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        多次補(bǔ)焊對埋弧焊鋼管焊縫性能影響的探討

        2022-07-21 13:22:08姚洪昆
        設(shè)備管理與維修 2022年12期
        關(guān)鍵詞:補(bǔ)焊金相晶粒

        錢 勇,姚洪昆,梁 棟

        (渤海裝備南京巨龍鋼管有限公司,江蘇南京 210061)

        0 引言

        鋼管的焊縫包括焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分組成。焊接過程中,焊縫從高溫降低到常溫,期間必須經(jīng)歷兩次組織的變化,即第1 次是由液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w金屬的結(jié)晶過程;第2次是溫度降低到相變溫度時(shí),再次發(fā)生組織轉(zhuǎn)變。二次組織的變化不僅僅發(fā)生在焊縫,同時(shí),也發(fā)生在焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)域。根據(jù)組織結(jié)構(gòu)特征可將焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)分為熔合區(qū),過熱粗晶區(qū),相變重結(jié)晶區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)4 個(gè)小區(qū)。其中熔合區(qū)和過熱區(qū)組織晶粒粗大,塑性不好,是產(chǎn)生缺陷及局部脆性破壞的主要位置,也是鋼管焊縫質(zhì)量的薄弱部位。多次焊接使焊接接頭進(jìn)行多次加熱,所以對焊接接頭的晶粒、塑性有很大影響,進(jìn)而影響鋼管實(shí)物質(zhì)量。

        1 標(biāo)準(zhǔn)對補(bǔ)焊的要求

        以鋼管標(biāo)準(zhǔn)CDP-S-NGP-PL-006—2014《天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件》為例,規(guī)定:鋼管焊縫同一位置補(bǔ)焊次數(shù)不能超過二次。針對這一標(biāo)準(zhǔn),對鋼管焊接焊縫6 次補(bǔ)焊進(jìn)行試驗(yàn),分析焊接接頭進(jìn)行6 次的受熱,對金屬材料與焊縫金相組織變化規(guī)律及其對焊接接頭力學(xué)性能的影響。

        2 試驗(yàn)材料試驗(yàn)方法

        2.1 試驗(yàn)材料

        選取與鋼管相同的管端,采用鋼級CHE607GX,規(guī)格Φ3.2 mm、Ф4.0 mm 的焊接材料,分別在管端對接接頭焊縫上進(jìn)行1 次、2次、3 次、4 次、5 次、6 次補(bǔ)焊,補(bǔ)焊工藝及規(guī)范參數(shù)與1 次補(bǔ)焊相同,補(bǔ)焊后并經(jīng)探傷確認(rèn)該補(bǔ)焊處均無缺陷。

        2.2 補(bǔ)焊工藝

        2.2.1 補(bǔ)焊工藝要求

        (1)嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝卡片的要求進(jìn)行操作生產(chǎn)。

        (2)檢查電焊條規(guī)格型號(hào),未經(jīng)檢驗(yàn)合格的焊材嚴(yán)禁投入使用。

        (3)電焊條使用時(shí)應(yīng)放在保溫桶內(nèi),隨取隨用,避免與水、油污等混雜接觸。

        (4)非工藝規(guī)定焊材不得在崗位存放,以避免誤用。

        (5)用碳弧氣刨和/或角磨砂輪機(jī)將缺陷徹底清除干凈。

        (6)工作時(shí)保持環(huán)境衛(wèi)生清潔。

        (7)焊前檢查設(shè)備、焊材匹配,確保滿足工作要求。

        (8)所有操作人員上崗必須持有有效的焊工證、崗位資格證。

        2.2.2 補(bǔ)焊質(zhì)量控制要求

        (1)用碳弧氣刨清除缺陷前應(yīng)先進(jìn)行無損檢驗(yàn)以確定缺陷的位置。

        (2)碳弧氣刨后用砂輪將坡口表面3 mm 滲碳層清除。

        (3)補(bǔ)焊前將坡口中的雜物清理干凈。

        (4)當(dāng)管體溫度低于10 ℃時(shí)需在補(bǔ)焊前將補(bǔ)焊處加熱至10 ℃以上。

        2.3 實(shí)驗(yàn)方法

        利用一段因焊縫裂紋降廢的鋼管,選取其中焊接質(zhì)量比較理想的部分進(jìn)行熱影響區(qū)、焊縫的金相顯微組織拍照以及夏比沖擊試驗(yàn)。然后刨開進(jìn)行1 次補(bǔ)焊,補(bǔ)焊后經(jīng)手探合格,取樣進(jìn)行金相顯微組織拍照和夏比沖擊試驗(yàn)。如此反復(fù)進(jìn)行6 次補(bǔ)焊,對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

