肖健 郭曉疆 李永春 吳林恩 夏陪陪 何金昆

摘要：為確定纖維素焊條熔敷金屬檢測(cè)中是否需要提前在鋼板坡口兩側(cè)作堆敷層進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)方形試板進(jìn)行不同層數(shù)的堆敷，觀察出焊縫化學(xué)成分接近，與焊材本身化學(xué)成分相比有了不同比例的增加，說(shuō)明母材的化學(xué)元素有稀釋到焊縫中，但不會(huì)隨著層數(shù)的增加而有明顯的改變;通過(guò)加工距離坡口焊縫不同距離的化學(xué)試塊進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)與母材試板堆敷結(jié)論相近，母材的化學(xué)成分有不同程度的稀釋到焊縫，但距離坡口不同垂直距離的化學(xué)成分相差不明顯;坡口不作堆敷層與堆敷1層力學(xué)性能相近，堆敷2層的力學(xué)性能優(yōu)于不做堆敷層、堆敷1層，但相差不大。

關(guān)鍵詞：纖維素焊條;熔敷金屬檢測(cè);化學(xué)成分;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG422.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）11-0035-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.06

0? ? 前言

纖維素焊條具有單面焊雙面成形、全位置立向下焊時(shí)操作簡(jiǎn)便且施工效率高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油輸送管線的焊接[1-3]。纖維素焊條的另一特點(diǎn)是藥皮有機(jī)物及水分含量高，導(dǎo)致熔敷金屬氫含量偏高，因此適用于管徑較小、鋼管強(qiáng)度級(jí)別較低、 低溫沖擊性能要求較低的管道焊接或是僅用于根焊[4-6]。管道根焊技術(shù)采用纖維素焊條在施工效率和成本方面具有較大優(yōu)勢(shì)。隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，自動(dòng)化焊接技術(shù)逐漸在管道施工中應(yīng)用，但受限于設(shè)備成本、地理因素等條件限制，使得纖維素焊條在管道施工中仍具有較好的市場(chǎng)前景。

纖維素焊條的藥皮中含有大量的纖維素有機(jī)物，焊縫中的氫含量較高，焊縫的塑韌性和抗裂性差，國(guó)外油氣管道標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其應(yīng)用提出限制。BP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最為詳細(xì)，超出下列條件限制不允許使用：（1）鋼級(jí)和壁厚超過(guò)限制。鋼級(jí)≤X65，最大壁厚19 mm;鋼級(jí) X70，采用E8010填充、最大壁厚16 mm，采用E9010填充、最大壁厚10 mm;鋼級(jí) X80，根焊和熱焊僅允許使用，填充焊道不允許使用;鋼級(jí)>X80，不允許使用;（2）承受高應(yīng)變管道;（3）基于應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)管道;（4）管件、法蘭和閥門(mén)的焊接;（5）角焊縫焊接（如陰極保護(hù)附件）。SHELL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，纖維素焊條不允許用于管件焊接以及壁厚超過(guò)25 mm的管子與管子焊接。TOTAL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，纖維素焊條僅限用于X56及以下鋼級(jí)管道，不允許用于連頭口焊接和返修焊接。Trans Canada 標(biāo)準(zhǔn)限定返修焊縫纖維素焊條允許使用的最高鋼級(jí)為 X52，最大壁厚為7 mm[7-11]。

中石油線路焊接新版CDP文件要求X70及以上鋼級(jí)管道線路、連頭、返修焊接均不允許使用纖維素焊條。建議參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)不同鋼級(jí)和壁厚、以及返修焊、連頭焊提出更嚴(yán)格的纖維素焊條使用限制，并對(duì)目前使用纖維素焊條的工藝進(jìn)行梳理。

近些年，對(duì)石油管道施工過(guò)程控制越發(fā)嚴(yán)格，焊材復(fù)檢是施工中焊材進(jìn)場(chǎng)前的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，檢驗(yàn)合格后的焊材方可用于焊接。根據(jù)焊材檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)AWS A5.1中的要求，纖維素焊材復(fù)檢建議在熔敷金屬試板的坡口兩側(cè)用同類型焊材進(jìn)行一層堆敷，在與焊材廠家的溝通中，廠家建議在坡口兩側(cè)進(jìn)行兩層堆敷，以減少母材成分對(duì)焊材力學(xué)性能的影響[12]。文中通過(guò)研究不同堆敷層厚度對(duì)纖維素焊條熔敷金屬力學(xué)性能和化學(xué)成分的影響，從而得出纖維素焊條熔敷金屬焊材復(fù)檢中是否有必要在試板兩側(cè)進(jìn)行堆敷層處理。

