不锈钢管道焊接工艺不规范所引起缺陷分析与对策

陈泽民，高虹，沈卫强， 陆训伟， 李轶

（江苏武进不锈股份有限公司 江苏  常州  213111）

摘要：本文就焊接过程中由于不规范操作而导致的工程问题作避免性阐述。 1、焊接过程中电极连接时，与工件连接的非焊接端应采用牢固可靠的连接。不可靠的连接，焊接时将产生间断性打弧，从而在工件上产生电弧坑，甚至直接击穿工件厚度。2、焊接过程中的工艺固定点及辅架连接应采用合理的焊接固定工艺（设备固定及预焊固定），否则将导致固定点出现焊接坑及扩散性裂纹。

关键词：工程焊接  可靠  弧坑  裂纹

焊接作为工件联接的基本方法，已广泛应用于国民经济各领域，特别是石油开采、输送和炼化、核电、化工、电站锅炉、海工和船舶等大中型工程项目，其承压设备及压力管道是一项大规模的焊接工程，焊接质量将直接决定整个工程的质量水平，也是保障工程可靠运行的关键。焊接作为保证承压设备（压力管道）可靠联接的技术性和极具规范性的系统工程，焊接操作方法不当会对焊接处的不完整性（焊接缺陷）以及焊接过程中引发的材料不完整性都将直接导致工程出现问题及隐患。因此分析由于工程焊接过程细节导致工程材料失效的原因和避免产生类似问题是很重要的研究课题。

目前，随着承压设备（压力管道）的抗压性、耐极限温度、耐蚀性和综合力学、理化性能的提高，牌号和极限规格不断升级和扩展，产品从常规的低合金管道，逐步向高品质不锈钢、超级奥氏体不锈钢、双相及级双相不锈钢以及镍铜、镍铬铁、镍基合金管道升级，这些特殊管材的制造和现场施工对焊接工艺方法提出更高的要求。因此，通过健全焊接操作工艺可有效地规避焊接过程各种缺陷的产生，可有效地提升焊接品质。

1焊接电极连接应可靠，避免产生有害电弧。

焊接电弧是由焊接电源供给的，具有一定电压的两极间或电极与母材间，在气体介质中产生的强烈而持久的放电现象。对焊口的电弧是我们需要的，有用的电弧。另一端非焊接

图1、 焊接回路示意图   

口的电极与母材的连接只起到构成焊接回路的作用，不能有电弧产生（图1）。因此，非焊接点的电极连接必须是一个可靠的连接，其不能在焊接过程中由于移动、松动而引发打弧而烧灼工件。

1.1电极与管体连接不当案例1

在工程现场，往往由于工期紧，焊接量大，焊接人员为贪图方便对于非焊接端的连接随意一搭。图2的连接属管道外表面非可靠性连接。

图 2、放置于管子外表面的电极

在焊接过程中由于震动、拖拽导致连接点产生间断性打弧，电流在通路到断路，又从断路到通路，期间交变电流不断的产生电火花从而造成电击，在工件表面形成的交变性电火花不断的烧灼工件，并不断深入。工件受电弧烧灼产生弧坑后从外表面向内部扩展，最终形成贯穿性缺陷。

某工程现场管道从外表面电弧击穿后导致介质泄漏，最终造成管道失效，设备被迫停止运行，泄漏状况见图3.1、3.2、3.3。

图3.1 装置运行时管道中介质泄漏实况

     图3.2 外表面烧灼后曾被打磨的状况         图3.3 解剖后观察到内表面烧灼弧坑       

1.2电极与管体连接不当案例2

在工程现场，焊接人员违反焊接规范要求，把非焊接端的连接电极接头随意放置在管道内孔而不加固定（见图4）。

图 4、接头随意放置在管道内孔

以上连接在焊接过程中由于震动、拖拽导致连接点在管道内壁打弧形成弧坑后从内壁向外表面逐步扩展，最终形成贯穿性缺陷。

某工程现场在设备试运行时发现介质泄漏。从管道泄漏处的外表面发现了打弧而形成的被烧灼后的焦黑色很是明显，管道被切开后观察，内表面发现已形成多个电弧烧灼产生的弧坑（见图5）。这进一步说明此类不可靠的连接方式造成了严重的质量问题，以及存在装置运行初期没有被暴露的质量隐患。

图5、内外表面明显烧灼的弧坑

1.3焊接电极与管体规范连接措施

以上两种不可靠的焊接电极连接给工程装置造成了严重的运行故障及隐患。采用带夹紧装置的连接器或连接到引弧板等不影响母材本体的位置的连接是规范的，也是工程焊接过程必须严格执行的工艺规范。正确的连接方式示例见图6。

图6、带夹紧装置的可靠连接

2工程焊接中的辅架焊接和工艺固定焊接必须规范、合理。

2.1某工程现场管道和管托固定焊接时，未制定合理的焊接工艺，以及未采用有资质的人员焊接，导致多处焊接口或热影响区产生裂纹，最终装置运行时多处泄漏。

从现场的焊缝状态观察，焊缝成形较差（见图7），很明显焊缝没有形成均匀，良好的表面。可见焊接时焊速不稳，熔深不均匀，导致局部受热过大而产生过烧，局部热量输入过小而熔合不良，并形成了较大的焊接内应力。

