海洋工程钢结构焊接横向裂纹产生原因及控制措施分析

张大伟(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

0 引言

海洋工程钢结构作为目前海洋油气资源开发的主流载体，其质量情况关乎整个油气资源开发的周期、成本甚至成败，而焊接横向裂纹是诸多质量缺陷中危害比较大的一种，在近些年的海洋工程钢结构施工中愈发常见，本文将从横向裂纹的特点及危害、产生原因和控制措施几个方面对其进行分析。

1 横向裂纹的特点和危害

气孔、夹渣、未熔合、咬边等是常见的海洋工程钢结构焊接缺陷，横向裂纹在我们以往的焊接中是比较少见的，但是近些年，出现的频率逐渐增加，它具备其自身的特点和危害：

1.1 特点

普遍发生在焊接应力集中区域。

主要在埋弧焊(SAW)和气体保护药芯焊(CO2+FCAW)这两种焊接方法中产生，尤其是CO2气体保护药芯焊最容易产生横向裂纹。

返修难度高，越修越裂，随着气刨跑。

1.2 危害

横向裂纹一开始不容易发现，但是后续生长速度快，对焊接质量产生重大影响，严重情况影响整体钢结构强度和稳定性，为整个海洋工程钢结构质量安全带来重大隐患。图1为典型横向裂纹图片。

2 横向裂纹产生原因分析

截至目前，横向裂纹产生的原因判断如同现如今癌症诊断类似，还无法准确判断其具体诱因，一般是由其诱发因素中的一种或几种共同作用而发生的，我们现阶段能够做到的是将其诱发因素逐步识别出来。根据目前掌握的情况，海洋工程钢结构焊接横向裂纹产生的原因主要有以下几项因素。

图1 典型横向裂纹

2.1 母材

含碳量越高的钢材在焊接过程中越容易产生横向裂纹，在钢结构焊接过程中要特别留意所用钢材碳含量是否在规定范围内。

2.2 焊材

2.2.1 杂质

埋弧焊和药芯焊都有药粉(剂)，如果药粉(剂)纯度不足或本身带有杂质，就会影响焊缝性能，在这一环节不能完全排除有些焊材厂家偷工减料，使用不合格材料的可能性，需要做好焊材选用筛查。此外，埋弧焊在焊接的过程中回收没有熔化的药粉时，会同时把钢板氧化物(氧化皮)、其它杂质、焊渣、沙尘粉末等一并吸收回料斗之中，造成污染。

2.2.2 保存及使用不当

焊材储藏和使用方法不当很容易令焊材受潮，而焊材受潮是焊道产生裂纹的主要原因之一。无论是普通包装还是真空包装，无论是何种品牌的焊材，都明确规定了储存条件，如果在运输、流转过程中没有做到妥善保存，则很容易令焊材受潮。在使用过程中，如果没有严格遵守相应的保管、烘干要求，对于未使用完的焊材处置不当，也会造成焊材受潮。从而导致在焊接过程中出现横向裂纹。

2.2.3 焊接过程操作不当

焊接过程操作是其中最主要的原因。海洋工程钢结构焊接都需要有一套完整、成熟的施工工艺程序和技术规定，其中包括：焊接方法、焊前预热温度、组对要求、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接工艺参数以及焊后处理等，此外还有对焊接人员资质、焊接施工环境、返修工艺等等多方面要求，而容易导致焊接横向裂纹的情况主要有以下几种：(1)坡口角度间隙过小。(2)防雨、防潮措施不到位，尤其在阴雨天气或湿度较大的环境进行焊接作业时。(3)焊道表面油污、水迹未清除干净。(4)在返修作业后没有将碳化物清除干净。(5)CO2气体的含水量超标，气刨的压缩空气含水量超标。(6)焊前预热温度不够。(7)焊接线能量过大。(8)焊后热处理不当。

2.3 应力

因结构特殊或焊接顺序不当，导致的残余应力和焊接应力过大且无法释放，超出焊缝所能承受的拉应力，则会出现横向裂纹。目前在海洋工程领域，常见的横向裂纹常发生在立柱环板、吊机立柱环板等闭环结构区域，图2为典型立柱环板的横向裂纹。

图2 典型立柱环板的横向裂纹

3 控制措施

针对横向裂纹的控制措施主要采用对症下药的方式，具体举措如下。

3.1 母材

是否使用含碳量较高的高强钢，是由海洋工程结构强度需要决定的。对于使用含碳量较高的高强钢结构焊接，要给予更多关注。对于普通低碳钢，我们需要关注其含碳量是否超标。

3.2 焊材控制

严选焊材，选用有品牌保证、信誉良好厂家的焊材。

建立一级库二级库制度，制定完善的焊材保管和使用、回收制度，避免焊材受潮、过期等情况发生。

保证药剂(粉)纯净度，尤其要在回收环节重点控制。

3.3 焊接过程控制

构建安全舒适的焊接环境，做到防风、防雨、防雪、防潮，密闭空间做到通风透气，光照充足。

严格执行焊工资质准入制度，对于容易出现横向裂纹的焊接位置，选用相关经验丰富的焊工进行焊接。

在组对环节，要调整合适的坡口角度和坡口间隙。

焊前严格清理焊缝表面污渍，如油污、水渍、铁锈等，如果有气刨作业，应将表面碳化物处理干净。

严格控制CO2气体的含水量以及气刨的压缩空气含水量。

严格执行焊接工艺，焊前做好预热工作，焊接过程中严格控制电流、电压、焊接速度等要素，焊后要做好保温缓冷消氢工作(一般使用保温棉、电加热毯)。

定期保养焊机、焊枪，定期校验焊机电流表和电压表。

4 消除应力

优化设计形式，尽量减少闭环结构，释放应力，例如将环板结构由整体分割成两个拼接体，虽然增加了焊缝，但是却能有效释放应力。

调整焊接顺序，分散应力，避免应力集中积累，如图3所示，单一方向顺序焊接极容易产生较大的应力集中，从而产生横向裂纹。但如图4所示，将焊缝均匀分布，先将四个焊接点按照对称原则进行小段焊接，再将分开的四个区域按照对称原则分别焊接，则能控制应力均匀分布，避免了应力集中，从而大大降低了横向裂纹的产生概率。

图3 顺序焊接

图4 均匀对称焊接

5 结语

通过对海洋工程钢结构焊接横向裂纹产生原因及控制措施的分析，我们能够更加清楚地认识到横向裂纹的特点及危害性，也希望能够引起广大海洋工程从业者的重视和关注，在实际施工过程中，我们要逐条排查其各项可能的诱发因素，并严格控制每一项步骤和措施，将横向裂纹扼杀在摇篮中，保证我们的海洋工程钢结构高质量完成，平稳安全地在海上运行，为我国海洋油气资源开发奠定坚实基础。