劉振偉，王海生，王玉慶，李世武

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062650）

大壁厚螺旋埋弧焊管補(bǔ)焊工藝研究

劉振偉，王海生，王玉慶，李世武

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062650）

為了研究大壁厚螺旋埋弧焊管多次補(bǔ)焊后焊縫性能的變化情況，利用夏比沖擊試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、硬度檢測(cè)和金相檢驗(yàn)等方法對(duì)壁厚為21.4 mm的螺旋埋弧焊管不同補(bǔ)焊工藝完成的焊接接頭進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5種不同補(bǔ)焊工藝下焊接接頭的拉伸性能、沖擊韌性、彎曲性能及硬度值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，與原始焊接接頭相比，補(bǔ)焊后的試樣焊接接頭微觀組織未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大現(xiàn)象，且未出現(xiàn)其他脆性組織，經(jīng)理化檢驗(yàn)和無(wú)損檢測(cè)，3次至5次補(bǔ)焊性能也均能滿足西氣東輸管線標(biāo)準(zhǔn)要求，為多道次的補(bǔ)焊工藝推廣打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

螺旋埋弧焊管；大壁厚；補(bǔ)焊

隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，遠(yuǎn)距離高壓油氣輸送管道向著高強(qiáng)度、高韌性、大壁厚、大直徑及大輸量方向發(fā)展已成必然[1-3]。制管焊接過(guò)程易出現(xiàn)燒穿、焊偏、未焊透、未熔合、氣孔夾渣、咬邊、斷弧等缺陷[4-7]，這些缺陷的存在對(duì)管道安全構(gòu)成了極大威脅。因此，管道焊縫需要嚴(yán)格的檢測(cè)，依據(jù)API SPEC 5L標(biāo)準(zhǔn)[8]對(duì)鋼管焊縫進(jìn)行逐根排查檢測(cè)，如100%X光檢測(cè)、超聲波探傷、拍片檢驗(yàn)等，一旦發(fā)現(xiàn)缺陷，則嚴(yán)格按照補(bǔ)焊工藝進(jìn)行補(bǔ)焊處理。依據(jù)管線標(biāo)準(zhǔn)，在鋼管生產(chǎn)前必須對(duì)原料進(jìn)行補(bǔ)焊工藝評(píng)定試驗(yàn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全符合管線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后方能進(jìn)行生產(chǎn)。對(duì)于鋼管焊縫出現(xiàn)的缺陷一般一次補(bǔ)焊即可完成補(bǔ)焊任務(wù)，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多次補(bǔ)焊的情況?！短烊粴夤艿拦こ啼摴芡ㄓ眉夹g(shù)條件》中規(guī)定了焊縫同一位置已修補(bǔ)過(guò)2次的，不允許再次修補(bǔ)，但是，3次及以上補(bǔ)焊后焊接接頭的性能會(huì)受到什么影響，特別是熱影響區(qū)會(huì)經(jīng)歷多次熱循環(huán)作用，其強(qiáng)度和韌性等方面的性能是否還能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，本研究是基于以上基礎(chǔ)展開(kāi)討論。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)采用X80M鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。從焊管上制取6塊帶有焊縫的試樣，取樣位置如圖1所示。試樣編號(hào)為B-0、B-1、B-2、B-3、B-4及B-5，分別對(duì)應(yīng)原始焊縫、一次補(bǔ)焊、二次補(bǔ)焊、三次補(bǔ)焊、四次補(bǔ)焊和五次補(bǔ)焊后焊縫。如B-5表示原始試樣焊縫經(jīng)歷“碳弧刨開(kāi)－補(bǔ)焊”如此往復(fù)5次后的焊縫，其余編號(hào)類推。然后檢測(cè)不同補(bǔ)焊后試樣的拉伸性能、熱影響區(qū)和焊縫沖擊性能及焊縫彎曲性能等的變化情況。

表1 試驗(yàn)用螺旋埋弧焊管母材化學(xué)成分 %

圖1 實(shí)際試樣取樣位置

外焊縫經(jīng)過(guò)碳弧加工成U形溝槽，形狀如圖2所示，參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)選用CHE607GX焊條，直徑分別為4.0 mm和3.2 mm。氣刨加工后的樣坯實(shí)物照片如圖3所示。

圖2 外焊縫加工成U形溝槽示意圖

表2 刨槽形狀參數(shù)

