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，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，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行多次加熱，所以對焊接接頭的晶粒、塑性有很大影響，進而影響鋼管實物質(zhì)量。

1 標準對補焊的要求

以鋼管標準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焊次數(shù)不能超過二次。針對這一標準，對鋼管焊接焊縫6 次補焊進行試驗，分析焊接接頭進行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 試驗材料試驗方法

2.1 試驗材料

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行1 次、2次、3 次、4 次、5 次、6 次補焊，補焊工藝及規(guī)范參數(shù)與1 次補焊相同，補焊后并經(jīng)探傷確認該補焊處均無缺陷。

2.2 補焊工藝

2.2.1 補焊工藝要求

（1）嚴格按照生產(chǎn)工藝卡片的要求進行操作生產(chǎn)。

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

（3）電焊條使用時應(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/或角磨砂輪機將缺陷徹底清除干凈。

（6）工作時保持環(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 補焊質(zhì)量控制要求

（1）用碳弧氣刨清除缺陷前應(yīng)先進行無損檢驗以確定缺陷的位置。

（2）碳弧氣刨后用砂輪將坡口表面3 mm 滲碳層清除。

（3）補焊前將坡口中的雜物清理干凈。

（4）當管體溫度低于10 ℃時需在補焊前將補焊處加熱至10 ℃以上。

2.3 實驗方法

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。然后刨開進行1 次補焊，補焊后經(jīng)手探合格，取樣進行金相顯微組織拍照和夏比沖擊試驗。如此反復(fù)進行6 次補焊，對得到的數(shù)據(jù)進行分析。

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

2.4 研究結(jié)果及結(jié)論

2.4.1 焊縫抗拉強度測試

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

圖1 焊縫抗拉試樣

從表1 可以看出，補焊次數(shù)對焊縫的抗拉強度影響較小，6次補焊中最大值為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，試驗溫度為-10 ℃。試驗執(zhí)行標準 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焊次數(shù)沒有必然聯(lián)系。因為每次補焊之前都是先刨開原來的熔敷金屬，重新進行焊接填充。第6 次補焊焊縫的沖擊吸收功偏低，是因為該區(qū)域經(jīng)手工超聲波檢查發(fā)現(xiàn)存在超標的夾渣。從這點也可以看出，存在超標的夾渣等缺陷也會對沖擊吸收功產(chǎn)生較大的影響。在焊縫抗拉試驗中，第6 次補焊焊縫抗拉強度為655 MPa，從焊縫斷開，數(shù)值為第六組實驗中最低值，亦與焊縫存在超標的夾渣缺陷有關(guān)，但是所有數(shù)值均遠大于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，試驗溫度為-10 ℃，試驗執(zhí)行標準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。這一點也可以從焊縫抗拉試驗得到印證，焊縫抗拉強度為655 MPa，從熱影響區(qū)斷開，與其他補焊區(qū)域的焊縫抗拉強度相比屬于較低值，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 次補焊對鋼管焊縫金相組織的影響（即金相分析）

在同樣的補焊工藝條件下，通過對1～6 次補焊試件的金相組織結(jié)構(gòu)的分析，發(fā)現(xiàn)補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“細珠光體+粒狀貝氏體+鐵素體”。通過對1～6 次補焊試件的金相圖譜的對比，發(fā)現(xiàn)每次補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，補焊焊縫的鐵素體和珠光體隨補焊次數(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焊次數(shù)的增加而晶粒變粗，各種晶界面也隨補焊次數(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焊屬于在鋼管焊縫處局部加熱，因此，在局部加熱過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時在同一部位進行多次重復(fù)補焊和加熱作用會使焊縫及焊縫兩側(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。

本次試驗在同樣的補焊條件下，焊縫的裂紋基本上發(fā)生在焊趾部位，主要為橫向裂紋，每次補焊之前，補焊位置處都要清除掉裂紋及其他缺陷（任何缺陷的補焊，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）。從試驗結(jié)果上來看，多次補焊的疲勞壽命只在第1次補焊時降低，而其他的第2～第6 次補焊其鋼管的焊縫壽命并未降低?？梢?，多次補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)兩部分在試驗中承受了多次疲勞彎曲載荷，必定會給焊縫及焊縫兩側(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重。因為該處受力截面發(fā)生突變、造成應(yīng)力集中，此處的實際應(yīng)力要比其他部位大很多，這會損傷鋼管焊趾處的金屬并在較短疲勞時間內(nèi)產(chǎn)生裂紋，隨后繼續(xù)擴展。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)擴展。

在本試驗中補焊焊縫及焊縫兩側(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，補焊時必須清除掉焊趾裂紋及相鄰的母材及焊縫金屬，補焊時形成新焊縫金屬、新的焊趾，所以多次補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)出來或影響不嚴重。

經(jīng)過多次補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焊性能一致。