王瑞強，呂拴錄

(1.中石化國際事業(yè)有限公司，北京 100000；2.中國石油大學 機電工程學院材料系，北京 100249)

撬裝設(shè)備中含有“π”形管道，在對撬裝設(shè)備“π”形管等環(huán)焊縫進行焊接的過程中，工廠須采用點焊輔助支撐工裝(以下簡稱點焊工裝)在車床上進行夾持，才能實現(xiàn)管道旋轉(zhuǎn)焊接?，F(xiàn)有標準雖然允許點焊工裝，工廠采用點焊工裝也方便裝夾，但工裝點焊位置表面容易產(chǎn)生燒傷，使其組織發(fā)生變化，產(chǎn)生焊接應(yīng)力，進而可能產(chǎn)生焊接裂紋[1-6]。采取修磨措施之后，會使管道工裝焊疤位置壁厚變薄，甚至報廢。即使當時進行了無損檢測確認該部位不存在裂紋，但其仍然是薄弱部位，可能在使用過程中萌生疲勞裂紋。為此，筆者對點焊工裝的實施以及工裝焊疤部位的缺陷檢測和去除問題進行研究，并對工裝焊接部位進行了檢測。

1 試驗方案

1.1 試樣

采用φ89.00 mm×6.00 mm(壁厚)Q355D管線管工裝與4件φ219.08 mm×14.02 mm(壁厚)的L245N PSL2“π”形管道、6件φ406.40 mm×20 mm(壁厚)的L360N PSL2“π”形管道組對焊接形成點焊工裝接頭。

1.2 點焊工裝焊接方法

焊接方法采用氬弧焊+CO2氣體保護焊。

1.3 焊疤位置檢測方案

(1) 拆除工卡具時應(yīng)不損傷母材，同時應(yīng)將輔助支撐工裝焊疤部位殘余的焊疤打磨修整至與表面平齊，并采用磁粉檢測確認其無裂紋。

(2) 打磨之后工裝焊疤部位壁厚應(yīng)符合標準要求。筆者先后采用外觀檢驗及磁粉檢測方法對焊疤部位進行檢測，并對檢測效果進行分析。

2 工裝焊疤部位的外觀檢驗及磁粉檢測

對“π”形管道工裝焊疤部位進行了外觀檢驗，并采用著色劑進行了磁粉檢測，磁粉檢測技術(shù)參數(shù)如表1所示，無損檢測標樣標定結(jié)果如圖1所示。

表1 工裝焊疤部位磁粉檢測技術(shù)參數(shù)

圖1 無損檢測標樣標定結(jié)果

“π”形管道工裝焊疤部位外觀檢驗及磁粉檢測結(jié)果如表2所示，工裝點焊位置及焊疤形貌如圖2所示，焊疤部位裂紋如圖3所示。

表2 工裝焊疤部位外觀檢驗及磁粉檢測結(jié)果

圖2 工裝點焊位置及焊疤形貌

圖3 “π”形管工裝焊疤部位裂紋示意

3 分析與討論

3.1 點焊工裝材料與管道材料的匹配性

“π”形管所用的管線管和管件是L245和L360鋼級材料，點焊工裝采用尺寸φ89.00 mm×6.00 mm(壁厚) 的Q355D鋼管材料。依據(jù)標準NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評定》中5.1.2節(jié)的規(guī)定，“π”形管材料與工裝鋼管材料全部歸類為Fe-1類別材料，兩者滿足組對焊接要求。

3.2 “π”形管尺寸對工裝焊疤部位焊接裂紋的影響

兩種尺寸“π”形管工裝焊疤部位的檢測結(jié)果表明，4件φ219.08 mm的管道工裝焊疤部位沒有裂紋，而對6件φ406.40 mm的管道工裝焊疤部位進行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)2件有裂紋，其中1件焊疤部位有2處裂紋。這說明“π”形管尺寸越大，工裝焊疤部位越容易產(chǎn)生裂紋。其原因是“π”形管尺寸越大，質(zhì)量越大，在焊接過程中工裝焊疤部位受力越大，越容易產(chǎn)生裂紋。

3.3 焊接缺陷判定

3.3.1 裂紋判定

對10件 “π”形管道點焊工裝焊疤部位進行磁粉檢測，結(jié)果表明，2件焊疤部位存在表面焊接裂紋類缺陷(共3處)，打磨之后裂紋完全去除，壁厚符合要求。

焊縫的表面裂紋類缺陷包括裂紋和未熔合兩種。裂紋是金屬原子的結(jié)合遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙。未熔合是焊縫金屬和母材或焊縫金屬各焊層之間未結(jié)合的部分，可能表現(xiàn)為側(cè)壁未熔合、層間未熔合或根部未熔合。

