸+缓蚀剂）→清水冲洗→溶剂浸洗助镀→烘干→热镀→冷却→钝化→出厂。

3 试验方法及结果

3.1 取样

在管基体部位截取化学成分检测用样品。在焊缝位置截取横向、纵向2 块样品，用于显微组织检测和焊缝熔合线检测。将管开裂部位压扁打开后，截取断口观测试样。

3.2 化学成分检测

使用斯派克LAB M10 型直读光谱仪，依据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》标准，对3个管化学样品进行化学成分检测，并计算Mn/Si 比、Mn/S 比、碳当量 CE，结果详见表1。其中，3 个样品5 元素检测结果均符合GB/T 700—2006《碳素结构钢》中对Q215B、Q195 牌号的要求。

表1 化学成分检测结果（%）

3.3 断口形貌观测

对3 个断口试样进行超声清洗后，使用蔡司EVO MA15 型扫描电镜观测断口形貌。3 个断口样品整体形貌相似，均为朽木状条带断口，基体为韧性断裂，局部呈现脆性解理断口特征，如图2～图4所示。断面上有较多的显微气孔及微裂纹存在。显微孔洞呈现喇叭状，内有光滑自由的表面，孔壁呈现波纹状特征[1]，如图4～图6所示。

3.4 显微组织检测

检测设备：蔡司Axio Obser 倒置生物型显微镜。检测依据：GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》。经研磨、抛光、4%硝酸酒精腐蚀后，对3 个样品切向纵截面进行显微组织检测。

1#样品焊缝两侧显微组织不对称，一侧组织粗大有魏氏组织，另一侧组织较细小，且焊缝有未焊合现象，见图7～图8；2#样品焊缝两侧金相组织比较对称，发现有魏氏组织，且焊口附近发现与焊缝成一定角度的微裂纹，见图9～图11；3#样品焊缝两侧金相组织比较对称，焊口位置有魏氏组织，见图12～图13。

图2 朽木状条带断口

图3 局部解理断口

图4 基体韧性断裂，有较多的显微气孔

图5 断面微裂纹

图6 喇叭状孔洞孔内壁波纹状特征

图7 样品1#焊缝显微组织

图8 样品1#魏氏组织

图9 样品2#焊缝显微组织

3.5 焊缝熔合线夹杂物检测

检测设备：蔡司Axio Observer 倒置生物型显微镜。检测依据：GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》。经研磨、抛光后，对焊缝夹杂物进行检测，检测方向为焊缝位置外壁一侧切向纵截面。检测结果显示，3 个样品焊缝位置均有不同程度的夹杂物聚集的现象，见图14～16。

3.6 焊缝金属流线检验

检测设备：蔡司Axio Observer 倒置生物型显微镜。检测依据：GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》。经研磨、抛光、苦味酸+洗涤剂热浸腐蚀后，对焊缝金属流线进行检测。检测方向为焊缝横截面，并在1/4 壁厚处测量上升角，检测结果见表2。检测发现3 个样品均存在不同程度的钩状偏析，见图17～图22。

图10 样品2#魏氏组织

图11 样品2#焊口附近微裂纹

图12 样品3#焊缝显微组织

图13 样品3#魏氏组织

图14 样品1#夹杂物在焊缝聚集

图15 样品2#夹杂物在焊缝聚集

图16 样品3#夹杂物在焊缝聚集

表2 焊缝金属流线角(°)

图17 样品1#内壁焊缝金属流线

图18 样品1#外壁焊缝金属流线

图19 样品2#内壁焊缝金属流线

图20 样品2#外壁焊缝金属流线

图21 样品3#内壁焊缝金属流线

图22 样品3#外壁焊缝金属流线

3.7 焊缝熔合线宽度检验

检测设备：蔡司Axio Observer 倒置生物型显微镜。检测依据：GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》。经研磨、抛光、苦味酸+洗涤剂热浸腐蚀后，对焊缝熔合线宽度进行检测。检测方向为焊缝横截面，检测位置为1/2 壁厚处，检测结果如图23～图25所示，检测数据见表3。

4 结果分析及讨论

综合以上检测结果，开裂管断口形貌呈现氢致开裂特征。焊缝位置存在夹杂、偏析、魏氏组织、未焊合等多种缺陷。氢容易在这些缺陷处聚集，当局部氢浓度达到临界值时，就会在缺陷处产生微裂纹。在焊缝残余应力和压槽时，在焊缝的剪切拉应力综合作用下，最终引起氢致延迟性开裂。下面从以下几个方面综合分析管压槽开裂的原因：

表3 焊缝熔合线宽度（μm）

图23 样品1#中心熔合线宽度

图24 样品2#中心熔合线宽度

图25 样品3#中心熔合线宽度

4.1 氢来源分析

根据管的工艺过程，氢来源主要有以下方面。

4.1.1 焊接过程

焊接可视为一种局部的冶炼过程，包括焊缝金属的熔化和凝固。焊管焊接时有喷水冷却，冷却水直接浇到钢带边缘上，水汽中的氢容易进入熔池，尤其高温下（约焊接温度1 500℃），气体氢更容易分离成原子氢而渗入焊缝金属[2]。

4.1.2 酸洗过程

酸洗工序洗剂为盐酸，出酸后有两道水洗。在酸洗过程中，由于酸浓度、温度的影响，在氧化铁皮被溶解的同时，钢管基体也发生反应。其阴极反应是析氢反应，故，氢原子能够进入金属，尤其盐酸属强还原性酸，酸洗过程能够吸收较高的氢量。

