成 浪 陳亞文 周顯元

（湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 長(zhǎng)沙 410117）

2022 年3 月2 日，筆者和同事在某游樂(lè)場(chǎng)內(nèi)對(duì)1臺(tái)某廠新生產(chǎn)的滑行車(chē)類(lèi)大型游樂(lè)設(shè)施進(jìn)行軌道對(duì)接焊縫探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)，其軌道對(duì)接焊縫存在細(xì)小裂紋。繼續(xù)打磨后復(fù)探，發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)大呈蛛網(wǎng)狀，按照作業(yè)指導(dǎo)書(shū)的要求進(jìn)行擴(kuò)探50%，發(fā)現(xiàn)軌道對(duì)接焊縫存在大量焊接裂紋缺陷。隨即要求生產(chǎn)單位對(duì)軌道對(duì)接焊縫進(jìn)行100%無(wú)損探傷。

1 問(wèn)題描述

按照《游樂(lè)設(shè)施監(jiān)督檢驗(yàn)規(guī)程（試行）》中2.5項(xiàng)的要求，對(duì)20%的軌道對(duì)接焊縫進(jìn)行磁軛法探傷[1]，使用A1-30／100 型標(biāo)準(zhǔn)試片，靈敏度符合要求。經(jīng)過(guò)探傷發(fā)現(xiàn)，圓形軌道對(duì)接環(huán)焊縫存在多處明顯裂紋。后期對(duì)全部軌道對(duì)接焊縫進(jìn)行100%的無(wú)損探傷發(fā)現(xiàn)，裂紋主要分布在第11 至第18 立柱之間的軌道對(duì)接焊縫，為坡度較大的部分。裂紋主要集中于焊縫旁邊1 ～5 mm 處（ 見(jiàn)圖1、 圖2）， 位于焊接熱影響區(qū)。

圖1 軌道對(duì)接焊縫裂紋1

圖2 軌道對(duì)接焊縫裂紋2

根據(jù)生產(chǎn)單位設(shè)計(jì)要求，安裝時(shí)在軌道對(duì)接處加裝了一個(gè)φ65 mm×3 mm 的內(nèi)襯環(huán)，但是與軌道內(nèi)壁之間存在間隙。當(dāng)軌道對(duì)接焊縫裂紋完全開(kāi)裂時(shí)，內(nèi)襯環(huán)只能起到一時(shí)的支撐作用，很可能會(huì)直接從軌道對(duì)接處脫落，無(wú)法持久起到支撐保護(hù)作用。這對(duì)于設(shè)備的運(yùn)行安全以及乘客的人身安全是一個(gè)極大的安全隱患。

2 焊接工藝及檢驗(yàn)要求

根據(jù)生產(chǎn)單位的焊接工藝要求，軌道對(duì)接焊縫焊接方法為SMAW 手工電弧焊，坡口夾角為60°，坡口深度為2 mm，分內(nèi)外兩道。焊接材料為J422（即E4303）焊條，要求焊條受潮嚴(yán)禁使用，需經(jīng)過(guò)150 ～170 ℃烘焙后使用，保溫時(shí)間為30 ～60 min。焊接過(guò)程如下：

1）焊前檢查，清除被焊處附近 20 mm 范圍內(nèi)油、銹、水等雜物直至露出金屬光澤，檢查坡口角度及尺寸。

2）組對(duì)檢驗(yàn)，坡口間隙、錯(cuò)邊量等應(yīng)符合設(shè)計(jì)圖樣規(guī)定及施工要求。

3）點(diǎn)焊固定，點(diǎn)焊長(zhǎng)度為 10 ～20 mm。

4）在定位焊縫上引弧。

5）應(yīng)對(duì)前一層焊縫仔細(xì)清渣，特別是死角處的熔渣更要清理干凈。

6）清渣，表面檢查合格、按序施焊，層與層間清渣。

7）不允許有漏焊、夾渣、氣孔、裂紋及咬邊等缺陷。

8）打磨后焊縫與母材應(yīng)平滑過(guò)渡。

9）在施焊記錄中記錄焊工代號(hào)。

10）檢測(cè)方法為VT 和MT，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB／T 34370.2—2017《游樂(lè)設(shè)施無(wú)損檢測(cè) 第2 部分：目視檢測(cè)》和GB／T 34370.3—2017《游樂(lè)設(shè)施無(wú)損檢測(cè)第3 部分：磁粉檢測(cè)》。