圖3 實(shí)際氣刨加工后的樣坯

補(bǔ)焊采用Lincoln V450-S焊接設(shè)備，電源極性為直流反接。補(bǔ)焊操作過(guò)程完全由同一位焊工獨(dú)立完成，采用共7道次完成補(bǔ)焊，一道次采用直徑為3.2 mm焊條，其他各道次均采用直徑為4.0 mm焊條，具體焊接參數(shù)見(jiàn)表3。預(yù)熱溫度為150℃，層間溫度為130～160℃。

表3 各道次焊接參數(shù)

每個(gè)補(bǔ)焊試樣都要經(jīng)歷7道次焊接，焊接后的試樣照片如圖4所示。從圖4可以看出，補(bǔ)焊后的焊縫形貌良好。

圖4 補(bǔ)焊后的試樣照片

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

補(bǔ)焊后的5塊試樣經(jīng)過(guò)X光和超聲波檢驗(yàn)，均未發(fā)現(xiàn)缺陷，X光照片如圖5所示。

圖5 補(bǔ)焊試樣的X光照片

2.2 拉伸試驗(yàn)

X80M鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管的拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，除B-3外，其余焊接接頭拉伸斷裂位置均在焊縫區(qū)域，說(shuō)明在該補(bǔ)焊工藝下經(jīng)歷多道次焊接后，強(qiáng)度指標(biāo)均在700 MPa以上；熱影響區(qū)無(wú)明顯軟化，說(shuō)明經(jīng)歷5道次補(bǔ)焊工藝后，鋼管焊接接頭的強(qiáng)度指標(biāo)均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 焊縫和熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)按照ASTM A370－14進(jìn)行，試樣規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm，V形缺口，試驗(yàn)溫度為-10℃，焊縫沖擊功見(jiàn)表5。

表5 焊縫沖擊性能

從表5可以看出，沖擊功單值集中分布在100 J以上，個(gè)別出現(xiàn)低值為78 J，平均值均在100 J以上，均滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭韌性的要求。補(bǔ)焊后的焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性幾乎未受到補(bǔ)焊工藝的影響，特別值得注意的是B-5經(jīng)歷的5次“碳弧刨開(kāi)－補(bǔ)焊”補(bǔ)焊工藝后，焊縫和熱影響區(qū)韌性均高于原始試樣B-0。

2.4 焊接接頭導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

焊接接頭導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)按照ASTM A370－14進(jìn)行，試驗(yàn)分為正彎和反彎，試樣寬度38 mm，彎曲角度180°，彎芯直徑為214 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，每個(gè)工藝下試樣正彎和反彎180°后均無(wú)裂紋，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。實(shí)際彎曲后的試樣如圖6所示。

圖6 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)后的試樣

2.5 硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)按照ASTM E384－11 e1進(jìn)行。硬度試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)位置如圖7所示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。試驗(yàn)結(jié)果表明，分別經(jīng)歷1次、2次、3次、4次和5次補(bǔ)焊工藝的焊接試樣的硬度差異不大，特別是焊接熱影響區(qū)硬度值 （硬度點(diǎn)2、3、6、7、10、13）無(wú)明顯波動(dòng)，說(shuō)明該區(qū)域未出現(xiàn)明顯的軟化和硬化現(xiàn)象，焊接接頭的硬度指標(biāo)較為均勻，且均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 硬度測(cè)試位置

2.6 顯微組織

經(jīng)第1次～第5次補(bǔ)焊后的焊接試樣宏觀形貌幾乎一致，補(bǔ)焊前后焊接接頭宏觀形貌如圖8所示。這里只列舉B-5進(jìn)行分析。

補(bǔ)焊前原始試樣外焊縫由埋弧自動(dòng)焊焊接而成。從圖8可以看出，內(nèi)外焊縫界線分明，經(jīng)補(bǔ)焊后內(nèi)焊縫基本保持原來(lái)形貌，但外焊縫被7道次補(bǔ)焊焊縫代替。經(jīng)過(guò)7層補(bǔ)焊后的宏觀照片如圖9 所示。圖9中焊縫共分為7層，第1層為打底焊，第2～第6層為填充焊，第7層為蓋面焊。

