长输管道施工常见焊接缺陷质量分析控制

长输管道施工常见焊接缺陷质量分析控制前言由于近年来我国经济的迅猛发展，致使东西部能源供需矛盾日益突出。

为解决此矛盾，随着钢管制造水平与焊接技术的提高，长输管道运输这种经济高效的长距离流体介质运输方式也已经得到了越来越充分的应用。

近年西气东输、西部管道、兰郑长管道、西气东输二线等一系列大口径管道的陆续施工，已经标志着我国长输管道的第四次建设高峰已经到来。

长输管道一般具有野外作业、焊接环境不稳定、非固定电网取电、管固定位置不确定、焊道内部成型难以观测等特点。

摘要本文通过对长输管道焊接中常见的一些焊接质量缺陷进行分析，并总结了相应的控制预防措施。

从实际出发，对施工过程中的各质量环节控制要素进行讨论，并结合实际施工经验进行了总结。

1 长输管道施工各工艺简介大口径长输管道壁厚一般都在8mm以上，采用多层焊接。

打底和填充盖面一般采用两种焊接工艺，打底主要有手工焊、STT手工焊、全自动焊、内焊机多枪头下向焊等；填充盖面主要有手工焊、半自动焊、全自动焊等。

目前应用最广的就是纤维素焊条下向焊打底加半自动药芯焊丝自保护下向焊填充盖面工艺，全国大部分管道施工队伍都使用此种工艺进行施工。

由于管径大，输送压力高，因此长输管道所用钢管一般都是高碳钢制作，钢级都在X60以上，西气东输二线更是全国第一次采用X80钢，均属于高强钢。

管道焊缝一般也都是同种材质的钢管相互焊接。

焊材一般是采用纤维素焊条、低氢焊条、药芯焊丝、实心焊丝加气保护等。

管管焊接一般采用对接形式，坡口一般有V型、U型、复合型等，视钢管的壁厚等参数而定。

2 焊缝常见质量缺陷及成因焊接缺陷的种类很多，在不同的标准中也有不同的分类方法。

考虑到通俗易懂，便于与长输管道施工及检测方式紧密结合，本文只简单的将焊缝质量缺陷分为焊缝成型缺陷及微观组织缺陷两类。

其中焊缝成型缺陷指的是在管道焊口从组对到焊接完成后，可以同过肉眼或一些其他无损检测方式观测到的焊缝内部的夹杂、未熔合、未焊透等不符合要求的存在。

焊缝微观组织在管道施工中一般不进行检测，本文所指的微观组织缺陷主要是由于施工中不遵守焊接工艺规程、不进行预热或热处理等原因造成的焊缝内部达不到理想要求的组织，同时造成焊缝力学性能下降。

