某核电厂1#核岛厂房，钢牛腿安装焊缝在现场各方QC见证下进行10%磁粉检测时，发现某结构型牛腿与预埋件的仰角焊缝存在裂纹。随后，扩大检验比例，对钢牛腿安装焊缝进行100%磁粉检测，共检测焊缝2.5m，发现大量T 型牛腿及L1角钢牛腿与埋件的焊缝出现裂纹，裂纹总长度达1.3m。后续在其它房间牛腿安装焊接焊缝也陆续发现了一些短小裂纹。

        钢牛腿与预埋件安装焊缝类型为角焊缝，焊接位置为横焊和仰焊，裂纹主要位于预埋件侧的焊趾位置，属于焊缝热影响区裂纹，如图1所示。经核查，牛腿材料为Q345B，厚度22mm 钢板，预埋件材料为Q390B，厚度32mm，使用的焊接材为E5016、Φ3.2mm焊条。

        针对1#核岛出现焊缝裂纹的问题，通过对焊缝裂纹的无损检测，现场实体查看，业主专业管理工程师组织管理单位、承包商焊接专业工程师的分析和讨论，从焊接工艺文件、焊接执行人员、设备、焊接材料和母材、焊接环境温度、焊前清理等各个环节和焊接过程进行了调查、质询，并就各因素对焊接质量的影响进行探讨，判定此裂纹为焊缝延迟裂纹。由于钢牛腿焊缝为代表性结构，讨论其焊接裂纹的产生与防止对于避免在钢结构之类的现场施工焊接接头产生裂纹具有借鉴意义。
 

  
 

2    裂纹产生原因分析

2.1    裂纹产生机理

        焊接裂纹是一种非常严重的缺陷，不加处理, 裂纹会逐渐扩展，并最终导致构件的失效，因此在焊接过程中要采取一切措施防止出现裂纹。

        焊接裂纹可以分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的，其特征为焊后立即可见，且多发生在焊缝中心，沿焊缝长度方向分布，裂口呈现氧化色，末端略呈圆形。焊缝冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度下（在Ms点温度以下）产生的焊接裂纹，其大多产生在母材或母材与焊缝交界的熔合线上。

       而该核电厂1#核岛出现的焊缝裂纹，结合其表观（如图2所示）和现场焊缝裂纹实际出现情况，焊接工程师组织讨论，认定此裂纹为焊缝延迟裂纹，即冷裂纹。

        冷裂纹产生必须具备以下条件：

        a、焊接接头存在淬硬组织，性能脆化。

        b、扩散氢含量较高，使接头性能脆化，并聚集在焊接缺陷处形成大量氢分子，造成非常大的局部压力。

        c、焊接后存在较大的焊接应力。

2.2    裂纹产生原因分析

2.2.1    裂纹产生原因

        该核电厂核岛厂房现场钢牛腿与预埋件安装焊缝类型为角焊缝，主要结构型式为L1型、L2型、L2N型、L3型牛腿及T型牛腿，其中L型角钢牛腿的焊接位置为横焊和仰焊，T型牛腿焊接位置为横焊、立焊和仰焊。

        根据施工记录，在早期，对牛腿焊缝进行10%磁粉检测时从未出现裂纹缺陷。对比当前发现的牛腿焊缝裂纹，施工中的焊工、设备、工艺未发生改变，唯有焊材批号、母材批号、施工环境发生了改变。依据前后对比，对变量进行重点分析，得出焊缝裂纹产生原因。

2.2.2    产生裂纹的施工变量核查

2.2.2.1    对母材进行核查

        a、母材进场复验合格。

       b、对出现裂纹的埋件母材进行钻芯取样做化学分析，母材化学分析结果合格。 

2.2.2.2    对焊材进行核查

        1）对使用的焊条进行核查

        a、核查使用的焊条为E5016，规格为Φ3.2mm, 进场复检合格。

        b、对该批焊条，由上海大西洋焊材厂技术人员从现场带回厂家进行试验，检测结果合格。

        c、对该批焊条，送至国家焊材质量监督检验中心进行复验，复验结果合格。

        2）对焊条进行核查

       核查1#核岛厂房使用的焊条为E5015，规格：Φ3.2mm，进场复检合格。

        3）对二级焊材库的焊材烘干、发放、回收记录进行检查，满足《焊材保管、烘干、发放、使用及回收工作程序》的要求。

 