表6 硬度測(cè)試結(jié)果 HV10

圖8 B-5補(bǔ)焊前后焊接接頭宏觀形貌對(duì)比

圖9 補(bǔ)焊焊縫形貌及各道次分布圖

焊縫各層微觀組織形貌圖10所示。圖10（a）為第1道次打底焊微觀組織形態(tài)，組織特征為先共析鐵素體（PF）+針狀鐵素體（AF）+珠光體（P）。由于是第1道次打底焊，周圍基體處于常溫狀態(tài)，熱傳導(dǎo)速率較快，熔池迅速凝固形成了高鋼級(jí)管線鋼常見(jiàn)的針狀鐵素體組織形態(tài)。圖10（b）～圖10（f）分別為第2～第6道次填充焊的微觀組織，均為PF+準(zhǔn)多邊形鐵素體（QF）+P的組織特征，與打底焊晶粒尺寸相比，有一定程度長(zhǎng)大，組織均勻性變差，部分區(qū)域出現(xiàn)網(wǎng)狀組織（如10（e）所示）。圖10（g）為第7道次的蓋面焊微觀組織形態(tài)，以QF+AF組織特征為主，由于靠近外層和大氣環(huán)境的接觸面積最大，熱傳導(dǎo)和散熱速率更快，因此保留了部分AF組織，使表面熔池在短時(shí)間內(nèi)迅速凝固形成了和打底焊相似的高鋼級(jí)管線鋼常見(jiàn)針鐵素體組織形態(tài)特征。針狀鐵素體組織具有較強(qiáng)的止裂能力，其主要是由較細(xì)小的鐵素體板條束加片狀M/A組元構(gòu)成，具有精細(xì)的亞單元和高的位錯(cuò)密度，有效晶粒尺寸較其他組織更加細(xì)小[9-11]。這種互相交錯(cuò)彼此咬合的針狀鐵素體及分布狀態(tài)能有效延長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展路徑，增大裂紋擴(kuò)展阻力，可顯著提高焊縫韌性[12-13]。

以B-5為例對(duì)比分析熱影響區(qū)的組織形貌，原始試樣B-0和5次補(bǔ)焊B-5的焊縫宏觀形貌如圖11所示。從圖11可以看出，B-0和B-5的焊縫形貌存在較大的差異，5次補(bǔ)焊后外焊縫明顯變寬，原有的埋弧焊留下的熱影響區(qū)被完全刨除，B-5中的外焊熱影響區(qū)為手工焊。后續(xù)觀察B-1、B-2、B-3、B-4、B-5補(bǔ)焊熱影響區(qū)組織發(fā)現(xiàn)，經(jīng)歷不同次數(shù)的補(bǔ)焊，熱影響區(qū)相對(duì)位置顯微組織相差不大，這可能跟手工焊焊接熱輸入較小有關(guān)。

對(duì)應(yīng)圖11中不同區(qū)域的熱影響區(qū)顯微組織照片如圖12所示。分別選取同一相對(duì)位置如1層（打底焊）、3層（填充焊）、5層（填充焊）和7層（蓋面焊）熱影響區(qū)顯微組織進(jìn)行對(duì)比分析。

圖10 各層微觀組織形貌

圖11 B-0和B-5同一位置熱影響區(qū)對(duì)比

對(duì)比第1層打底焊附近熱影響區(qū)與原始試樣B-0顯微組織特征差異發(fā)現(xiàn)，試樣B-0熱影響區(qū)原始奧氏體晶粒均比較粗大，這與埋弧焊焊接時(shí)熱輸入量較大有關(guān)，較高的熱輸入量導(dǎo)致原始奧氏體晶粒過(guò)分長(zhǎng)大，B-0熱影響區(qū)仍以粒狀貝氏體為主的組織特征（見(jiàn)圖12（a））。第7層（蓋面焊）對(duì)應(yīng)熱影響區(qū)原始奧氏體晶粒相對(duì)較小，這是由于刨開(kāi)缺口過(guò)程中，把原始試樣中熱影響區(qū)刨掉，顯微組織幾乎全部為粒狀貝氏體（見(jiàn)圖12（b）所示）。第5層（填充焊）熱影響區(qū)由于經(jīng)歷了多次熱循環(huán)作用，出現(xiàn)部分晶粒細(xì)化，組織以粒狀貝氏體為主，參雜有少量的貝氏體鐵素體（見(jiàn)圖12（d）所示）。 第 3層（填充焊）熱影響區(qū)與第5層（填充焊）熱影響區(qū)顯微組織相似，也經(jīng)歷了多道次熱循環(huán)，但部分區(qū)域出現(xiàn)了所謂的項(xiàng)鏈組織，奧氏體內(nèi)部以貝氏體鐵素體和粒狀貝氏體為主（見(jiàn)圖12（f）所示）。最后對(duì)比打底焊和試樣B-0同一位置熱影響區(qū)顯微組織形貌，經(jīng)歷了“碳弧刨開(kāi)－補(bǔ)焊”如此往復(fù)5次補(bǔ)焊工藝后，B-5試樣打底焊熱影響區(qū)組織未表現(xiàn)出明顯惡化，這與“碳弧刨開(kāi)”過(guò)程有關(guān)，刨的過(guò)程中把埋弧焊留下的熱影響區(qū)完全刨掉，現(xiàn)在觀察到的為手工焊熱影響區(qū)，由于手工焊焊接熱輸入量相對(duì)較小，因此手工焊熱影響區(qū)原始奧氏體晶粒較細(xì)。反映在韌性上，試樣B-5熱影響區(qū)比B-0具有優(yōu)異的沖擊韌性；B-1至B-4金相試樣與B-5試樣在顯微組織上相差無(wú)幾，這里不一一論述。

