管插套焊接要点分析及质量控制措施

2021-04-14刘智君张德金柳云天

压力容器 2021年3期

马鸣，刘智君，张德金，柳云天

(1.高效清洁燃煤电站锅炉国家重点实验室，哈尔滨 150046;2.哈尔滨锅炉厂有限责任公司，哈尔滨 150046)

0 引言

角焊缝是在工程中广泛应用的焊接结构[1]，而支管插套焊缝(亦称承插焊缝,Socket Welds)结构形式作为小口径管连接焊缝之一，接头设计结构如图1,2所示，即将外径尺寸较小的支管插入内径较大的主管或法兰(以下统称为承管座)中，并在支管外围施焊角焊缝连接，属于一类特殊用途的角焊缝，最早应用在化工领域，并通过工程应用证明了接头的可靠性，现已广泛用于工业工程及核电领域中的管道和压力容器部件。鉴于在不同领域应用的差异性和特殊性，本文整理和归纳国内外不同标准对管插套的应用限制条件，并重点研究此类结构在焊接试验过程中的焊接要点和质量控制措施，为产品在相应工况下的安全、可靠及稳定运行提供技术参考。

图1 插套焊结构示意

图2 插套焊试件1/4剖面

1 插套接头结构的优势和不足

1.1 与对接接头相比具有的优势

(1)承管座对支管有补强作用，提高了插套接头的承载能力和应用范围。

(2)结构简单且易于装配，简化了施焊过程，无对接焊坡口加工限制及常出现的错边和背面焊缝成形不良的情况。

(3)施焊效率高。

(4)有研究[2]证明，改变插套焊的焊接工艺可以使其焊接质量和同尺寸的对接焊相同，其疲劳强度也大致相当。

1.2 与对接接头相比存在的不足

(1)插套接头截面的几何尺寸形状存在急剧变化，焊缝根部和焊趾处应力集中大于对接接头，承载力传递过程较为复杂。

(2)接头根部产生缺陷比较隐蔽，常规无损检测方式不易发现。

(3)不易返工和补焊。

(4)在振动疲劳的环境下服役容易导致插套焊缝失效。

2 不同标准对插套焊接头的限制条件

因标准体系不同，对插套焊接头的设计和应用要求亦存在差异，现将涉及的相关标准及要求简要归纳如下。

2.1 承压管道标准

GB/T 20801系列标准是工业承压管道领域中常用的设计、制造和检验标准，其中涉及插套焊结构应用限制条件的引用标准共有5种，具体内容见表1。

表1 工业承压管道标准对插套焊限制条件

1)第3～5项标准均引自GB/T 20801系列，但各标准对插套焊结构的名词术语及相关符号存在差异，为辨识方便，现将其统一字母标识；2)其引用的焊接工艺评定执行标准按JB 4708—2000《钢制压力容器焊接工艺评定》执行，现该标准已被NB/T 47014—2011《承压设备焊接工艺评定》替代；3)其引用的焊工技能评定执行标准按《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》执行，现该标准已被TSG Z6002—2010《特种设备焊接操作人员考核细则》替代。

通过对比可得以下结论。

(1)应用限制条件基本一致。

(2)焊接工艺评定方面未作特殊规定。当忽略支管外径较小、壁厚较薄情况对焊接工艺参数、实际操作难度等的影响时，仅按焊接工艺评定标准原则，此类接头可被对接或角焊缝的评定覆盖，焊接工艺评定过程相对简单。

(3)焊工技能评定方面未作特殊规定，仅按焊接技能评定标准原则，注意焊接位置、焊接方法和选用管径、厚度来选择合适的管板角焊缝施焊，获得此类接头的焊工资质亦比较容易。

但无论是焊接工艺评定还是焊工技能评定过程，相关评定标准仅为基本的规定。就长效保证产品使用寿命而言，当产品制造首次使用此接头时，建议附加满足插套焊设计特点的接头模拟试验，对于掌握插套焊缝焊接要点和质控措施更有意义。

