浅析钢质管道焊缝裂纹的成因及控制措施

摘 要：本文通过某燃气工程中钢管焊缝裂纹处理案例，分析裂纹成因，进而提出控制措施，为后续工程的钢管焊接质量控制提供了有益借鉴，有效地确保燃气工程质量。

关键词：焊缝裂纹；成因分析；控制措施

由于燃气管道输送的是易燃、易爆的气体介质，因此对于管道连接的质量要求较高。目前不同材质的燃气管道连接形式主要有：焊接、丝接、压接、法兰连接等，其中以钢质管道焊接形式应用最多。在钢管的焊接过程中，有时会出现一些隐性质量缺陷，如不及时发现和修复，将给燃气输配运行留下严重的安全隐患。因此，如何把好钢管的焊接质量关，一直是燃气工程管理者最关注的问题。

1 钢管焊缝裂纹事件概述

2016年笔者曾负责组织一个小区燃气工程施工，小区总共1200户，埋地管使用的是PE管，出地后经钢塑转换变为使用无缝钢管（20#钢），包括引入管、架空管、立管及进户支管等，管径有Φ57、Φ38、Φ32、Φ22，采用的是手工电弧焊方式，使用J422焊条。在进行试压时陆续发现有低压系统燃气立管焊缝出现裂纹，经最终排查，总共发现有58个焊缝出现裂纹，且基本都发生在进户支管在立管上开孔焊接的角焊缝。这样成批出现焊缝裂纹实属少见，如若处理不好将是一起严重的质量事件，因此，笔者立即采取了以下处理措施：1）现场割取3个焊缝缺陷样品以及收集未使用完的电焊条备检；2）为不影响工程工期，立即安排技术人员在现场指导焊工对缺陷焊缝进行修复，以确保修复质量；3）组织技术人员进行焊缝裂纹成因分析。

2 钢管焊缝裂纹成因分析

本次寻找焊缝裂纹的成因主要从三方面着手：母材质量、焊条质量、焊接操作。母材质量。经送检现场取回的钢管样品，鉴定报告给出的结论是母材的物理性能达标，以及五大元素达标。焊条质量。经送检样品，鉴定报告给出的结论是符合规范要求。

通过查阅资料可知，钢材焊接中遇到的裂纹通常有以下三类：热裂纹：在高溫下产生，而且都是沿奥氏体晶界开裂；它的主要形态是结晶裂纹，即焊缝在结晶过程中，在固相线附近由于凝固金属的收缩，晶粒间的液态薄膜承受不了拉应力，以致沿晶界开裂。冷裂纹：是在相当低的温度，即在钢的马氏体转变温度附近约200-300℃，由于约束应力、淬硬组织和氢的作用，焊接接头产生的裂纹，即属冷裂纹。脆裂（亦称脆断）：在温度急剧下降时由于金属及焊缝变脆而发生的低应力破坏的现象，即称为脆裂。本工程地处三亚，常年高温且温差变化不大，因此从裂纹分类来讲此次焊缝裂纹应属热裂纹。

焊缝是焊条和母材两者经过电流高温熔化后形成，是焊条和母材由固体变成液体，也就是由固态变成液态（通常称为铁水），再由液态变成固态，高温液体是热胀，冷却变成固体是收缩。液态变成固态的过程，也就是铁水变成晶粒的过程就是结晶过程。母材温度低的位置先开始结晶，逐渐向焊缝中间位置伸展，焊缝中间最后结晶。从热裂纹的产生原理来看，是在焊缝结晶过程中受不利因素影响而产生。经咨询行业专家，并结合焊接工艺分析，一般认为焊缝开裂由以下因素影响：应力、拘束力、刚性、化学成分、组对间隙、电流、焊道、母材清洁度等。可能是某种因素造成，也可能是多种因素造成，这就必须要找出造成焊缝开裂的主要因素和次要因素，最终根据主要、次要因素采取相应措施进行解决。

在对本工程施焊焊工的问询过程中，了解到焊工曾发现有些焊缝在自然冷却过程中就出现细小裂纹；因此，在根据检测报告排除母材和焊条因素影响后，基本可确定应力是本批焊缝开裂的主要影响因素。至于产生应力的原因，则应从焊接工艺、现场管道组对、焊接操作等方面去分析并采取控制措施予以避免。

2.1 焊接工艺分析

本工程焊接钢管为20#无缝钢管，规格为Φ57×4、Φ38×4、Φ32×4、Φ22×3，选用的是：J422焊条，手工电弧焊方式，V型坡口，两层焊，因工程地处三亚，设计未要求焊接预热和焊后热处理。上述工艺符合公司制定的焊接工艺评定和焊接工艺规程要求，但不排除焊工实际操作时有漏打坡口情况。

