三峡电站压力钢管高强钢焊接裂纹浅析
三峡电站压力钢管高强钢焊接裂纹浅析
石文龙 卢车英
(水电四局三峡坝区青云公司)
摘要：根据焊接裂纹分类及其产生机理，三峡工程压力钢管高强钢焊接产生的裂纹，多为焊接延迟裂纹或焊接热裂纹。在分析产生裂缝原因的基础上，提出了防止焊接裂纹产生的措施。
关键词：焊接裂纹；压力钢管；高强钢焊接；施工措施
1 概述
三峡水利枢纽左岸布置14条压力管道，右岸布置10条压力管道，直径12.4m，最大设计内水压力1.4MPa。钢管由上至下分为：上斜平段、上弯段、斜直段、下弯段、下平段及厂内段，每条管道轴线总长122.677m。其中上斜平段至斜直段钢管材质为50kgf/mm2低合金钢，采用武钢及宝钢生产的16MnR钢；下弯段至厂内段钢管材质为60kkgf/mm2高强度调质钢，采用日本牛产的610U2,及610F钢。因钢管直径大、轴线长，钢管焊缝焊接量大，每条钢管焊缝总长度约为3144.1m，其中高强钢焊缝约为1 098.7m。高强度凋质钢的焊接质量要求高，下平段及厂内段焊缝均为一类焊缝。要求焊接时必须采用多层多道焊，严格控制线能量。
2焊接裂纹分析
焊接过程中可能产生气孔、夹渣、未熔合及焊接裂纹等缺陷。对于结构用钢来说，除了焊接裂纹以外的其它缺陷，如气孔、夹渣、未熔等，往往可以通过改进操作方式而避免，焊接裂纹则需要通过正确地选择材料和工艺措施才能避免。
2.1 焊接裂纹类型
根据焊接裂纹形成的不同机理，可把焊接裂纹分为以下四种：①焊接延迟裂纹；②结构钢的焊接热裂纹；③结构钢的再热裂纹；④层状撕裂。
2.2 三峡工程焊接裂纹类型的确定
三峡压力钢管的焊接，特别是工地环缝的焊接，因钢管槽内相对湿度大，昼夜温差大，所以焊缝的施焊工艺要求高。①δ=60mm（60kgf/mm2)焊缝的焊接必须保证预热500℃～80℃，层温不低于预热温度，且不超过230℃，焊后立即进行消氢处理，且焊缝外观及内部质量合格后进行爆破消应；②δ=34mm(60)kfg/mm2)焊缝，当环境温度大于20℃，水蒸气分压小于25mmHg柱时，不要求预热，亦不要求后热及消应。因此，基于焊缝的焊接要求，压力钢管的焊接基本不可能出现第三种裂纹。因环缝为对接“X”型坡口，因而也不可能出现第四种裂纹。所以工地环缝如果出现裂纹，基本多为焊接延迟裂纹或焊接热裂纹。焊接延迟裂纹的基本特征是它往往在焊接完成并且当焊件冷却到200℃～150℃以下温度时发生，有时甚至可以在接头焊完并放置数小时甚至几十小时以后出现，即这种裂纹的形成有明显的延迟性。延迟裂纹除了发生在焊缝内部以外，更经常会出现在焊道层下、焊趾和焊根等部位的热影响区。焊接热裂纹基本发生在焊缝内部，它往往是沿焊缝长度方向延伸。这种裂纹有时也发生在焊缝终端的弧坑部分呈龟裂状。焊接热裂纹是在焊缝的结晶过程中生成的。
3 焊接裂纹产生原因
形成焊接裂纹的原因是多方面的，但可以归纳为力学因素和冶金因素两方面。
3.1 力学因素
导致裂纹产生的力学因素主要为拘束应力。压力钢管焊接时采用多层多道焊，焊接第一层焊缝时，由于焊缝截面远小于构件的截面，因此拘束应力和拘束变形将集中在截面比母材
小很多并且变形相对容易的焊接区内，造成第一道焊缝的焊接区是最容易出现裂纹的区域。拘束度越大，焊接区域承受的拘束应力和应变越大，造成焊接裂纹的危险性也越大。焊缝在压缝完成后，特别工地环缝不可避免地会产生拘束度偏大，从而致使点焊区域承受的拘束应力和应变偏大。焊接时，由于焊接区域的温度升高，点焊区域拘束应力得以释放，易造成裂纹的产生。有时钢管丁字接头部位容易产生裂纹就是因应力过分集中造成。
3.2 冶金因素
3.2.1 冶炼杂质对高温脆性区的影响
钢中的杂质元素如C、S、P、B会明显地扩大高温脆性区的温度范围。60kgf/mm2钢种是一种含C、S、P量很低的Cr-Mo-V系合金钢。Mn含量较高，约为1.20％～1.60％，可以减小高温脆性区，因而60kgf/mm2钢是一种可以减小高温脆性区的钢种。
3.2.2 钢的淬硬致脆倾向
60kgf/mm2钢种碳当量Ceq=0.35％，裂纹敏感系数Pcm=0.185％，钢的淬硬致脆倾向不明显，是一种焊接性及抗裂性良好的钢种。
3.2.3 钢中氢的致脆
氢是焊接冶金过程残留在钢中的气体杂质。由于钢中残留的氢使钢的塑性恶化而形成氢脆。
3.2.4 焊接粗晶区晶界的弱化