3 資料審查及標(biāo)準(zhǔn)要求

該設(shè)備為2021 年9 月制造完成出廠，2021 年12月完成安裝調(diào)試。查詢(xún)生產(chǎn)單位提供的設(shè)計(jì)文件鑒定以及型式試驗(yàn)報(bào)告規(guī)定，該軌道為圓鋼軌道，選用鋼材為20#鋼，尺寸為φ76 mm×4 mm，為外購(gòu)部件。現(xiàn)場(chǎng)復(fù)驗(yàn)尺寸與資料相符合。

根據(jù)GB／T 18159—2019《滑行車(chē)類(lèi)游樂(lè)設(shè)施通用技術(shù)條件》中附錄A 規(guī)定，該設(shè)備軌道采用對(duì)接接頭對(duì)接焊縫，焊縫等級(jí)為Ⅱ級(jí)[2]；GB 8408—2018《大型游樂(lè)設(shè)施安全規(guī)范》中6.4.6.2 條規(guī)定，應(yīng)對(duì)Ⅱ級(jí)焊縫進(jìn)行100%磁粉無(wú)損檢測(cè)、100%目視檢測(cè)[3]。磁粉無(wú)損檢測(cè)方法按GB／T 34370.3—2017 相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，合格級(jí)別為I 級(jí)[4]。

4 材質(zhì)分析

在現(xiàn)場(chǎng)截取了一段φ76 mm×4 mm 的圓鋼軌道進(jìn)行了金相分析和光譜分析，金相組織形貌見(jiàn)圖3。

圖3 軌道鋼顯微組織（200×）

由圖3 可知，主要材質(zhì)為鐵素體＋珠光體，符合20#鋼熱軋狀態(tài)下顯微組織。光譜分析（見(jiàn)表1）顯示，鋼材硫、磷等雜質(zhì)含量沒(méi)有超標(biāo)，符合20#鋼的特征要求。

表1 光譜分析數(shù)據(jù)%

5 原因分析

5.1 施焊環(huán)境不符合要求

根據(jù)GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》中7.5項(xiàng)的要求：“當(dāng)焊接作業(yè)處于下列情況之一時(shí)嚴(yán)禁焊接：

1）焊接作業(yè)區(qū)中相對(duì)濕度大于90%；

2）焊件表面潮濕或暴露于雨、冰、雪中。

焊接環(huán)境溫度低于0 ℃但不低于-10 ℃時(shí)，應(yīng)采取加熱或防護(hù)措施，應(yīng)確保焊接處各方向不小于2倍板厚且不小于100 mm 范圍內(nèi)的母材溫度，不低于20 ℃或規(guī)定的最低預(yù)熱溫度二者的較高值，且在焊接過(guò)程中不應(yīng)低于這一溫度?！盵5]

經(jīng)調(diào)取監(jiān)控記錄，施焊時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境為下雨天，溫度為2 ℃，濕度達(dá)98%?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不符合該軌道對(duì)接焊縫施焊要求，且焊接工人未做相應(yīng)焊接區(qū)域的防護(hù)措施。

