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            直縫埋弧焊管橫向裂紋探傷分析

            閱讀次數[] 發布時間:2014-3-29 10:37:19

             

            摘要:簡要介紹了水柱式(射流)超聲波探傷的工作方式及原理。分別采用手動超聲波探傷、X射線拍片、熒光磁粉檢查及金相分析等方法,對X65級準660 mm×12.7 mm直縫埋弧焊管生產過程中發現的焊縫橫向裂紋進行了分析及識別。分析了橫向裂紋的形成機理,并通過控制焊縫中S和P等有害雜質元素的含量,優化焊接工藝,做好焊接前原料(如板邊坡口)的除銹等,改善焊接環境等措施,可有效防止和消除焊縫橫向裂紋的產生,保證焊管焊縫質量。
            1水柱式(射流)超聲波探傷簡介
                在直縫埋弧焊鋼管生產檢驗過程中,存在于焊縫中危害最大的缺陷是裂紋等線性缺陷。為保證鋼管焊縫的內在質量,必須要準確地檢測到焊縫的裂紋缺陷,并有效控制裂紋的產生。渤海裝備巨龍鋼管有限公司生產直縫埋弧焊鋼管時,要對全焊縫進行100%在線超聲波探傷,探傷時采用水柱式(射流)耦合。水柱式(射流)超聲波探傷是在探頭和鋼管之間通過射流水柱進行耦合,水柱高度一般在5~10 mm之間。調整探頭縱波的入射角(一般控制在18°~22°之間),使探頭發出的縱波聲束通過水鋼界面入射到鋼管焊縫中,再通過波形轉換實現對鋼管焊縫的探傷。
                水柱式(射流)超聲波探傷工作方式及原理如圖1所示。
            為了檢測直縫埋弧焊鋼管焊縫或熱影響區的橫向缺陷,在實際工作中采用2個橫向探頭騎在焊縫上進行掃查。探頭發出的縱波聲束通過水鋼界面,使鋼中橫波探頭折射角βs=45°,從而實現對焊縫中橫向缺陷的純橫波探傷。
            2 超聲波自動探傷時發現的問題對
            X65級準660 mm×12.7 mm直縫埋弧焊管焊縫進行超聲波自動探傷時,連探橫向探頭報警,連探圖形顯示橫向缺陷,如圖2所示。此類缺陷有以下特點:①缺陷在擴徑、水壓前的1#超聲波自動探傷檢測過程中被發現,表明該缺陷在焊接后就已存在;②在檢測焊縫內表面時,橫向探頭發現該缺陷,缺陷波形獨立并超出報警極限;③受此類缺陷自身深度或角度以及透照方向的影響,X射線拍片有時能發現,但拍出的底片影像模糊,失去缺陷的基本特征。
                為了準確判別這類缺陷的性質和成因,分別采用超聲波探傷、X射線拍片、金相組織分析等方法進行了研究。
            3無損探傷驗證
            3.1超聲波手動探傷
                對在線超聲波自動橫向探頭報警處進行手動超聲波復查,采用便攜式超聲波手探儀CTS-22,配2.5P8×12K1斜探頭進行橫波探傷,發現鋼管焊縫內表面及近表面處存在橫向缺陷。缺陷波形分析如下:
            (1)     缺陷當量。反射回波為準1.6 mm—100%+(6~12 dB),按照API SPEC 5L標準為超標缺陷。缺陷回波高度高、波幅寬,在缺陷兩側均可探到。焊縫內表面及內近表面處存在的橫向缺陷,在示波屏上第1和第3次都有獨立回波出現,尖而獨立,如圖3所示。
            (2)缺陷波根寬度。波根寬度約3 mm,轉動探頭角度,缺陷回波高度有變化,說明缺陷有圖2在線自動探傷顯示的橫向缺陷波形一定的角度或方向。
            (3)該報警處缺陷位于焊縫表面或余高內,缺陷呈橫向,大部分在焊縫邊緣向中心方向延展,且在焊縫邊緣焊趾處橫向2~4 mm,長度較小。