图7、泄漏处焊缝形态

现场实拍焊接状态，由于工程现场对管托等非主要部件的焊接工艺不规范，认为这些部件的固定焊不会影响装置的运行，但是往往这随意的一焊，给整个工程装置的运行产生决定性的影响。

截取一段带有泄漏焊缝的管道（牌号TP304)进行规范性的模拟焊接，并进行金相试验比对，证实工程现场焊缝热影响区存在热应力引起的网状裂纹，而规范性焊接的两处焊缝及周边均未出现有害缺陷。

在失效管道未焊有管托的地方，我们分别以牌号为TP304和S32205管料为管托进行了模拟焊接。图8为焊后样管的整体宏观形貌。

图8、焊后样管的宏观形貌

2.1.1取样

取样部位如图8所示：1#—工程现场焊管托处；2#—规范性模拟焊304管托处；3#—规范性模拟焊S32205管托处。

2.1.2 宏观形貌

1#、2#、3#试样的宏观形貌分别如图9.1、9.2、9.3所示：

    图9.1                      图9.2                       图9.3

2.1.3 管托处焊缝的微观形貌

1#、2#、3#试样的宏观形貌分别如图10.1、10.2、10.3所示：1#试样焊缝热影响区处存在网状裂纹；2#试样、3#试样焊缝及周边未发现缺陷。

 图10.1   1# 工程现场管托焊缝微观形貌    X100

图10.2   2# 模拟焊TP304管托焊缝形貌   X100

图10.3   3# 模拟焊S32205管托焊缝形貌   X100

2. 1.4再次解剖问题焊缝处纵截面，低倍形貌、显微组织分别见图10.4、图10.5。近缝区管托和管子均存在大量微裂纹，微裂纹沿晶界由表面向管子或管托基体扩展。

横截面                                         纵截面

图10.4低倍形貌

图10.5  焊缝附近管子和管托显微组织（纵向截面）

从来样观察，焊接质量不佳，焊缝宏观存在较严重咬边缺陷。近焊缝区管子和管托存在大量沿晶裂纹，由表面向基体扩展，扩展深度近2 mm（管材壁厚2.87mm），不排除其它近缝区存在贯穿性裂纹的可能。

对部件的化学成分、拉伸性能、压扁性能检测，均满足相关标准的要求；非金属夹杂物、晶粒度均未见异常。推测，管子和管托对焊处沿晶裂纹的产生可能与此处的拘束应力、焊接工艺或焊接质量有关。这种沿晶裂纹应是造成此次泄漏的直接原因。

因此，工程现场焊接中的辅架焊接必须制定规范、合理的工艺，以及同样需要有资质的人员来实施焊接。从而避免焊接时引发裂纹等缺陷，给整个工程带来质量隐患。

2.2工程焊接过程中设备临时固定及辅助工艺焊接必须规范、合理。

工程安装有时需要临时固定设备和工具等，安装人员为图方便，随意把设备或工具与现场装置部件焊接在一起，工序完成后便打磨拆除，从而留下质量隐患。

某工程现场钢管安装时做着色渗透检测，发现钢管(TP304L-219.1*15.09)外表面打孔周围存在多处细小裂纹,发现问题后对缺陷部位进行了原因分析。

2.2.1宏观形貌，部件表面发现较多裂纹。见照片1,2

      照片1  外表图       X10                     照片2  截面图      X10

2.2.2金相观察

磨制部件缺陷处金相观察结果如照片3，4，5，6。照片3：裂纹由钢管外表面产生，向内部发展；照片4：裂纹处组织为铸态组织；照片5，6：钢管基体晶粒5.0级，铸态组织与奥氏体组织交接处奥氏体组织有过烧晶界；

       照片3  外表面裂纹                        照片4  铸态组织（焊接）处裂纹        

     照片5   基体晶粒                          照片6    过烧晶界

2.2.3 问题分析

裂纹在铸态组织中产生，而TP304L钢种通过固溶后的金相组织是均匀的奥氏体组织，铸态组织为后加工过程中产生（如焊接）。可以分析得出此处被进行过焊接类加工，此处焊接是异种钢焊接，并且施焊前未进行相关的焊接工艺评定。经过现场确认，出现问题的部位确实在固定钻孔设备时被临时焊接过，且没有采用合理的焊接工艺，从而在焊接过程中出现热裂纹并在焊接区域及周边扩散，最终裂纹对部件造成了严重的损伤，使部件无法被继续安装使用。

2结论

⑴工程焊接过程中，电极的连接必须采用可靠的连接，才能有效避免由于连接点松动打弧而烧灼部件形成弧坑等不利因素，防止产生部件失效和运行中提前失效的质量隐患。有效避免由此而引发的工程装置被迫停止运行，避免引发公共危害性事故。

⑵工程焊接过程中设备临时固定及辅助工艺焊接必须采用规范、合理的焊接工艺，从而有效避免部件被引发裂纹等缺陷，防止造成部件失效和运行中提前失效的质量隐患。有效避免由此而引发的工程装置被迫停止运行，避免引发公共危害性事故。

3参考文献

[1]金属管道焊接工艺便携手册   柳金海 陈百诚 编   机械工业出版社 2005年1月

[2]国际焊接工程师（IWE)/国际焊接技术员（IWT) 培训教程 （2006-2007年版） 主编：钱强 哈尔滨焊接技术培训中心  2007年3月

[3]GB/T 13305-2008 不锈钢中α-相面积含量金相测定法 中华人民共和国国家标准 2008版