5.2 施焊前未對(duì)焊條進(jìn)行再烘干及保溫處理

根據(jù)GB 50661—2011 中7.2.3 項(xiàng)的要求，“酸性焊條保存時(shí)應(yīng)有防潮措施，受潮的焊條使用前應(yīng)在100 ～150 ℃范圍內(nèi)烘焙1 ～2 h?！盵5]焊材使用前，焊絲需去除油、銹；保護(hù)氣體應(yīng)保持干燥。除真空包裝外，焊條、焊劑應(yīng)按產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)規(guī)定的規(guī)范進(jìn)行再烘干，經(jīng)烘干之后可放入保溫箱內(nèi)（100 ～150 ℃）待用。現(xiàn)場(chǎng)施焊時(shí)，焊條開(kāi)封后，焊接工人便將焊條放置在施焊現(xiàn)場(chǎng)旁邊，被雨水打濕。焊接工人違規(guī)采用濕焊條施焊。

5.3 裂紋產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)《焊接冶金原理》，按照裂紋形成的本質(zhì)特征，可分為熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋等幾大類(lèi)[6]。

此次案例中軌道對(duì)接焊縫裂紋屬于其中的冷裂紋。1）由于施焊人員在焊接過(guò)程中沒(méi)有清除被焊處附近20 mm 范圍內(nèi)油、銹、水等雜物，坡口表面存在鐵銹、油污等附著物，這些附著物存在一定形態(tài)和數(shù)量的水分，在焊接冶金過(guò)程中，釋放出來(lái)的氫被焊接熔池吸收，導(dǎo)致金屬中的氫增加；2）由于是露天作業(yè)，沒(méi)有采取遮雨措施，雨水極有可能滴入熔池，也會(huì)增加焊縫內(nèi)部氫含量；3）沒(méi)有密封的焊條在放置過(guò)程中會(huì)吸附空氣中的水蒸氣，尤其在潮濕的天氣，焊條藥皮吸收水分很快。用潮濕的焊條進(jìn)行焊接，也會(huì)增加氫的產(chǎn)生。焊接時(shí)，電弧高溫會(huì)使水分熱分解產(chǎn)生氫，由于焊接環(huán)境溫度低，增加了焊接熱影響區(qū)與焊接母材之間的溫度梯度，就會(huì)導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)的冷卻速度增大。焊縫及熱影響區(qū)冷卻速度過(guò)快，過(guò)多的氫氣來(lái)不及從金屬晶格逸出即被固化的金屬包裹在焊縫及熱影響區(qū)中。因此，焊縫過(guò)多的氫含量是造成此案例中裂紋產(chǎn)生的主要因素，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，焊接裂紋主要分布在焊接熱影響區(qū)，大部分平行于焊縫走向，這屬于典型的氫致裂紋。

6 改進(jìn)措施

6.1 嚴(yán)格控制焊接工藝

根據(jù)焊接工藝的要求，焊前對(duì)焊口及附近進(jìn)行清理，清除被焊處附近 20 mm 范圍內(nèi)油、銹、水等雜物直至露出金屬光澤。在低溫環(huán)境下，可按照GB 50661—2011 中7.5 項(xiàng)的要求，在施焊處各方向不小于2 倍板厚且不小于100 mm 范圍內(nèi)的母材溫度，加熱至20 ℃[5]。原則上一條焊縫應(yīng)一次焊接完成，若有中斷，在重新焊接前應(yīng)仔細(xì)檢查和清渣。如發(fā)現(xiàn)缺陷，應(yīng)進(jìn)行處理，達(dá)到合格后，方可重新預(yù)熱施焊。對(duì)軌道對(duì)接焊縫等重要焊縫應(yīng)當(dāng)進(jìn)行100%磁粉探傷和部分內(nèi)部探傷。如發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，及時(shí)反饋。無(wú)損檢測(cè)人員須取得相應(yīng)資格的特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)人員證書(shū)后，才能從事相應(yīng)的工作。