            3.2 X射線拍片采用XY225-7.1/2.8 X射線拍片系統對超聲波探傷確定的缺陷部位進行X射線拍片,通過多次調整X射線束傾斜透照,透照時射線束方向與該缺陷深度方向平行,發現底片上缺陷形貌如圖4所示。
                該缺陷細節特征:輪廓分明的黑線,線有微小鋸齒,有分叉,粗細黑度有變化;該缺陷產生于焊縫邊界而延伸于焊縫熱影響區,有一定走向垂直于焊縫邊界。
            3.3熒光磁粉檢查
                對超聲波手動探傷不合格焊縫部位進行熒光磁粉檢查,發現焊縫外表面可見清晰的磁痕顯示,長度約2~4mm,磁痕濃密清晰可見,呈直線狀且垂直于焊縫方向,判定為焊縫表面橫向裂紋缺陷。
                 根據上述檢驗結果,對判定不合格的焊縫部位處取樣進行金相分析,裂紋微觀形貌如圖5所示。
                圖5(a)為裂紋的整體形貌,裂紋從焊縫表面向內部延伸形成開裂,中間的黑色孔洞中仍有小塊黃色物質殘留,疑為未完全脫落的Cu。圖5(b)為焊縫內缺陷微觀形貌,該缺陷呈閉合條狀,缺陷右下方為殘留的黃色物質,在光學顯微鏡下清晰可見。這些殘留物質一方面可能為制樣過程中摩擦導致的不完全脫落,此時以夾雜物的形態存在;另一方面也可能該物質已經與周圍介質脫離,存在空隙形成開裂,取樣加工過程中雜質自行脫落。
                在對試樣進一步掃查時發現在焊縫表面以下的淺層位置中存在大量呈曲線分布的黃色物質以夾雜物形態存在于焊縫金屬中,夾雜物邊緣在光學顯微鏡下為黑色,已經形成開裂,如圖6所示。
                 將試樣進行電鏡掃描分析后確認,焊縫中的黃色物質為Cu的大量聚集,該處w(Cu)達到79.7%,另有11.8%的Zn存在,造成裂紋出現的原因應為焊縫中混入了黃銅合金。
            4成因分析
            4.1裂紋機理
                從裂紋形態看,結合以往經驗,裂紋屬于典型結晶裂紋,其產生有兩個必要條件:①冶金因素,焊接過程中(熔池階段或焊縫紅熱狀態下)有低熔點雜質進入;②應力作用。
                焊接應力在焊接過程中是不可避免的,因此,要控制熱裂紋,主要應控制低熔點雜質的進入及成分偏析。造成結晶裂紋的低熔點物質主要有Cu,Zn,S和P等。從分析結果來看,Cu及銅合金是造成橫向裂紋最主要的低熔點物質。這些Cu及銅合金可能來自鋼板自身的Cu偏聚和外部的Cu污染。
                針對鋼板自身Cu聚集的可能情況,巨龍鋼管公司已經與鋼廠進行了深入的交流。從冶金角度分析,鋼板成分中Cu含量很低,基本不會出現Cu在焊材中大量聚集的情況。如果Cu來自鋼板內部的成分偏析,應該在熔合線位置有殘留的Cu。另外Cu的體積質量大于鋼,在熔池中難以浮出,凝固后在熔池的中下部位置應該有夾雜物形態的Cu。從取樣分析結果來看,裂紋只存在于熔池表面和表面以下很淺的位置,因此,基本排除鋼板自身Cu偏聚的可能性。
                外部的Cu污染有兩種可能:鋼板吊運過程中表面接觸Cu和焊接過程中有Cu進入。而鋼板在吊裝過程中并沒有與Cu接觸的環節,因此就排除了鋼板吊運過程中表面接觸Cu的可能。
                針對這種橫向裂紋,長期以來已經采取了諸多措施防止焊接過程的Cu污染。為杜絕Cu源,生產線上使用不鍍Cu焊絲,更換新焊劑。根據檢驗報告,Cu和Zn在缺陷處聚集,這兩種元素是銅合金的主要成分,因此懷疑焊縫中Cu的聚集可能為外部進入溶池的銅合金所致。焊接崗位的導電桿材質為銅合金,在送絲過程中套在焊絲外的白管有時會被磨穿,如不及時更換,焊絲會繼續磨損導電桿內壁,從而使導電桿內壁磨掉的Cu屑脫落混入焊劑,在焊接過程中接觸焊縫表面,形成裂紋。