        選取了一段鋼管分成6 個(gè)區(qū)域,以裂紋為設(shè)定缺陷分別進(jìn)行了1~6 次補(bǔ)焊。對焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行取樣夏比沖擊試驗(yàn),同時(shí)也對其微觀金相組織進(jìn)行拍照、對焊縫的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試。

        2.4 研究結(jié)果及結(jié)論

        2.4.1 焊縫抗拉強(qiáng)度測試

        試樣類型為寬38.1 mm 矩形平板試樣,試驗(yàn)加工前經(jīng)過冷壓展平處理,焊縫抗拉試樣見圖1,試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A370—2020,焊縫抗拉強(qiáng)度和斷口位置見表2。

        圖1 焊縫抗拉試樣

        從表1 可以看出,補(bǔ)焊次數(shù)對焊縫的抗拉強(qiáng)度影響較小,6次補(bǔ)焊中最大值為700 MPa,最小值為655 MPa,差值為45 MPa。所有數(shù)值均遠(yuǎn)大于Q/SY GJX 0125—2007《西 氣東輸二線管道工程用X70 直縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求的570 MPa。

        表1 焊縫抗拉強(qiáng)度和斷口位置

        2.4.2 焊縫沖擊功測試

        試樣類型為10 mm×10 mm×55 mm,2V 形缺口,開口位置焊縫正中。錘刃選用R8 mm,試驗(yàn)溫度為-10 ℃。試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn) ASTM A370—2020,焊縫沖擊功見表2。

        從表2 可以看出,焊縫的沖擊韌性和補(bǔ)焊次數(shù)沒有必然聯(lián)系。因?yàn)槊看窝a(bǔ)焊之前都是先刨開原來的熔敷金屬,重新進(jìn)行焊接填充。第6 次補(bǔ)焊焊縫的沖擊吸收功偏低,是因?yàn)樵搮^(qū)域經(jīng)手工超聲波檢查發(fā)現(xiàn)存在超標(biāo)的夾渣。從這點(diǎn)也可以看出,存在超標(biāo)的夾渣等缺陷也會(huì)對沖擊吸收功產(chǎn)生較大的影響。在焊縫抗拉試驗(yàn)中,第6 次補(bǔ)焊焊縫抗拉強(qiáng)度為655 MPa,從焊縫斷開,數(shù)值為第六組實(shí)驗(yàn)中最低值,亦與焊縫存在超標(biāo)的夾渣缺陷有關(guān),但是所有數(shù)值均遠(yuǎn)大于Q/SY GJX 0125—2007要求的焊縫沖擊功不低于60 J,平均焊縫沖擊功不低于80 J。

        表2 焊縫沖擊功對比 J

        2.4.3 熱影響區(qū)沖擊功測試

        試樣類型為10 mm×10 mm×55 mm,2V 形缺口,開口位置熔合線。錘刃選用R8 mm,試驗(yàn)溫度為-10 ℃,試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)ASTM A370—2020,熱影響區(qū)沖擊功見表3。

        表3 中的數(shù)據(jù)大部分在240~390 J,其中最低的為第6 次,沖擊功為90 J,明顯低于其他試樣。原因主要是,該處補(bǔ)焊焊接能量過大造成熱影響區(qū)組織惡化、晶粒粗大。這一點(diǎn)也可以從焊縫抗拉試驗(yàn)得到印證,焊縫抗拉強(qiáng)度為655 MPa,從熱影響區(qū)斷開,與其他補(bǔ)焊區(qū)域的焊縫抗拉強(qiáng)度相比屬于較低值,但是所有數(shù)值均大于Q/SY GJX 0125—2007 中要求的熱影響區(qū)沖擊功不低于60 J,平均熱影響區(qū)沖擊功不低于80 J。