2.2 管道组对分析

本次焊缝裂纹主要集中于进户支管在立管开孔处的角焊缝（如图“┣”），因此主要对立管与进户支管的组对焊接进行分析。进户支管规格均为Φ22×3，立管为Φ38×4、Φ32×4两种规格。为避免在立管上开孔过大导致立管变形，现场实际开孔尺寸均小于支管外径，因此支管连接形式均采用安放式焊接支管。三亚是一座候鸟型城市，很多住户常年不在三亚，为便于安检和维护，三亚的燃气立管设计多数采用户外立管形式，因此立管和支管安装需要在高空作业完成。在管道组对时，为保证横平竖直，作业人员通常先将立管固定于外墙面，然后将预制好的进户支管与立管对接定位，做好标记后在立管上进行电焊开孔，最后将支管用管卡辅助固定再与立管组对焊接。如严格按此操作执行，一般不会有因重力作用或强力组对而产生的破坏应力出现。但不排除焊工因开孔位置偏差而采取强力组对的情况出现。

2.3 焊接操作分析

在进行焊接操作时，除上述因素外，影响焊接质量的因素还有：气候条件（温度、湿度、风速、雨天等），焊工水平（是否取证、持证，具备焊接压力管道的资格和能力），焊接参数（是否按照焊接工艺规定设置焊接参数，而不是凭经验随意调整）。经查证施工日记可证明施焊时的气候条件符合要求，焊工均持证上岗且从业多年，并且焊工均说明在同一工程中经试焊确定的焊接参数不会随意调整。但不排除焊工在高空施焊时，因操作不便、视线受限等原因导致缺陷产生。

3 控制措施

完善焊条管理制度，加强采购、保管、烘烤、领用、回收等环节管理。如焊条在使用前应放入烘烤箱在100～150℃温度下烘焙1-2小时，从烘烤箱取出后应立即放入焊条保温桶带到现场使用，当天未用完的焊条应重新放回烘烤箱保温。焊条在保管和使用过程中应避免被污染。

在条件允许的燃气工程施工中，在地面完成立管和支管的焊接预制，等待完全冷却后分段吊装，避免因重力作用或强力组对产生应力导致焊缝裂纹。

焊接操作时注意事项：电焊吹孔后必须对孔内侧进行打磨，由于吹孔已经改变了孔周围的金属结构，势必会残留一些焊渣、毛刺甚至熔流颗粒等。这些残留物在加热后结晶，物理性能已经发生了变化，同时里面可能残留了金属表面的铁锈或氢化物。如果不清理干净，在第二次焊接时会发生化学反应，导致冷却过程中应力的不同进而可能造成焊缝开裂。

开孔处的焊缝组对间隙不能过大，采用小规格电焊条、小电流顺焊缝的一边贴着焊，根据焊缝预留间隙大小、母材厚度、焊缝深度来决定。

定位焊：定位焊缝的长度、厚度和间距的确定，应能保证焊缝在正式焊接过程中不开裂；在根部焊道焊接前，应对定位焊缝进行检查，当发现缺陷时，应处理后方可施焊。分层焊：先采用小电流对焊缝处进行第一层焊接，第一层焊接完成后紧接着进行第二层焊接，层间接头应错开，焊完后整个焊缝的高度要大致一样，不能形成大面积的堆焊或少焊。焊接时要注意引弧和收弧质量，收弧处确保弧坑填满，防止弧坑火口裂纹。每条焊缝尽可能做到一次焊完，若被迫中断时，应及时采取防裂措施，确认无裂纹后方可继续施焊。

在重点加强焊接工艺控制的同时，也应加强管材采购环节和验收环节的控制，从源头防止不合格管材流入，这是保证工程质量的前提。

4 结束语

在本次焊缝裂纹处理过程中，虽然送检管材未检出不合格成分，但因目前海南省内检测机构只检测碳素钢的五大元素，因此不能完全排除该批管材中可能含有影响焊接性能的其它杂质。为稳妥起见，燃气公司最终更换了管材供应商，并计划针对小管径的立管焊接重新组织焊接工艺评定，据此修订焊接工艺规程，以更好地管控工程焊接质量。

作者简介：

李彦（1975- ），男，汉族，身份证号码：511181197505084411，四川峨眉山人，大学本科，工程师，研究方向：城市燃气。