            4.2 Cu源進入焊縫的途徑
                埋弧焊過程中焊縫形成及Cu裂產生示意如圖7所示。在焊接過程中,外部Cu源(焊絲鍍Cu、導電嘴、導電桿Cu磨損)從導電嘴內孔灑落在焊劑上,隨焊劑循環使用混入其中,并有機會接觸液態熔池及高溫焊縫表面,滲入熔池或焊縫表面產生裂紋。
                之前的分析認為,Cu進入焊接熔池與液態金屬混合在一起未能浮出熔池形成偏聚和開裂,因此,在工藝調整中以增加熔池作用力為主,希望通過加強熔池的攪拌作用使Cu完全浮出熔池,避免在焊縫中的凝固聚集。
            鋼廠在連鑄工藝中出現過由于Cu板磨損導致Cu掉落在板坯表面形成開裂的現象,同樣,彎管廠也出現過類似的情況。據此推斷,當鋼的表面溫度高于Cu熔點時,Cu可能以液態形式通過滲透作用進入鋼基體,在晶界處快速擴散凝固后形成滲透裂紋。
            圖8為焊縫表面Cu的聚集形態。圖8(a)中Cu完全聚集于焊縫表面,界線分明,不符合熔池中雜質浮出時經常帶有的凹凸狀界面,說明Cu接觸焊縫表面時焊縫已凝固(屬于圖7中A-B段);圖8(b)中Cu不但在焊縫表面聚集,在表面以下也有分散存在,且Cu與焊縫的分界面凹凸不平(可能在圖7中A-D段發生)。
            5橫向裂紋控制措施
            5.1冶金方面
            5.1.1控制Cu源
                針對Cu的來源,采取的控制措施為將內外焊崗位送絲機構中的白管更換為彈簧管,利用彈簧管的耐磨性保護導電桿內壁不受磨損;使用端頭為耐磨合金的國產導電嘴,減少導電嘴磨損;全面清理內外焊機頭和送絲機構;及時更換新焊劑,保證焊材和設備的清潔。
                根據Cu進入焊縫的形成機理來分析,焊接線能量和焊接時間的增加使熔池和溶渣尺寸變長,焊縫表面溫度升高,增加了焊縫、溶渣的冷卻時間,從而為Cu的滲入提供了時間,有利于Cu進入到焊縫內部。另外,焊絲絲距過大同樣使熔池長度增加。針對以上分析,可以在保證焊接質量的前提下適當調整焊接工藝,即適當降低焊接電流,提高焊速,減小絲距。
            5.1.2控制焊縫中有害雜質的含量
                從理論分析可知,S,P和C等為有害雜質,S和P等元素不僅能形成低熔點共晶物,而且還能促使偏析,是產生熱裂紋的主要因素之一。因此,應提高焊劑堿度,有效控制S,P和C等有害雜質,防止或降低裂紋的產生傾向。
            5.2工藝控制
                裂紋產生需要兩個條件,即低熔點物質的存在和應力作用。橫向裂紋的產生和擴展受縱向拉伸應力的影響,通過改變工藝改善焊接時的應力狀態,也可以防止橫向裂紋的產生。適當增加焊接線能量,減小焊縫金屬應變率,同樣可以降低裂紋傾向。但由于一定壁厚的鋼管焊接參數相對固定,調整工藝必須在保證焊縫性能及宏觀形貌的前提下進行。同時增加線能量即增加了銅滲入焊縫的機率,以往的統計結果表明,增大線能量有增多裂紋產生的趨勢,不建議采用。工藝調整應首先保證焊縫溶透深度,在此基礎上向減小線能量方向調整。
            5.3 做好焊前準備工作
                焊接前要做好鋼板和坡口處的除銹,將焊劑加熱到規定溫度,并按規定時間進行烘干和保溫。焊接過程中要注意焊接環境的清理。6結語對直縫埋弧焊鋼管生產過程中產生的焊縫裂紋(銅裂)進行探傷、金相分析和識別,并在冶金和工藝方面采取了適當的控制措施,有效防止和消除了焊縫橫向裂紋的產生,保證了鋼管產品的焊縫質量。
            關鍵字:
              產品分類: 大口徑 結構 厚壁 管線 油管 套管