        表3 熱影響區(qū)沖擊功 J

        2.4.4 6 次補(bǔ)焊對鋼管焊縫金相組織的影響(即金相分析)

        在同樣的補(bǔ)焊工藝條件下,通過對1~6 次補(bǔ)焊試件的金相組織結(jié)構(gòu)的分析,發(fā)現(xiàn)補(bǔ)焊的鋼管焊縫組織均為“柱狀和針狀鐵素體+少量珠光體”,過熱區(qū)組織為“細(xì)珠光體+粒狀貝氏體+鐵素體”。通過對1~6 次補(bǔ)焊試件的金相圖譜的對比,發(fā)現(xiàn)每次補(bǔ)焊的金相組織的晶粒度也完全一致。由于受熱的程度不同使組織晶粒度略有改變,補(bǔ)焊焊縫的鐵素體和珠光體隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加而晶粒變粗,過熱區(qū)的珠光體、粒狀貝氏體和鐵素體也隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加而晶粒變粗,各種晶界面也隨補(bǔ)焊次數(shù)的增加而清晰。從金相組織分析,總體變化不大,熱影響區(qū)的晶粒較母材明顯粗大且分布不均。

        3 結(jié)束語

        由于鋼管的焊縫的補(bǔ)焊屬于在鋼管焊縫處局部加熱,因此,在局部加熱過程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,同時(shí)在同一部位進(jìn)行多次重復(fù)補(bǔ)焊和加熱作用會(huì)使焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部位金相組織變粗、韌性變差,容易產(chǎn)生微裂紋。

        本次試驗(yàn)在同樣的補(bǔ)焊條件下,焊縫的裂紋基本上發(fā)生在焊趾部位,主要為橫向裂紋,每次補(bǔ)焊之前,補(bǔ)焊位置處都要清除掉裂紋及其他缺陷(任何缺陷的補(bǔ)焊,都要清除掉原來焊縫上的缺陷,開出適合焊接的坡口,且坡口與開始焊接的坡口尺寸一致)。從試驗(yàn)結(jié)果上來看,多次補(bǔ)焊的疲勞壽命只在第1次補(bǔ)焊時(shí)降低,而其他的第2~第6 次補(bǔ)焊其鋼管的焊縫壽命并未降低??梢?,多次補(bǔ)焊對試板的疲勞壽命的降低影響有限。

        鋼管焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分在試驗(yàn)中承受了多次疲勞彎曲載荷,必定會(huì)給焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分造成疲勞損傷,鋼管焊縫使用壽命應(yīng)一次次降低,并且在焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分的焊趾處,造成疲勞損傷最為嚴(yán)重。因?yàn)樵撎幨芰孛姘l(fā)生突變、造成應(yīng)力集中,此處的實(shí)際應(yīng)力要比其他部位大很多,這會(huì)損傷鋼管焊趾處的金屬并在較短疲勞時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生裂紋,隨后繼續(xù)擴(kuò)展。焊縫兩側(cè)金屬由于應(yīng)力釋放將不再產(chǎn)生裂紋,產(chǎn)生的焊縫裂紋由于受到更大的應(yīng)力集中而繼續(xù)擴(kuò)展。

        在本試驗(yàn)中補(bǔ)焊焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分的裂紋,基本上是焊趾處產(chǎn)生的裂紋,補(bǔ)焊時(shí)必須清除掉焊趾裂紋及相鄰的母材及焊縫金屬,補(bǔ)焊時(shí)形成新焊縫金屬、新的焊趾,所以多次補(bǔ)焊對焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分的影響并不能表現(xiàn)出來或影響不嚴(yán)重。

        經(jīng)過多次補(bǔ)焊后鋼管焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分材質(zhì)的變化規(guī)律及多次補(bǔ)焊對材料的金相組織影響的相關(guān)數(shù)據(jù)分析得出,鋼管焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分多次補(bǔ)焊后,焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)兩部分的金相組織、力學(xué)性能及疲勞性能并未變差,基本保持與第一次補(bǔ)焊性能一致。

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