碳弧氣刨對(duì)管線(xiàn)管焊接接頭性能影響分析

毛靜麗 王虎 劉智 劉華偉 張井仁 張旭倬

一、概述

碳弧氣刨清根的方法應(yīng)用較為廣泛，其高效的清根效率得到廣大用戶(hù)的青睞，但對(duì)于全自動(dòng)焊接接頭，手工電動(dòng)砂輪清根的方法效率比較低，尤其是在海洋管道工程施工中體現(xiàn)較為突出，在這一前提下，通過(guò)調(diào)研分析國(guó)外海底管道工程管線(xiàn)管焊縫清根方法和技術(shù)，對(duì)碳弧氣刨清根對(duì)管線(xiàn)管焊接接頭性能影響進(jìn)行了分析研究。

本文主要研究分析碳弧氣刨清根對(duì)接頭性能的影響，確定碳弧氣刨對(duì)焊接接頭性能影響大小，進(jìn)行分析、定量測(cè)量、微觀(guān)組織對(duì)比，并采取相應(yīng)的技術(shù)措施來(lái)消除碳弧氣刨對(duì)焊接接頭的影響，保證焊接接頭的力學(xué)性能。

二、試驗(yàn)材料和方法

1. 試驗(yàn)材料

管線(xiàn)材質(zhì)API 5L PSL2，X65 SSAW焊管，規(guī)格為φ610mm×22.2mm，X65鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1、表2所示。焊接材料采用BOEHLER SG3—P ER70S-G、φ1.0mm，焊接方法為全自動(dòng)焊；返修焊材為81N1。

2. 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用定量測(cè)量分析和對(duì)比研究分析兩種方案。主要試驗(yàn)方法包括：①對(duì)碳弧氣刨的原始坡口進(jìn)行宏觀(guān)金相、硬度、微觀(guān)組織進(jìn)行試驗(yàn)分析。②采用碳弧氣刨清根，再用砂輪機(jī)清除表面2mm，采用返修工藝進(jìn)行焊接的接頭進(jìn)行金相組織、硬度、沖擊和常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)。③采用砂輪機(jī)清根，采用返修工藝進(jìn)行焊接的接頭進(jìn)行金相組織、硬度、沖擊和常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)。

三、試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

1. 碳弧氣刨清根原始坡口

（1）硬度試驗(yàn) 取三個(gè)試件，編號(hào)分別為1#-1、1#-2、1#-3，對(duì)碳弧氣刨的原始坡口進(jìn)行維氏（HV1）硬度試驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)間距為0.1mm，由邊緣向母材測(cè)試，每個(gè)試件3排，每排30點(diǎn)。

1#-1、1#-2、1#-3分別為1#試件的3個(gè)不同位置，碳弧氣刨后的V形缺口形貌如圖1所示。硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布如圖2所示。

表1 X65鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 X65鋼的力學(xué)性能

圖1 碳弧氣刨宏觀(guān)金相

圖2 碳弧氣刨原始坡口硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布

綜合分析，由圖2可以看出，碳弧氣刨后坡口的硬度值會(huì)增加，硬度值在13點(diǎn)附近趨于一條直線(xiàn)，即碳弧氣刨引起母材硬度增大的厚度約為1.3mm。

（2）金相測(cè)量 對(duì)碳弧氣刨后1#件3個(gè)不同位置試件的滲碳層深以及碳弧氣刨熱影響區(qū)的寬度進(jìn)行了測(cè)量，每個(gè)試件在距離壁厚端的3mm、6mm、9mm位置分別進(jìn)行測(cè)量。由顯微圖片可知，碳弧氣刨后V形坡口表面有一黑層，通過(guò)測(cè)量該黑層的深度在10 ~100μm，硬度值在320HV1左右，因此還不能確定該黑層是否是滲碳層。

另外，對(duì)碳弧氣刨熱影響區(qū)的深度進(jìn)行了測(cè)量，為500~1 300μm。

（3）微觀(guān)組織 對(duì)碳弧氣刨后1#-1，1#-2，1#-3試件的顯微組織進(jìn)行了觀(guān)察，得知焊縫區(qū)的組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區(qū)的組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，母材的組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體。

（4）綜合分析 通過(guò)宏觀(guān)金相測(cè)量、硬度曲線(xiàn)分析和微觀(guān)組織，可以確定滲碳層的深度為0.01~0.1mm，熱影響區(qū)硬度深度為1.3mm。碳弧氣刨的熱輸入雖然較大，加工過(guò)程會(huì)導(dǎo)致表層出現(xiàn)滲碳，但通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在碳弧氣刨完成后，采用砂輪機(jī)打磨去除2mm的方案能夠消除碳弧氣刨對(duì)焊縫的影響。