2.2 核电标准

2.2.1 核级产品应用方面

管插套焊结构既是核电设备管路制造和安装过程中的重要连接形式之一，也是核电设备中的薄弱环节，其焊缝质量会影响到核安全。鉴于其在核电领域应用的普遍性和重要性，核级产品应用标准均已将其视为一类特殊结构而提出更为严苛的限定，具体见表2。

表2 核级产品用标准对插套焊限制条件

1)等边角焊缝尺寸是指最大的内接等腰直角三角形的直角边长；2)非等边角焊缝尺寸是指角焊缝的横断面内最大的内接直角三角形的短直角边长；3)其他焊接要求则统一按ASME BPVC Ⅸ卷评定标准中对角焊缝的相关规定执行；4)各标准对插套焊结构的名词术语及相关符号存在差异，为辨识方便，现将其统一字母标识。

通过对比可得以下结论。

(1)在应用限制条件方面基本一致。相似之处是分两种情况限制k，e和α之间的计算关系，并规定了焊前预留b；而区别主要在于，支管管径(dn，d内)和e使用条件限制和焊接工艺评定及焊工技能评定过程的相关规定。另外，需注意的是，在2017版ASME B&PVC Ⅲ卷中对插套焊新增了“当设计要求对焊缝修磨倒角时，角焊缝管子轴向的焊脚尺寸(k2)应至少为径向焊脚尺寸(k1)的2倍以及管子一侧焊趾处不允许存在咬边缺陷”的规定，此规定在实际生产中更为实用，其目的是减少插套焊缝上承受的应力，从而提高抗疲劳能力，有效保证插套焊管件的使用寿命，而其他2项标准尚未提及k2,k1的差异对结构造成的影响。

(2)在焊接工艺评定方面差异较大。美国ASME规范以成熟的焊接工艺方法(ASME B&PVC Ⅸ)为前提，通常需结合产品制造篇(ASME B&PVC Ⅲ)的要求，以合理精简焊接工艺评定数量为原则，注重产品结构形式、焊缝成形和焊接工艺相互之间的影响关系，综合决定焊接工艺评定的方式、方法。标准虽未限定必须制作产品接头模拟件进行焊接工艺评定过程，亦未限定评定过程必须进行无损检测，但从长效保证产品使用寿命情况看，当首次使用此接头的产品制造时，建议附加满足插套焊设计特点的接头模拟试验，以便更好地掌握插套焊缝焊接要点和质控措施。我国核电焊接工艺评定标准NB/T 20002.3—2013编制依据主要参考2007版法国核电标准RCC-M和我国实际情况演化而来[3]，且NB/T 20002.3 和法国RCC-M标准更重视此类接头的施焊过程及工艺对其内在质量的影响，直接将其归为一类特殊接头形式进行焊评验证，并规定了单道焊和多道焊评定不可相互覆盖及无损检测必须与产品要求保持一致等严苛的限制条件，评定过程相对复杂，此处与ASME标准差异很大。

(3)限定焊工资质要求。除另有规定外，国内制造的核级产品需满足HAF 603《核安全设备焊工焊接操作工资格管理规定》标准取得相应焊工资质；2007年12月，国家核安全局升版了HAF 603法规，其中涉及插套焊变化较大的是调整了插套类焊工取证规定，即新增钨极氩弧焊方法考试结果对于小于评定的焊丝直径有效；母材和焊材的评定范围由原来按照工艺评定覆盖原则调整为按HAF 603法规的附件Ⅰ要求执行；2010年2月，国家核安全局发布了国核安发[2010]28号文件对现行HAF 603法规进行完善和补充，并规定将插套类焊工考试按Z4类专项考核，提高了法规的可操作性[2]。