圖12 對(duì)應(yīng)圖11中不同區(qū)域的熱影響區(qū)顯微組織照片

3 結(jié) 論

（1）本研究選用21.4 mm壁厚螺旋埋弧焊管經(jīng)歷了2～5道次補(bǔ)焊后，焊接接頭各項(xiàng)理化性能與1次補(bǔ)焊相當(dāng)，且各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。2～5道次的補(bǔ)焊對(duì)焊接接頭理化性能影響不大。

（2）5次補(bǔ)焊后（B-5）焊接接頭焊縫和熱影響區(qū)的沖擊韌性均明顯高于B-0，其他各項(xiàng)理化性能也均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊接熱影響區(qū)未出現(xiàn)明顯的軟化和硬化現(xiàn)象。

[1]張德文.密切關(guān)注世界能源變化，堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展之路[J].世界石油工業(yè)，2008（1）：20-27.

[2]李鶴林，吉玲康，謝麗華.中國(guó)石油管的發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（1）：1-5.

[3]張斌，錢(qián)成文，王玉梅，等.國(guó)內(nèi)外高鋼級(jí)管線鋼的發(fā)展及應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2012，38（1）：1-5.

[4]王海生，張立英，王慶國(guó)，等.高鋼級(jí)管線鋼的補(bǔ)焊[J].鋼管，2005（6）：24-25.

[5]李亞江，王娟.焊接缺陷分析與對(duì)策[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[6]張華軍，陸漢忠，沈大明，等.大厚板高強(qiáng)鋼補(bǔ)焊橫向裂紋試驗(yàn)及產(chǎn)生機(jī)理[J].焊接學(xué)報(bào)，2011（4）：27-29.

[7]安龍虎.管線鋼焊條電弧焊（SMAW）焊接工藝優(yōu)化[J].工藝與新技術(shù)，2012，41（10）：31-34.

[8]API SPEC 5L，管線鋼管規(guī)范（第45版）[S].

[9]畢宗岳.管線鋼管焊接技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013.

[10]薛鵬.X80管線鋼的韌性研究[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2008.

[11]李紅英，魏冬冬，林武，等.X80管線鋼沖擊韌性研究[J].材料熱處理學(xué)報(bào)，2010，31（11）：73-78.

[12]EDMONDS D V，COCHRANE R C.Structure-property relationships in bainite steels[J].Metall Mater Trans A，1990（21）：1527-1540.

[13]鄧偉，高秀華，秦小梅，等.X80管線鋼的沖擊斷裂行為[J].金屬學(xué)報(bào)，2010，46（5）：533-540.

Study on Repair Welding Process of Large Wall Thickness SAWH Pipe

LIU Zhenwei,WANG Haisheng,WANG Yuqing,LI Shiwu
（Bohai Equipment North China Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Qingxian 062650,Hebei,China）

In order to study the weld performance change of heavy wall thickness SAWH pipe after many times repair welding,the different repair welding process for 21.4 mm heavy wall thickness SAWH pipe welded joint was tested by means of Charpy impact，tensile test,bending test， hardness testing and metallographic test.The result indicated that the tensile property of welded joint,impact toughness,bending property and hardness value all meet the requirements of the standard.Compared with the original welded joints,no serious grain growth phenomenon of welded joints after repair welding was found,as well as other brittle structure.After 3～5 times repair welding，the performance of both physical and chemical inspection and nondestructive testing can meet the standard requirements of the West-to-East Gas Pipeline Project.And it can lay a solid theoretical foundation for the multi-pass repair welding technology.

SAWH pipe;heavy wall thickness;repair welding

TG407

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.06.009

劉振偉（1981―），男，碩士，工程師，主要從事理化檢驗(yàn)和鋼管的研發(fā)工作。

2015－10－26

李紅麗