 

2.2.2.3    模拟试验

        1）使用E5016焊条在不同条件下进行模拟试验

        在车间通过模拟拘束度较小，湿度为37% ~47%条件下E5016焊条在车间的横焊、立焊、仰焊的质量，未发现裂纹。相应地在厂房模拟拘束度较大，湿度为72%条件下E5016焊条在车间的横焊、仰焊的质量，发现裂纹。

        2）同种环境不同焊条条件下进行模拟试验

        a、在车间模拟对比试验1

        在车间设置后置埋件，模拟现场湿环境下牛腿安装模拟焊接试验：固定在方钢管上，拘束度大，分别使用E5016焊条和新进场的E5015 焊条在环境湿度为62%~80%的情况下进行模拟试验。

        E5016焊条焊接的试件出现裂纹，E5015焊条焊接的试件未出现裂纹。

         b、在车间模拟对比试验2

        对比E5016焊条和新进场E5015焊条在车间后置埋件上在环境湿度为50%~68%的条件下模拟现场牛腿焊接试验。在固定拘束度较小条件下，结果：磁粉检验均未出现裂纹。

        C、1#核岛厂房现场对比试验

        对比E5016焊条和新进场E5015焊条在厂房现场环境下，在环境湿度为74%~80%的条件下模拟牛腿焊接试验。采用E5015焊条焊接的试件, 结果：磁粉检验未出现裂纹，E5016焊条焊接的试件出现裂纹。

        d、模拟非对称焊接顺序

        使用E5016Φ3.2mm焊条焊接牛腿横焊、仰焊。焊接顺序为先横焊完成，再仰焊。结果：磁粉检验发现裂纹。

        e、模拟非对称焊接顺序情况下焊条组合

        使用 E5016 Φ3.2mm，Φ4.0mm焊条焊接横角焊缝；用E5016，Φ3.2mm 焊条焊接仰角焊缝。焊接顺序为先进行横角焊和仰角焊打底，再进行横角焊填充盖面，仰角焊填充盖面。结果：磁粉检测，发现短裂纹。

        f、使用碱性抗裂性能良好的焊材交错焊接

        使用E5015 Φ3.2mm 焊条焊接牛腿横焊、仰焊。焊接顺序为上下横焊、仰焊交错跳焊。结果：磁粉检测无裂纹。

        3）在预热条件下进行E5016焊条模拟试验

        在厂房现场采用E5016焊条，在拘束大、环境湿度为76%的环境下，采用焊前预热、焊接过程严格控制层间温度的方法进行了模拟牛腿焊接试验，结果出现裂纹。

        4）对焊接区域采用不同清理方法的对比模拟试验

        在车间模拟现场对于分别采用砂轮片和钢丝刷对焊接区域母材的氧化皮、铁锈等进行清理后，在环境湿度为45%~78%的条件下使用E5015 焊条进行焊接，均未发现裂纹。

        5）改善焊接工艺的条件下进行牛腿焊接

        在核岛厂房，采取焊前预热以及焊后缓冷的措施，采用E5015焊条在环境湿度大的条件下进行牛腿焊接，焊接完成后进行100%MT检测，没有出现裂纹。

2.2.3    产生裂纹的施工变量分析

        经对比，得知导致钢牛腿与预埋件安装焊缝产生的裂纹，是由母材、焊材和施工环境中一种或几种施工变量引起的。对各变量核查排除，并对模拟焊接试验结果进行统计，如附表所示。

