直缝埋弧焊管氢致缺陷的防止措施

王立柱，韩铁利，张金利，陈 龙，孙永琪，吕育栋

（巨龙钢管有限公司，河北 青县 062658）

氢是严重危害焊缝性能的元素，氢的存在可能使焊缝中产生氢脆、白点、气孔、裂纹等缺陷[1]，严重时导致焊接结构失效，因此，对一些重要的焊缝要控制焊缝中的氢含量。大直径油气输送管道由于使用压力高，焊缝承受较大的拉应力，在生产时采用埋弧自动焊工艺，选用低氢型焊接材料，保证焊缝中氢含量较少。但在直缝埋弧焊管生产过程中焊缝偶尔会有少量与氢相关的缺陷产生，查找并消除焊缝中氢的来源[2]，是防止直缝埋弧焊管产生氢致缺陷的主要任务。

1 生产实例

1.1 案例1

在生产线投产初期，内焊缝出现连续气孔，如图1 所示，气孔表面呈喇叭口形，判断是氢气孔。检查发现内焊未焊接的钢管内壁有水，部分钢管坡口中也有水。向内焊之前的工序查找，发现钢管内壁的水是钢板超声波探伤时用作耦合剂的水没有清理干净，成型后留在钢管内表面。在钢板探伤工序增加探后除水装置，内焊缝气孔不再产生。

图1 焊缝表面氢气孔

1.2 案例2

在2021 年7 月生产一批Φ914 mm×24 mm 钢管时，多次发现内焊缝产生气孔、夹珠、焊瘤缺陷。2 个月前用相同的工艺生产同一规格的钢管时，没有发现类似的缺陷。工业电视下看到的气孔、夹珠分别如图2 所示。内焊缝表面的焊瘤如图3（a）所示，将缺陷取样制成金相试样，宏观形貌如图3（b）所示。气孔位于内焊缝中心，近似于圆柱形，根部略大，工业电视上看到的气孔亮度较高。气孔的形态符合氢气孔的特征。

图2 工业电视中观察到的气孔和夹珠

图3 内焊缝表面的焊瘤及其金相试样宏观形貌

现场调查发现，成型机压下梁油缸在钢管成型过程中有油滴落到坡口表面。在成型岗位增加防护措施，防止油滴落到钢管上，并要求内焊岗位在焊前检查，如发现坡口表面或边缘有油，先用稀料将油擦除，再焊接，气孔消除。

1.3 案例3

在生产一批Φ813 mm×17.5 mm X70 钢管时，工艺参数与前期生产同种规格钢管的参数相同，焊接材料也相同，焊缝冲击功低于标准值，内焊为脆性断口；焊缝横向拉伸试样断口位置为焊缝，反弯试验时焊缝中心开裂；从焊缝拉伸试样断口能看到白点，如图4 所示，判断内焊缝性能差的原因是焊缝中产生了氢脆。

图4 焊缝拉伸断口

检查发现，钢管坡口及焊接材料均符合要求。检查内焊压缩空气干燥器，发现干燥器内原本应该是球形的干燥剂颗粒变成粉末状，已经失效。更换干燥剂后重新焊接，焊缝冲击功满足标准要求，内焊缝氢脆消除。

1.4 案例4

在生产一批钢管两天后无损检测岗位反映发现多根钢管外焊缝表面有连续气孔。气孔位于外焊缝中心，长度方向的位置不固定。气孔较深，表面呈喇叭口形，具有典型的氢气孔特征。

对生产现场外焊岗位进行排查，发现预弯机钢板输入端对中辊表面有黄油，如图5 所示。清除对中辊表面的黄油后，外焊缝没有再发现气孔[3]。

图5 对中辊表面黄油

1.5 案例5

生产Φ1 016 mm×21 mm X70M 钢管时，1 号射线在某根钢管东端2 150 mm 处发现一处气孔，补焊后手探复查时在距气孔东端50 mm 处原焊缝内发现一处横向裂纹，超声波探伤发现裂纹在壁厚方向较长，将裂纹部位取下，制成拉伸试样，在拉伸试验机上拉断，断口如图6 所示。