2. 碳弧氣刨清理后返修的焊接接頭性能組織分析

（1） 硬度試驗(yàn) 碳弧氣刨清除焊接缺陷后，再用砂輪機(jī)清除表面2mm，采用返修工藝焊接的接頭進(jìn)行硬度試驗(yàn)。取1個(gè)試件，編號(hào)為2#，進(jìn)行維氏（HV1）硬度試驗(yàn)，由焊縫向母材測(cè)試，每個(gè)試件3排硬度，每排15點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。由圖3可知，焊縫、熱影響區(qū)和母材的分界明顯，走向符合要求，硬度的最大值（234HV1）滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度分布接近一條水平線(xiàn)。

（2）金相組織 2#試樣顯微組織分為焊縫、熱影響區(qū)、過(guò)渡區(qū)、母材，焊縫為貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區(qū)為貝氏體+鐵素體+珠光體，母材為鐵素體+貝氏體+少量珠光體。

（3）沖擊試驗(yàn) 對(duì)2#試件取6個(gè)試樣，規(guī)格為10mm×10mm×55mm、V型缺口，試驗(yàn)溫度-10℃，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

（4）常規(guī)力學(xué)試驗(yàn) 根據(jù)API1104嚴(yán)格進(jìn)行取樣和試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)結(jié)果如表4~表6所示。

3. 砂輪機(jī)清理后返修的焊接頭性能組織分析

圖3 2#試件硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布

表3 2#試樣夏比沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 拉伸試驗(yàn)

表5 彎曲試驗(yàn)

表6 刻槽錘斷

（1）硬度試驗(yàn) 用電動(dòng)砂輪機(jī)清除焊接缺陷后，再采用返修工藝進(jìn)行焊接的接頭進(jìn)行硬度試驗(yàn)。取1個(gè)試件，編號(hào)為3#，進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，測(cè)試點(diǎn)間距為0.1mm，試件3排硬度，每排15點(diǎn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，焊縫、熱影響區(qū)和母材的分界明顯，走向符合要求，硬度的最大值（236HV1）滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫區(qū)和母材區(qū)的硬度分布接近一條水平線(xiàn)。

（2）金相組織 通過(guò)金相圖片綜合分析，3#試樣顯微組織分為焊縫、熱影響區(qū)、過(guò)渡區(qū)、母材，焊縫為針狀鐵素體+貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區(qū)為貝氏體+鐵素體+珠光體，母材為鐵素體+貝氏體+少量珠光體。

（3）沖擊試驗(yàn) 對(duì)3#試件取6個(gè)試樣，規(guī)格為10mm×10mm×55mm、V形缺口，試驗(yàn)溫度-10℃，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。

（4）常規(guī)力學(xué)試驗(yàn) 常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)根據(jù)API1104嚴(yán)格進(jìn)行取樣和試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，如表8~表10所示。

4. 試驗(yàn)對(duì)比分析

（1）硬度試驗(yàn)結(jié)果表明，碳弧氣刨清根再用砂輪機(jī)去掉表層2mm的方案和直接采用砂輪機(jī)清根的方案在硬度試驗(yàn)上沒(méi)有明顯的影響，硬度值分布形狀接近。

（2）顯微組織對(duì)比試驗(yàn)表明，兩種方案的組織接近，碳弧氣刨清根再用砂輪機(jī)去掉表層2mm的方案不會(huì)引起組織發(fā)生不良的的變化；2#、3#試樣顯微組織分為焊縫、熱影響區(qū)、過(guò)渡區(qū)、母材，2#試樣焊縫為貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區(qū)為貝氏體+鐵素體+珠光體，母材為鐵素體+貝氏體+少量珠光體；3#試樣焊縫為針狀鐵素體+貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區(qū)為貝氏體+鐵素體+珠光體，母材為鐵素體+貝氏體+少量珠光體。

（3）沖擊（-10℃）試驗(yàn)兩組數(shù)據(jù)都滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，且沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近。

（4）常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，兩組數(shù)據(jù)比較接近。

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，碳弧氣刨清根再用砂輪機(jī)去掉表層2mm的方案對(duì)焊接接頭的組織、性能沒(méi)有明顯的影響。

四、結(jié)語(yǔ)

圖4 3#試件硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布

通過(guò)試驗(yàn)研究分析，碳弧氣刨清根再用砂輪機(jī)去掉表層2mm的方案可用于管線(xiàn)管焊接接頭缺陷清除，能夠保證接頭力學(xué)性能、金相組織滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，同時(shí)能夠提高返修施工的效率，對(duì)于海底管道工程管線(xiàn)管施工具有重要的意義。

表7 3#試樣夏比沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表8 拉伸試驗(yàn)

表9 彎曲試驗(yàn)

表10 刻槽錘斷

[1] 李慶賀. 焊縫清根技術(shù)的應(yīng)用分析. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備[J]. 2009（2）：55-56.