4.1.3 烘干过程

在烘干工序过程中，如果焊管上的水不能有效干透，那么，管基体中因酸洗而产生的氢就不能充分排出去，从而增加氢致开裂倾向。

4.2 焊缝质量分析

4.2.1 焊缝显微组织分析

3 个样品的显微组织检测结果显示：焊缝区域有魏氏组织、焊缝两侧组织不对称、未焊合、焊缝附近位置有微裂纹等缺陷。

魏氏组织的存在，会使钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低。一般来讲，魏氏组织的产生主要与钢中含碳量、奥氏体晶粒大小及冷却速度有关[3]。在本文中，主要是由于焊缝区域由高温通过水冷，速度较快的冷却下来，造成焊缝位置出现魏氏组织。

出现焊缝两侧组织不对称的原因主要是：挤压辊、导向辊存在不对称或是偏离轧制中线的现象；或是钢带宽度公差较大，S 弯、镰刀弯等缺陷比较严重。

焊缝附近位置的微裂纹，主要原因是在焊口附近存在焊接残余应力，氢在应力作用下，在此处释放形成微裂纹。

焊缝未焊合主要是焊接中氧化物大量产生后，由于挤压力不足形成未焊合，少量则会以片状或链状存在。

4.2.2 焊缝熔合线分析

熔合线形态与焊接输入能量的高低、焊接压力的大小、焊接速度等参数关系密切，是衡量焊缝质量的重要标志[4]。

对熔合线宽度而言，有资料显示，通常20～140 μm作为合格的标准范围，把 10～20 μm 和 140～170 μm作为警告范围[5]，其余为不合格范围。按照该评定标准，3 个样品中，有2 个样品该项不合格，1 个样品合格。不合格数据均是大于上限值，即熔合线粗大。粗大熔合线多是焊接温度偏高、挤压力不足所引起。

夹杂物检验中发现，3 个样品中焊缝位置均发现夹杂物聚集的现象，焊缝的夹杂物是影响强度和韧性的重要因素，常成为裂纹源。

综合以上熔合线检测结果，可以推测，焊接过程中存在焊接温度偏高，挤压力偏小或板边平行度不好的现象，导致上述问题的发生。

4.2.3 金属流线分析

金属流线是在高温条件下，局部熔化或半熔化的金属，在挤压力作用下所形成的一种特殊形状的结晶组织，也是一种焊接压力大小与方向、线能量与焊接速度的综合体现[6]。

有资料显示，流线角的评定标准可以遵循以下标准：

标准值：45°～75°，极差≤10°；

警告值：40°～45°或 75°～80°，极差 10°～15°；

禁止值：＜40°或＞80°，极差≥15°。

按照以上标准，3 个检验样品中，内壁流线角均在可接受范围内，但是外壁流线角不合格率100%，极差不合格率100%。

由此可见，焊接过程中内外壁流线角不对称的问题比较严重。出现此问题主要由于板边平行度控制不好，出现“V”字形。在该对接方式下，管内壁比外壁要先接触，电流密度、加热温度均高于外壁，造成内外壁焊接温度差异较大，外壁挤压力不足。从而出现外壁金属流线角偏小，焊缝夹杂物熔融金属和氧化物挤出不足，焊缝夹杂物偏多聚集，甚至未焊合等现象。这些缺陷破坏了焊缝强度，容易成为氢聚集区，形成裂纹源或成为加速裂纹扩展的通道。

4.3 原材材质分析

化学成分检测结果显示，碳当量为0.10%～0.23%，整体处于易焊区（0.1%～0.12%）和可焊区（0.12%～0.49%），维持在比较低的水平，反应整体材质焊接性良好。

3 个样品 Mn/Si 比为 1.24～1.94，处于较低水平，焊缝裂纹倾向增大。有资料显示：提高Mn/Si 比有助于降低焊缝开裂。当Mn/Si 比为3～4 时，焊缝夹杂物裂纹指数明显下降；当Mn/Si 比大于5 时，夹杂物裂纹指数处于稳定的低水平[7]。在高频加热过程中，金属中的 Mn、Si 与 FeO 发生反应生成 MnO 和 SiO2[8]。MnO 与 SiO2发生反应生成 MnO-SiO2，该氧化物熔点为1 270℃，容易从焊缝中排出。如果Mn/Si 比较低，SiO2与 MnO 发生反应后，仍有部分 SiO2剩余，而SiO2为高熔点氧化物（熔点1 713℃），不容易从焊缝排出。

元素S 属于钢中杂质元素，使得钢材明显变脆，严重影响钢材的力学性能和工艺性能[9]。而元素Mn与S 的亲和力大于Fe，可与S 形成高熔点的MnS，降低FeS 在晶体间的析出率，从而减少钢材热脆性，降低钢材裂纹倾向。有资料介绍，Mn/S 比以大于25为宜[10]。本文中 3 个样品的 Mn/S 比为 8.04～15.10，钢材裂纹倾向较高。

5 结语

综上所述，可以得出以下结论：

（1）焊管在高频焊接、酸洗过程中，氢渗入基体。这是由于钢管焊缝位置存在夹杂、魏氏组织、未焊合等多种缺陷。氢在缺陷处聚集，达到临界值时产生微裂纹。在焊缝残余应力和压槽时对焊缝的剪切拉应力综合作用下，导致氢制延迟开裂。

（2）氢的来源主要是焊接过程、酸洗水洗过程及烘干过程的不彻底。

（3）由于“V”形对接焊接，挤压辊、导向辊不对称或是偏离轧制中线等焊接工艺问题，导致焊缝质量不佳。焊缝区域存在魏氏组织、焊缝两侧组织不同、熔合线粗大、熔合线夹杂物聚集、未焊合、外壁熔合线流线角偏小、内外壁流线角极差大等缺欠。

（4）原材料化学成分中Mn/Si 和Mn/S 的比值是影响焊管开裂率的重要指标。