但此种组织在常用的射线无损检测中一般得不到底片影像显示。

本文主要讨论焊缝成型缺陷。

常见焊缝缺陷有咬边、夹渣、未熔合、未焊透、烧穿烧融、气孔、内凹、裂纹等缺陷。

其中对管道使用寿命影响最大的就是未焊透和裂纹等开口性缺陷。

2.1 咬边咬边主要是由于在焊接过程中熔敷金属未能盖住母材的坡口，在焊道边缘留下的低于母材的缺口。

浅短的咬边可以不做处理，但过深的咬边会对焊道力学性能产生严重的影响，产生应力集中，降低接头强度。

产生原因：1、电流太大，电弧过长，电弧力不集中导致熔池熔敷不到位。

2、焊条或焊丝的倾斜角度不正确，出现偏吹等情况。

3、手法不稳，摆动不到位。

2.2 夹渣夹渣是指焊缝中存在的熔渣、铁锈或其他物质。

其在焊道根部、层间均有可能存在，最常见的就是层间夹渣。

夹渣形状不同，大小不一，其中危害最大的就是呈尖锐形的夹渣，影响焊道的塑性，尤其是在焊道受拉应力时产生严重的应力集中。

产生原因：1、多层焊时焊丝、焊条等产生的熔渣没有清理干净，导致熔渣埋入焊道。

2、焊接电流较小，熔渣不能充分融化浮出熔池。

3、坡口太小，或上层焊道与坡口间形成了夹角，熔渣不能充分融化浮出熔池。

2.3 未熔合及未焊透未熔合是指焊接时焊道与母材坡口、上层焊道与下层焊道之间没有完全熔化结合形成的缺陷。

未焊透一般是指的根部未熔合，由于长输管道一般都是采用单面焊（除内焊机打底采取双面焊外），因此该类缺陷也是比较常见的，尤其是在电焊工施工经验不丰富的情况下。

未焊透对焊道的危害很大，它使焊道的有效截面积减少，同时由于属于开口性缺陷，又能造成严重的应力集中。

在管道进行下沟作业或承压很高的情况时，如果未焊透深度很深，还可以出现焊道沿未焊透处撕裂现象。

产生原因：1、坡口加工不规范，角度太小，间隙不够，钝边太厚。

2、层间清理过度，造成坡口被打宽，形成沟槽等。

3、手法不稳，电流较小，线能量输入太小。

2.4 烧穿烧融烧穿是指在焊接过程中，由于种种原因导致熔池熔穿前层焊道金属，使熔化金属自坡口背面流出，造成孔洞的缺陷。

烧穿使焊缝有效截面积变小，在管道受内压的情况下也会造成应力集中。

如果不做处理，在后层焊道的焊接中该处更容易出现烧穿，造成孔洞越来越深。

在仰焊部位，如果熔池将前层焊道金属加热至临界融化状态，由于金属重力指向本层焊道，因此不会造成烧穿，而出现金属塌落现象。

这种情况在射线底片上显示和烧穿影像差别不大，施工中一般称之为烧融。

产生原因：1、电流过大，热输入太大。

2、停留时间过长，摆动太慢。

3、电弧太长，电弧力太大。

4、层间清理打磨过度，导致前层焊道厚度太薄。

2.5 气孔气孔一般是由于熔池中的气体在熔化金属凝固时没有逸出所形成。

其形式有条形气孔、密集气孔、球形气孔、柱状气孔等（在长输管道焊接中，还有一种缩孔缺陷，其在射线检测底片上影像与气孔比较类似，但缩孔的形成一般是由于熔化金属凝固时液相变固相过程中的体积差所造成，与气孔有本质区别。

在管道施工中由于焊接工艺都比较成熟，故缩孔缺陷一般很少见，本文就不做讨论）。

气孔缺陷中除了一些深度很深的柱孔、面积很大的圆形气孔外，其他气孔的危害性一般都比较小，甚至还有止裂倾向。

产生原因：1、焊材、坡口不清洁，有铁锈油污等，焊材受潮。

2、电源电压不稳，电流不稳。

3、焊接速度太大。

4、保护方式不合适，如气保护焊时保护气流量过大或过小。

2.6 内凹内凹就是指焊道根部不饱满突出，向外焊道一侧凹进的缺陷。

其与烧穿烧融一样，都属于焊道厚度薄于期望值的缺陷。

长度一般要长于烧穿烧融，但产生原因有根本不同，内凹都是在焊道打底时产生，而烧穿烧融都是在根焊完成后，后续焊道对根焊道的破坏所造成。

其对焊道有效截面积也起到了减薄的影响。

产生原因：1、对口间隙太大，坡口太大，钝边太薄、根焊道太宽。

2、管道内部存在垂直焊缝的气流，如连死头时管道内“喷气”等。

这通常是由于管道内气体受温度影响膨胀，从焊道内喷出，影响焊接。

2.7 裂纹裂纹是焊接中危害性最大的一种缺陷。

由于其均有延伸性，在焊道存在内应力的情况下裂纹会一直延伸扩展，直至焊道破坏为止。

因此在长输管道的施工中，裂纹缺陷是不允许存在的，通常也不允许返修，必须割口重焊。

裂纹的形式也比较多样，在焊道及热影响区也都可能出现。

按照裂纹的产生原因将裂纹分为热裂纹(包括结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹)、冷裂纹（包括延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹）、再热裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹等。

由于管道施工时各种焊接工艺都是经过了严格的工艺评定，母材都是经过严格检验，一般不存在由于工艺、材料原因导致裂纹的情况。

在管道施工中裂纹产生基本都是由于工艺规程执行不到位、外部应力太大等情况造成，因此本文主要讨论容易由以上原因造成的结晶裂纹、液化裂纹、延迟裂纹。

2.7.1 结晶裂纹结晶裂纹是比较常见的一种热裂纹，一般是在焊缝凝固过程中所形成。

结晶裂纹只存在于焊缝中，多呈纵向或弧形分布在焊缝中心及两侧。

其主要产生原因是由于焊缝凝固时的先后时间顺序及组织成分不同。

熔池先结晶的部分纯度较高，后结晶的部分杂质和合金元素较多，导致最后结晶的部分熔点低，这些液相物质分散在晶粒表面，在最后凝固时由于冷却收缩的拉力作用，就在晶粒边界产生了裂纹。