2.2.2 在非核级的核电产品应用方面

从一些资料查证可知，当在非核级产品(如RCC-M标准规定的NC级别)上使用无插套焊限定条件的其他行业标准(如NB/T 47003—2009《钢制焊接常压容器》等)进行设计和制造时，使用者易将其视作普通套管结构制造控制，即按文中第2.1(2)节进行焊接工艺评定，按第2.1(3)节进行焊工技能评定(标准未明确非核级产品必须执行HAF 603法规)，此法看似顺理成章，实则存在技术漏洞，容易忽视此类特殊管座连接结构在核电领域应用的设计初衷和质控要点，尤其是HAF 603法规与其他行业焊工资格考核体系存在很大差异且不可替代[2]，更应审慎对待，否则可能造成产品焊缝失效。目前，行业内亦有将非核级产品的所有焊接接头一律按核级产品“从高就严”要求的案例，虽规避了技术风险，却造成产品制造成本的增加和周期的延长，属于矫枉过正情况，较合理的做法是及时反馈工程设计，确认能否仅对特殊接头从严要求。

3 质控关键

为保证插套焊接头结构的可靠性，建议在焊接工艺评定验证和焊工资质考核过程中，宜结合实际产品情况和下述质控要点。

3.1 装配质量控制

轴向间隙b为此接头关键尺寸之一，是指支管底部与承管座之间的垂直间距，须保证底部焊后仍留有间隙，其主要作用如下。

(1)调控焊接过程的收缩情况。

(2)使径向间隙n与b连通，有利于封闭焊道时，从焊缝背面排气，以预防气孔。

(3)产品实际运行时，管道中存在高温液体流动，受结构限制，焊缝、支管和承管座处会产生不同的温度梯度，若取消此间隙设计，易导致焊缝残余应力聚集而影响管道结构的疲劳寿命，故相关标准均规定此间隙应由焊前装配保证。

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受结构限制，此轴向间隙不便直观预置和检查，须设计外置卡具或内置专用样板精准定位、均匀定距。此外，当产品规定进行射线检测(RT)时，也可借助底片检查轴向间隙焊后变化情况(见图3)。

图3 插套焊试件的RT检测情况

3.2 焊接方法选择

插套焊常用焊接方法有焊条电弧焊(SMAW)、手工钨极氩弧焊(TIG焊)和熔化极气保焊(GMAW)3种。

相比其他方法，TIG焊适用于d外≤35 mm，e≤3.5 mm(即小口径薄壁管插套焊结构)且对工件表面清洁度要求高(如不锈钢材料)以及焊接位置复杂的结构上，为保证焊缝连接强度，宜采用填丝焊道。此外，还应注意保护气体流量也会对焊接质量造成影响，流量过小电弧不稳，排除周围空气能力弱，易出现气孔；而流量过大易出现紊流，导致空气混入而产生气孔，造成气体浪费。

3.3 焊脚尺寸优化

有文献研究[4]证明焊脚尺寸的变化能显著影响插套焊的疲劳性能，尤其是在高周疲劳时性能改善更明显，试验结果表明，当k2(轴向焊脚尺寸)=2k1(径向焊脚尺寸)时的焊喉尺寸a要比k2=k1时更大，可有效降低焊根处的应力集中，增加角焊缝的有效厚度，提高焊根处的疲劳性能[5]。

然而，受结构尺寸、焊接位置、焊道摆动宽度、熔敷金属填充效果及焊接热输入等因素限制，焊后很难保证k2=2k1，实际需采用机械加工和修磨方式来实现，故ASME规范规定的k2≥2k1更贴合实际制造情况。

3.4 识别常见缺陷和应对措施

3.4.1 未熔合、裂纹及凹坑

此类缺陷常出现在不锈钢薄壁管插套焊缝的局部打底焊道上。经分析，缺陷成因是由于插套焊缝截面形状存在急剧变化，当采用TIG填丝打底焊时，除起、收弧搭接点外，电弧在其他位置上无法做短暂停留，枪体运摆和回转过程既要保证根部熔透和焊丝填充及时，也要控制电弧稳定，焊接操作难度增加，造成焊接过程存在不连续及不稳定性而导致产生未熔合和裂纹缺陷[6-8]，如图4所示。