該試驗在工裝焊疤部位發(fā)現(xiàn)的焊接裂紋是金屬原子的結(jié)合遭到破壞而形成的新界面所產(chǎn)生的縫隙，還是未熔合缺陷的縫隙，僅憑肉眼無法分辨，但通過金相分析或者掃描電鏡分析可以清楚辨別。由于成品管道不允許取樣進行金相分析或者掃描電鏡分析，該問題有待繼續(xù)研究。

根據(jù)標準NB/T 47013.4—2015 《承壓設(shè)備無損檢測 第4部分：磁粉檢測》 第9條規(guī)定，承壓設(shè)備不允許存在任何裂紋。

標準GB/T 20801.4—2020 《壓力管道規(guī)范》 第7.4.4節(jié)規(guī)定，焊接的工卡具材料宜與母材相同或為NB/T 47014—2015《承壓設(shè)備焊接工藝評定》規(guī)定的同一類別號。拆除工卡具時應(yīng)不損傷母材，拆除后應(yīng)確認無裂紋，并將殘余的焊疤打磨修整至與表面平齊。對于下列管道，應(yīng)對工卡具拆除部位進行表面無損檢測：① 鉻鉬合金鋼管道；② 標準抗拉強度下限值大于或等于540 MPa的焊接管道。

對10件“π”形管工裝焊疤部位進行目視檢查，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，判定為合格。但是采用磁粉檢測發(fā)現(xiàn)2件“π”形工裝焊疤部位存在裂紋，判定為不合格。打磨之后，復(fù)檢焊接裂紋已經(jīng)被清除，且壁厚符合標準規(guī)定，即判定為合格。

依據(jù)GB/T 20801.4—2020標準7.4.4節(jié)“定位焊縫”規(guī)定，φ406.40 mm×20.00 mm的L360N彎管工裝焊疤部位只需要外觀檢查，不需要進行磁粉檢測。如果僅參照上述標準，就會導致該彎管工裝焊疤部位的裂紋出現(xiàn)漏檢，造成極大的安全隱患。建議對標準GB/T 20801.4—2020中7.4.4節(jié)“定位焊縫”這一條做如下修改：焊接的工卡具材料宜與母材相同或為標準NB/T 47014—2015規(guī)定的同一類別號；拆除工卡具時應(yīng)不損傷母材，拆除后應(yīng)采用著色劑磁粉檢測并確認無裂紋，并將殘余的焊疤打磨修整至與表面平齊。同時刪除“對于下列管道，應(yīng)對工卡具拆除部位進行表面無損檢測：①鉻鉬合金鋼管道；②標準抗拉強度下限值大于或等于540 MPa的焊接管道?！?/p>

這樣修改之后，在執(zhí)行GB/T 20801.4—2020標準過程中就不容易產(chǎn)生異議。

3.3.2 工裝焊疤部位組織變化對管道力學性能的影響

點焊工裝焊接時采用的是熔化極氬弧焊+CO2氣體保護焊。鋼的熔點約為1 500 ℃，碳鋼焊接熔池溫度為1 450 ℃～1 480 ℃。在工裝點焊過程中，室溫管道工裝點焊位置熔池溫度突然升至1 450 ℃～1 480 ℃，然后再急劇降到室溫，不僅會使熱影響區(qū)組織和性能變差，而且會產(chǎn)生焊接熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，也易引起裂紋、氣泡、夾雜等焊接缺陷，這是焊接工藝本身的缺點。在隨后的管件環(huán)焊縫焊接過程中，這些焊接缺陷受力后還會擴展。如果采用機械式無損輔助支撐工裝，就可以避免點焊輔助支撐工裝存在的弊端，保證管道質(zhì)量不受影響，目前已經(jīng)有機械式無損輔助支撐工裝方面的專利出現(xiàn)。

4 結(jié)論

(1) 對10件“π”形管工裝焊疤部位進行宏觀檢查，結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但采用磁粉檢測發(fā)現(xiàn)有些工裝焊疤部位存在裂紋，且“π”形管尺寸越大，工裝焊疤部位越容易產(chǎn)生裂紋。

(2) 為了避免在執(zhí)行GB/T 20801.4—2020標準過程中產(chǎn)生異議，建議將其7.4.4節(jié)“定位焊縫”這一條修改為：焊接的工卡具材料宜與母材相同或為NB/T 47014—2011規(guī)定的同一類別號；拆除工卡具時應(yīng)不損傷母材，拆除后應(yīng)采用著色劑磁粉檢測并確認無裂紋，并將殘余的焊疤打磨修整至與表面平齊。

(3) 建議在進行“π”形管焊接過程中選用不傷害管道的非點焊輔助機械支撐工裝。