1 試驗(yàn)材料及方法

采用BOEHLER FOX CEL φ4.0 mm焊條，批號(hào)為2146926，焊材化學(xué)成分如表1所示;母材選用尺寸為350 mm×200 mm×20 mm的Q345B試板，化學(xué)成分如表2所示。首先，加工10個(gè)50 mm×50 mm小方塊進(jìn)行光譜試驗(yàn)，設(shè)備為T(mén)hermo 4460，第一個(gè)為母材化學(xué)成分，第二個(gè)在母材上堆敷一層，以此類推到第9層如圖1所示，分別測(cè)量其化學(xué)成分如表3所示;其次，在加工好的試板坡口上進(jìn)行焊接堆敷，堆敷長(zhǎng)度為50 mm，分別堆敷1層和2層。每層均為兩道焊縫，如圖2所示，進(jìn)行光譜試驗(yàn)，化學(xué)成分如表4所示;再次，按照焊材標(biāo)準(zhǔn)以及廠家推薦的參數(shù)進(jìn)行熔敷金屬的焊接，組對(duì)及焊接參數(shù)見(jiàn)表5、表6，焊接完成并進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)后在距離坡口表面1～8 mm的位置，用冷切割方法分別制備8個(gè)試塊，如圖3所示，進(jìn)行光譜試驗(yàn)，化學(xué)成分結(jié)果如表7所示;最后按照相同的焊接工藝焊接三塊整板，分別為不做堆敷層、1層堆敷層、2層堆敷層，焊接完成后、試件加工前進(jìn)行250 ℃×16 h的去氫處理，處理完成后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的拉伸和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同堆敷層數(shù)熔敷金屬化學(xué)成分的變化

隨著堆敷層數(shù)的變化，各元素化學(xué)成分的變化如圖4所示，0為纖維素焊條材質(zhì)單的化學(xué)成分，1～9為堆敷1～9層。由圖可知，除堆敷1層時(shí)Mn元素有所波動(dòng)外，其他層數(shù)堆敷金屬的化學(xué)成分波動(dòng)很小。

2.2 不同堆敷層數(shù)的對(duì)接坡口化學(xué)成分的變化

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)推薦，坡口板堆敷層厚度一般約為3 mm。比較堆敷1層和堆敷2層化學(xué)成分的變化（見(jiàn)表4），主要元素化學(xué)成分并無(wú)明顯區(qū)別。

2.3 不同堆敷層數(shù)的坡口不同垂直距離化學(xué)成分的變化

由表7和圖5可知，隨著距離坡口垂直距離的變化，化學(xué)成分呈現(xiàn)增多或者減少的情況，除Mo元素在距離坡口垂直3 mm時(shí)化學(xué)成分出現(xiàn)了波動(dòng)，其他主要元素化學(xué)成分偏差都在20%以內(nèi)。

2.4 纖維素焊條不同堆敷層數(shù)力學(xué)性能的變化

由表8可知，不作堆敷層的力學(xué)性能與1層堆敷層的接近，與兩層堆敷層的力學(xué)性能相比：拉伸強(qiáng)度低15 MPa，延伸率高2.5 mm，沖擊性能接近。

3 結(jié)論

（1）選用同種母材進(jìn)行熔敷金屬化學(xué)試塊不同堆敷層數(shù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)堆敷1層后Mn元素的成分有所提高，但其余層數(shù)的元素化學(xué)成分接近，母材化學(xué)元素成分稀釋到焊縫中的微乎其微。

（2）距離坡口不同垂直距離的化學(xué)元素成分差別不大，但與焊條本身化學(xué)元素有10%～80%的差別，說(shuō)明母材的化學(xué)成分是有不同程度的稀釋到焊縫中。

（3）坡口堆敷1層和不堆敷的拉伸性能、沖擊功比較接近，都低于堆敷2層的，但差距不大。

（4）纖維素焊條熔敷金屬檢測(cè)中，對(duì)坡口作堆敷層對(duì)其力學(xué)性能影響并不大，可以不作堆敷層。

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