由于合金结晶过程的选择作用和相临晶粒间的相位不同，使得晶界总是含有比晶粒内部多得多的杂质和缺陷：而且由于晶界很薄，因而晶界的变形能力总是远低于晶粒本身的变形能力。在正常受力下，晶粒本身承担厂主要的塑性变形，保证了合金的塑性和强度。但NK HITEN610U2钢种因含有Cr、Mo、V等成分，Cr、Mo、V元素属于强碳化物及强氮化物形成元素，它们将会使晶界弱化或相对弱化。经计算，经验公式Psr=Cr+Cu+2Mo+5Ti+7Nb+10V-2，Psr<0，因而该材料不易发生晶界断裂。
4 焊接裂纹的防止措施
根据形成裂纹的因素，为了防止裂纹的产生，需从结构设计、材料选择以及施工工艺三方面进行控制。
4.1 结构设计
因压力钢管的设计是比较成熟的设计模式，它的设计有国家规范为依据，焊缝的布置是合理的。
4.2 材料选择
4.2.1钢管母材的选择
钢管母材选用日本生产的610U2及610F调质高强钢板，这是一种含C、S量很低的Cr Mo V系合金钢，有着优良的综合力学性能，抗拉强度≥610MPa，低温韧性vE 40≥330J(2mmv形缺口冲击试验)，脆性断面转变温度vTs=-36℃。而碳当量Ceq=0.35％，裂纹敏感性指数Pcm=0.185％，当焊接热输入量为17kJ/cm时，热影响区的最高硬度HVmax≤300，这是一种具有很好的焊接性和抗裂性的钢种。该钢的化学成分见表1，力学性能见表2。
Ceq=C+Si／24+Mn／6+Ni／40+Cr／5+Mo／4+V／14 (％)
Pcm=C+Si／30+Mn／20+Cu／20+Ni／60+Cr／20+Mo／15+V／10十5B (％)
4.2.2 焊材的选择
因三峡工程工期较紧，在施工初期进行工艺评定选择焊材时，仅进行了手工电弧焊的焊接工艺评定。评定合格后，选定了两种高强钢焊条：宜昌猴王焊条厂生产的MK．J607RH焊条及四川自贡大西洋焊条厂生产的CHE62CHJt焊条。这两种焊条熔敷金属化学成分及力学性能如表3、表4。
这两种焊条均为超低氢性焊条，扩散氢含量很低，MK．J607RH焊条扩散氢含量Hmax=1.28ml／100g，CHE62CFLH焊条扩散氢含量Hmax=2.29ml／100g，远低于国标规定的4ml／100g的标准。由这两种焊条进行的高强钢的焊接工艺经评定是合格的。焊缝的化学成分基本与母材相一致，焊缝的机械性能不低于母材，热影响区的维氏硬度不大于300，证明此焊材与母材是相匹配的。
4.3 施工工艺
要防止焊接裂纹的产生，必须严格施工工艺，加强钢管制安过程的控制，使钢管从制作开始到安装验收完成都处于受控状态。
4.3.1 加强钢管制安过程控制
(1)严格按引水压力钢管制作规范制作管节，必须保证出厂管节的管口平面度及椭圆度符合规范要求，防止偏心管节的出厂。偏心管节的检查通过测量管节四轴线弦长差可得。
(2)工地环缝压缝时，保持环缝组对间隙基本一致，避免局部区域压缝内应力偏大。
(3)控制环缝焊接顺序。环缝焊接时，必须采用8名或10名焊工对称分段退步焊，要求对称部位的焊工焊接参数基本一致。
4.3.2 加强钢管焊接过程控制
(1)严格高强钢焊条烘烤及领用制度，严格清除环缝坡口及两侧30mm范围内铁锈、油污等杂质。
(2)因三峡工地湿度大、温度高，当焊接环境水蒸气分压高于25mmHg柱时，应选择高于规定预热温度20℃～30℃进行预热。
(3)高强钢的焊接，不论是δ=34mm，还是δ=60mm，尽量保证焊前预热50℃，必须保证层温不低于预热温度，且不超过230℃。尤其对于δ=60mm高强钢焊缝，必须保证预热温度为50℃～100℃。
(4)δ=34mm、60mm强钢焊缝焊后必须进行焊后消氢处理，加热温度150℃～200℃，保温1h。其中δ=60mm高强钢焊缝必须进行消应处理，使消应后的焊缝内应力小于钢材屈服强度的一半。
以上几方面均能降低接头冷却速度防止其产生淬硬组织，从而避免产生延迟裂纹，保证焊缝内部质量。
5 结论通过介绍焊接裂纹分类及分析焊接裂纹产生机理，根据三峡工程的实际情况，得出以下结论：要保证焊缝质量，避免高强钢焊缝产生焊接裂纹，必须严格施工工艺，加强钢管制安过程的控制，使钢管从制作开始到安装验收完全处于质量受控状态。参考文献：
[1) 章应霖等．焊接结构工程．北京：水利电力出版社出版，1995
[2] 中国机械工程学会焊接学会编．焊接手册．北京：机械工业出版社，1995