图4 插套焊打底焊道常见缺陷

图4(a)示出的缺陷主要是电参数匹配或电弧作用位置不当，造成支管与承管座熔化快慢程度不均所致，可通过调整焊枪姿态及电弧作用位置、增加摆幅调整两侧母材熔化速度来改善和消除；图4(b)示出的缺陷是因为焊接热输入增加而产生的热裂纹，即熔池冷却速度高于熔敷金属填充速度，导致根部焊道的熔合线形貌曲率变化较大，使焊道根部连接薄弱，受电弧吹力及液态熔敷金属表面张力及附近熔池凝固收缩力等综合影响，沿径向间隙的末端向上扩展形成开裂情况，当适当增加摆幅、控制焊接速度使根部熔合线形貌曲率变化相对平缓时，则不易产生裂纹。

由于此裂纹具有隐蔽性，受焊接结构、缺陷类型及位置限制，很难在施焊过程及无损检测中发现，需通过剖面宏观金相检验确认，尤其是当e≤2 mm时，缺陷产生几率将会显著提高，有时还会在支管母材内壁(焊缝背面)出现形状不规则的凹坑，如图5所示。试验发现，此凹坑是当电弧靠近支管外壁侧停留时间稍长，层、道间温度高于50 ℃或背气保护不良时，使支管局部母材过热熔化或烧损造成的，此现象多见于采用恒流TIG焊的情况[9]。

图5 支管内壁出现凹坑的情况

推荐采用TIG自熔打底焊(见图6)，施焊前增加背面保护气，电弧作用位置稍偏向承管座一侧，并压低电弧使其集中作用于接头根部，以保证熔透，焊工应专注焊枪微摆和匀控焊接速度来控制焊缝成形质量；同时严格控制打底层热输入，防止烧穿支管内壁和根部产生热裂纹，宜分4段施焊；为避免焊接温度过高产生凹坑，建议待打底层焊道彻底冷却至室温后，采用∅1.2 mm焊丝施焊面层。经试验验证，表3的参数可满足要求，接头合格率高且焊缝成形美观，也可选择脉冲TIG焊代替恒流TIG焊，效果更佳[10]。

图6 插套焊合格接头形貌

表3 e≤2 mm的不锈钢管插套焊接参数

3.4.2 咬边和下垂(俗称塌陷)

插套焊缝易在面层焊道的焊趾处产生咬边和焊道中心出现下垂(见图7)，其成因是受焊接位置、枪摆幅度、电弧吹力、电弧停留时间、液态熔敷金属表面张力及重力相互之间影响所致。通过试验发现，当焊丝略高于钨极作用位置给送，并控制焊枪做小幅摆动来匀填焊道和匀速施焊，可控制熔池形态舒展平缓、熔池边缘与母材润湿饱满，焊后亦可对其适当修磨抛光，使之与周围母材圆滑过渡，可有效避免上述缺陷的产生。

图7 插套焊缝中心下垂和焊趾咬边示意

3.5 推荐的无损检测方法

尽管通过相关标准、规范限定并结合焊接工艺评定、焊接技能评定甚至模拟件评定等试验过程确实可以作为产品质量保证手段之一，但除个别核电标准提及此类焊缝应执行射线检测外，其他标准、规范并未明确制定针对焊接过程的无损检测方法，而实际生产过程中应用手工焊时，人因差异无法避免，产品管插套焊缝的质量情况不易直观显现，因此对焊接过程检查应有所规定，结合实际生产经验，提供参考建议如下。

(1)就此类接头的表面无损检测方式而言，PT比MT更实用，原因是由于角焊缝位置特殊，常规漏磁检测受空间限制而存在角焊缝均匀磁化困难的问题[1]，且不适用于不锈钢材料，故目前业内常采用打底焊后执行VT+PT检测，面层(一般不超过3层)焊后执行VT+PT检测，操作相对简单、方便[11]。

(2)对于小口径薄壁支管，焊后可借助内窥镜来观察支管内壁有无凹坑缺陷和轴向间隙b变化情况。

(3)当产品规定此类接头需射线检测时，为保证射线检测的灵敏度和底片摆放成像，建议先完成插套焊缝并射线检测合格后，再完成承管座与产品的焊接。另外，还可参考管子管板角焊缝射线检测方式，尝试研究采用专用棒样极X射线管+特制工装等对其接头进行检测的方案[12]。