图6 拉伸断口

裂纹表面为白色脆性断口，约5 mm 宽度，从外焊缝根部沿焊缝一侧熔合线向上延伸，在靠近壁厚中心的裂纹根部有氢白点。由此，可以判定裂纹为氢引起的外焊缝冷裂纹[4]。

检查外焊岗位，发现天车停留在内外焊中间区域，天车减速箱有油滴落在钢管坡口上。将天车停留区域移到外焊以后的位置，未再发现类似缺陷。

2 原因分析

焊缝中氢致缺陷与氢含量的多少有关，当焊缝中氢含量较少时，产生氢脆；当焊缝氢含量高，常常在拉伸或弯曲断面上出现白点；当熔池吸收了大量的氢，焊缝中会产生气孔；当焊缝中扩散氢含量较高，承受的拉应力较大产生冷裂纹。

控制焊缝中氢的措施有：一是限制焊接材料中的氢含量；二是焊前清除焊丝和焊件坡口附近表面上的铁锈、油污、吸附水等；三是通过冶金处理降低焊缝中的氢含量；四是控制焊接工艺参数；五是焊后脱氢处理。在直缝埋弧焊管生产过程中，主要是通过前两种措施控制焊缝中氢含量[5]。

案例1 中，为保证钢板超声波探伤效果，用作耦合水的水量较大，在生产节拍较快，钢板到达成型时，钢板表面残留的水还没有干，成型后留在钢管内，由于内焊是在下方6 点的位置进行焊接，钢管坡口旋转到下方后，钢管内的水流到坡口内，焊接后产生气孔。

案例2 中，由于夏天气温高，成型机液压站散热慢，油温升高，液压缸漏油，部分油滴落在内焊坡口内或坡口附近，焊接时内焊缝中产生气孔；由于气孔的位置靠近内焊缝根部，外焊时气孔根部容易被熔池金属击穿，金属流到气孔内产生夹珠；当内焊缝气孔到达焊缝表面，气孔根部被击穿后液态金属流到焊缝表面形成焊瘤。

案例3 中，直缝埋弧焊管内焊焊剂输送距离较长，采用压缩空气输送，由于压缩空气中含有水分，为防止压缩空气中的水对焊接产生影响，使用无热再生式干燥器以球形氯化铝为干燥剂除水[6]。长时间使用后，干燥剂吸附能力大幅度下降甚至失效，而夏季空气温度高，压缩空气中的水分含量高，经过干燥器处理后的压缩空气中仍含有大量的水分，虽然焊剂在使用前进行了严格的烘干，但在输送过程中吸潮，压缩空气中的水分进入焊剂，并通过焊剂进入焊接熔池，最终导致焊缝产生氢脆。

案例4 中，黄油是钢板运输过程中为装卸方便在天车吊钩上涂的黄油上料时未清理干净，预弯前清扫带清扫表面时将油扫到钢板边缘，钢板通过对中辊时，边缘的油黏到对中辊上，铣边下线的钢板重新上线时，板边接触到对中辊，对中辊上的油黏到下坡口上，导致外焊缝产生气孔。

案例5 中，天车滴落的油量较少，焊缝中产生氢脆，当附近焊缝中发现气孔进行补焊后，局部的拉应力增大，致使焊缝中产生冷裂纹。

以上几个案例表明，在长时间的生产过程中，相关设备的异常可能导致焊接坡口附近有水或油存在，使焊缝中产生氢致缺陷，及时排除设备故障，消除氢的来源，才能防止焊缝中出现氢致缺陷。

3 结 语

直缝埋弧焊管的氢致缺陷与焊件坡口附近的油污、吸附水等有关，防止水、油进入焊接熔池是防止焊缝产生氢致缺陷的主要措施[7-12]。可通过以下几点控制焊件坡口附近的油污、吸附水：①探伤后钢板表面的耦合水应完全清除，冬季防止钢板表面结冰；②防止成型机油滴落到钢板坡口附近；③焊前检查钢管坡口附近是否有油、水、锈存在，如果有，应先清除再焊接；④压缩空气干燥器内的干燥剂定期进行更换；⑤钢板运输过程中不能与油接触，上料时应清除钢板表面的油污；⑥焊接区域的天车尽可能停留在外焊以后的位置。