由于焊缝冷却都是从坡口边向中心开始凝固，因此结晶裂纹都在焊缝中心及两侧产生。

最常见的结晶裂纹就是弧坑裂纹，一般焊接时把弧坑填满，多增加熔敷金属就可解决。

由此可见，结晶裂纹产生原因主要是由于熔池中杂质太多、冷却速度过快（速度快容易造成结晶成分的偏析）、外界应力太大所造成。

管道施工中焊材、母材都是经过严格检验，排除材料不合格因素外，熔池中杂质太多一般都是因不按规程多次返修造成。

不预热、强行组对也是造成冷却速度快和应力大的因素。

2.7.2 液化裂纹液化裂纹的形成机理基本和结晶裂纹相同，都是存在晶间低熔相或共晶，在液态变固态时由于冷却收缩在晶粒边界产生了裂纹。

但是液化裂纹一般是在多层焊时，母材二次或多次受热后，晶间层熔化重新熔化后形成的。

因此，在母材的坡口边缘及前层焊道的存在偏析处最容易出现液化裂纹。

在管道焊接中，如果无损检测底片显示裂纹出现在焊道层间，则通常都是这种情况。

液化裂纹的产生原因与结晶裂纹基本相同。

2.7.3 延迟裂纹延迟裂纹在管道施工中是最常见的裂纹。

它属于冷裂纹的一种，一般在焊后几小时甚至几天后才开始出现，并随着时间的推移逐渐增多和加长。

延迟裂纹的产生原因主要决定于母材的淬硬倾向、焊接接头承受的应力以及焊缝中的氢含量。

2.7.3.1 组织因素母材的淬硬倾向与组织晶粒越大，延迟裂纹的产生倾向也就越大。

由于晶粒粗大，相变温度降低，使晶界偏析现象严重。

增大了冷裂倾向。

同时淬硬组织里晶格缺陷多，进一步导致了冷裂纹的产生。

2.7.3.2 应力因素焊接接头承受的应力主要包括焊接时产生的内应力及焊缝外加的拘束应力。

焊接时热影响区金属膨胀，冷却时收缩所产生的体积差导致了热应力的产生，并且在焊缝相变时也存在一定的相变应力。

当存在不预热、预热不均匀、焊接线速度及热输入不稳等情况时，这种现象局部更为严重。

在管道施工中，只要严格按照焊接工艺规程施工，以上两种情况产生的应力均可以控制在一个可以接受的范围。

当在两个管口椭圆度相差较大而组对、管道处于角度太大的弹性敷设以及强力组对的情况下，拘束应力一般是产生冷裂纹的重要原因。

2.7.3.3 氢含量因素在高强钢的焊接中，氢是导致冷裂纹产生的重要因素。

焊接时，由于电弧温度很高，使焊材、空气、坡口的脏物等其中含有的水分分解，形成氢原子或离子进入焊缝熔池中。

当熔池快速冷却后，未来得及逸出的氢便以过饱和态留在了焊缝中。

由于过饱和氢很不稳定，因此会自发的向周围和大气中扩散。

氢的扩散速度与焊缝冷却速度、焊缝组织情况及应力方向有关。

通常在以上原因的共同作用下，氢一般是在焊缝的熔合线附近特别是应力集中的部位聚集，当达到一定的临界值时，就会诱发延迟裂纹产生。

综上所述，避免延迟裂纹的产生主要从减缓焊缝冷却速度、改善焊缝组织和减小焊接应力三方面进行控制。

常用的措施有：1）选用抗裂性好的钢材制作钢管，合理选择焊接材料及烘干，严格按照焊接工艺施工来确保焊缝的组织结构塑性和韧性。

2）严格按照工艺要求进行预热，冬季施工时应采取保温措施，必要时可以进行热处理或焊后加热。

3）严格控制组对应力，尽量不使用外对口器进行强制组对。

尤其是在管道进行连死头时，切不可采用千斤顶、吊管机上提、挖掘机下压等来调节对口间隙的强力组对方式。

3 焊道缺陷的返修处理焊接完成后，施工机组进行焊缝外观自检，合格后向检测公司进行无损检测申请（通常的检测方式都是射线检测和超声波检测）。