6.2 加強(qiáng)焊條現(xiàn)場(chǎng)管理

為防止焊條受潮，生產(chǎn)單位應(yīng)加強(qiáng)焊條的保管措施：不隨意拆開(kāi)焊條包裝，盡量做到現(xiàn)用現(xiàn)拆，焊完后將剩余的焊條密封起來(lái)。焊條必須存放于通風(fēng)良好、干燥的材料庫(kù)中。焊條的發(fā)放和使用管理采取以下措施：堿性低氫型焊條在使用前必須烘干，一般為350 ℃，烘干1 h。緩慢加熱，保溫、緩冷。烘干后的堿性低氫焊條最好放入另一溫度控制箱內(nèi)（80 ～100 ℃） 存放， 隨用隨取。 酸性焊條在100 ～150 ℃范圍內(nèi)烘焙1 ～2 h。焊條放在保溫筒內(nèi)。保溫筒在使用時(shí)要及時(shí)關(guān)閉，在保溫筒內(nèi)可放適量硅膠以吸潮。焊工在焊接過(guò)程中，手中不得有多余焊條，以減少焊條受潮機(jī)會(huì)。一次領(lǐng)出用不完的焊條，下次用時(shí)重新烘干。焊條烘干次數(shù)不得超過(guò)2 次。

另外，在焊條藥皮中加入適量的CaF2，熔渣中含有的CaF2能夠從氫的氧化物當(dāng)中奪取氫，生成化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)定且不溶于液體金屬的HF 氣體，降低了氫在焊接氣氛中的濃度和活度，抑制氫與液體金屬的冶金反應(yīng)，最終降低焊縫金屬中的含氫量[6]。

6.3 加強(qiáng)焊接質(zhì)量管理

生產(chǎn)單位應(yīng)當(dāng)明確關(guān)鍵焊接質(zhì)量控制點(diǎn)，尤其是對(duì)于需要在安裝現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施焊的重要焊縫，要由公司的技術(shù)質(zhì)量部門(mén)進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤和監(jiān)控。保證現(xiàn)場(chǎng)焊接條件符合焊接工藝要求，焊接人員按照焊接工藝要求進(jìn)行施焊。在沒(méi)有確認(rèn)重要焊縫符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，不應(yīng)當(dāng)進(jìn)行下一步施工。

6.4 加強(qiáng)軌道日常檢查

該設(shè)備軌道對(duì)接焊縫多處進(jìn)行了重新打磨補(bǔ)焊，使用單位以及檢驗(yàn)人員應(yīng)將軌道相關(guān)檢查項(xiàng)目作為重點(diǎn)檢查對(duì)象，增加檢查頻次，定期對(duì)軌道對(duì)接焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)焊縫異常，應(yīng)及時(shí)通知生產(chǎn)單位并告知當(dāng)?shù)靥胤N設(shè)備監(jiān)察機(jī)構(gòu)，對(duì)軌道進(jìn)行安全評(píng)估。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前，大多數(shù)滑行車(chē)類(lèi)大型游樂(lè)設(shè)施軌道連接都涉及對(duì)接焊縫，現(xiàn)場(chǎng)施焊安裝，現(xiàn)場(chǎng)的施焊環(huán)境以及施焊條件難以與在廠房車(chē)間內(nèi)的作業(yè)條件相比較。

部分生產(chǎn)單位在圓鋼軌道對(duì)接處增加了內(nèi)環(huán)，以提高焊接的可靠性，減少焊趾的未焊透，同時(shí)一定程度提高了軌道的可靠性。在焊縫開(kāi)裂，軌道斷開(kāi)的情況下，內(nèi)環(huán)可以對(duì)軌道起到一定的支撐作用。因此，部分安裝人員及使用單位維保人員對(duì)軌道焊縫產(chǎn)生裂紋危害性的警覺(jué)性降低了，沒(méi)有引起重視?？梢钥紤]改進(jìn)生產(chǎn)工藝，將軌道連接方式改為軌道對(duì)接焊縫＋螺栓連接的方式，更加安全有效。

因此更需要加強(qiáng)此類(lèi)大型游樂(lè)設(shè)施安裝現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制，同時(shí)，也提醒檢驗(yàn)人員，應(yīng)當(dāng)對(duì)大型游樂(lè)設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)安裝的質(zhì)量加強(qiáng)檢驗(yàn)。