        根据模拟焊接试验结果统计表，可以发现：

        1）采用交替焊接顺序在不同的湿度条件下, E5016焊条的性能低于E5015焊条，E5016焊条在湿度大的环境下焊接出现了缺陷，而E5015焊条未出现任何缺陷。

        2）两种焊条在拘束条件大的情况下采用非对称焊接的顺序焊接，E5016焊条出现了缺陷。

        综合以上分析可以认为：该批E5016焊条在环境较为潮湿的条件下用于角焊缝焊接易出现裂纹，不宜用于该厂房目前牛腿安装焊接。E5015 焊条在环境较为潮湿的条件下，用于角焊缝的焊接不易出现裂纹。

 

 

2.2.4    对施工过程中出现不利因素的调查

        经以上分析，引起钢牛腿与预埋件安装焊缝产生裂纹的主要原因是施工环境因素（湿度、约束力等）。通过有针对性的调查，确定施工过程中致使焊缝产生裂纹的不利因素为以下事项：

        （1）经调查，该核电厂1#核岛厂房钢牛腿安装焊接，使用具备相应焊接资质的人员、使用已标定合格的设备、按照已批准合格的WPS 进行焊接技术交底，并对现场焊缝区域清理干净合格后再焊接。在施工焊接期间空气湿度为70%~85%，现场正在下小雨。由于采用屏蔽墙挂架平台挡雨，雨水未直接落入焊接区域，因此没有停止作业，一直持续进行焊接。焊接持续约1小时后，现场雨逐渐下大，停止焊接，但未对焊缝进行覆盖。在雨停止后，将未焊接完成的焊缝经烘干水汽，焊工继续进行焊接，至该房间所有焊缝焊接完成。

        经过对1#核岛厂房，出现裂纹的焊缝位置进行统计，发现在该房间内出现裂纹的位置均为下雨天焊接完成；以后焊接的牛腿均未出现裂纹。

        （2）通过统计发现1#核岛厂房的牛腿出现裂纹集中出现在屏蔽墙上的埋件上，屏蔽墙预埋件是弧形的，角钢的弧度与墙体的弧度存在偏差。据现场焊接工程师监控观察，构件编号为L1-3-13的牛腿在组对时，间隙为7mm，按照EDCR（设计变更）的要求添加厚度为6mm，长度约为400mm的垫板，在焊接完成后进行磁粉检测，该段位置产生裂纹。

  

3    后续采取的措施

        编制了AP1000核岛现场焊接综合管理措施，加强焊接工作全过程各个环节的管理，保证该厂房每个牛腿的焊接有专人旁站监控和指导。对该厂房牛腿焊接编制专项施工措施，并报上级管理单位批准。采用E5015焊条焊接，并增加焊前预热与焊后缓冷的要求。

  

4    裂纹原因分析及结论

        通过实施的一系列模拟对比焊接试验结果综合分析，针对冷裂纹出现的三个主要因素：淬硬组织、扩散氢含量高、存在较大焊接应力，通过焊接专业工程师的讨论和分析，核查母材、焊材、人员资质、焊机标定、焊接工艺及环境湿度，结合模拟实验结果，认为牛腿裂纹产生的原因如下：

        （1）现场焊接过程控制监控不到位，在遇突发情况时，处理措施不到位，未对焊缝进行覆盖导致有雨水进入焊缝区域，使焊缝淬硬组织增加，扩散氢含量增大；

        （2）未进行焊前预热和焊后缓冷，易导致焊接时扩散氢的含量增大，裂纹倾向加大；

        （3）在焊缝湿度较大时（环境湿度>70%）, 易导致焊接时扩散氢的含量增大，裂纹倾向加大。

        在钢牛腿进行组对焊接时存在应力，在上述几个因素的共同作用下，焊缝极易出现裂纹。因此，为了避免冷裂纹的产生，焊接过程中，应该严格控制焊接环境条件，采用抗裂性能良好的焊材，改善接头的应力状态，消除裂纹产生的各因素，上述措施对类似结构的焊接具有良好的借鉴意义。