螺旋埋弧焊管自動補焊工藝研究

陳 楠，王海生，李汝江，韓 學(xué)，郭曉東，劉湘軍，李 斌

（渤海石油裝備華油鋼管公司，河北 青縣 062658）

0 前 言

螺旋埋弧焊管在焊接過程中易出現(xiàn)燒穿、 焊偏、 未焊透、 氣孔、 夾渣、 咬邊、 斷弧等缺陷，這些缺陷的存在對管道安全構(gòu)成了極大危害[1-2]。 因此，API SPEC 5L、 GB/T 9711 等標(biāo)準(zhǔn)對焊縫缺陷如何進(jìn)行焊接修補做了明確詳實的規(guī)定[3]。 在焊接修補方法使用方面，標(biāo)準(zhǔn)提供了3 種備選方案，分別為自動埋弧焊、 自動或半自動熔化極氣體保護(hù)焊、 低氫焊條電弧焊。 目前，絕大多數(shù)制管企業(yè)采用了低氫焊條手工電弧焊進(jìn)行鋼管補焊，該方法設(shè)備簡單，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但在焊接過程中不可控因素較多，焊縫質(zhì)量的好壞很大程度上取決于操作人員技能水平的高低，且生產(chǎn)效率低。 隨著未來油氣長輸管線向著高鋼級、 大直徑、 大壁厚發(fā)展，人工補焊的弊端會愈發(fā)凸顯，自動補焊技術(shù)將迎來發(fā)展新機(jī)遇[4]。 本研究在3 種不同材質(zhì)、 不同規(guī)格螺旋埋弧焊管焊道上，模擬穿透性 （燒穿） 和非穿透性缺陷 （焊偏、 未焊透、氣孔、 夾渣、 斷弧等），采用自動埋弧焊工藝進(jìn)行修補，并對補焊焊縫的拉伸、 彎曲、 沖擊、 硬度、金相和內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行檢測，以驗證自動補焊工藝的可行性，以期為工業(yè)生產(chǎn)、 研究提供參考。

1 試驗材料和方法

試驗選用 X52 鋼級 Φ610 mm×8 mm、 X70 鋼級Φ1 016 mm×17.5 mm、 X80 鋼級 Φ1 422 mm×21.4 mm 螺旋埋弧焊管，母材化學(xué)成分見表1。

表1 試驗用螺旋埋弧焊管母材化學(xué)成分

采用碳弧氣刨模擬穿透性和非穿透性缺陷，在螺旋埋弧焊管焊道上進(jìn)行焊縫刨削，開口寬度和刨削深度由壁厚決定，后用砂輪清除氧化鐵瘤，形成合適的焊接坡口。 坡口形貌如圖1 所示，坡口尺寸參數(shù)見表2，坡口實物照片如圖2 所示。

圖1 焊接坡口形貌示意圖

表2 焊接坡口尺寸參數(shù)

圖2 焊接坡口實物照片

全透坡口首先采用手工電弧焊封底，然后采用自動埋弧焊填充、 蓋面。 半透坡口直接使用自動埋弧焊填充、 蓋面。 焊接電源： 封底焊采用Lincoln V450-S，填充、 蓋面焊采用 Lincoln AC/DC 1000 SD，電源極性均為直流反接。 焊材匹配：封底焊選用 Φ3.2 mm、 CHE557GX 焊條，填充、蓋面焊選用Φ4.0 mm、 H08C 焊絲和SJ101G 焊劑，具體焊接參數(shù)見表3。 同時，為防止自動埋弧焊弧坑的產(chǎn)生，收弧瞬間選擇在原埋弧焊縫上，并對Lincoln 數(shù)字電源電弧下坡停弧時間、 填弧坑參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，詳見表4。 經(jīng)簡單表面修磨后，可得到過渡圓滑、 成形美觀的焊接接頭。

表3 焊接參數(shù)

表4 收弧參數(shù)設(shè)置

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 外觀及無損檢測

補焊后，對補焊焊縫進(jìn)行外觀質(zhì)量檢查和X射線檢測，結(jié)果如圖3 和圖4 所示，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

圖3 自動補焊焊縫外觀質(zhì)量

圖4 補焊焊縫X 射線拍片

2.2 拉伸及導(dǎo)向彎曲試驗

補焊焊縫拉伸試驗采用全壁厚矩形試樣，按照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)，在室溫下采用CMT5305 微機(jī)控制電子拉伸試驗機(jī)進(jìn)行檢測，拉伸試驗結(jié)果見表5。 由表5 可以看出，焊縫抗拉強(qiáng)度距標(biāo)準(zhǔn)下限要求裕度較大，焊縫強(qiáng)度匹配系數(shù)適中，可充分保證管道在高壓輸送下的安全系數(shù)。

表5 拉伸試驗結(jié)果

按照 ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)，在 1 000 kN 電液伺服彎曲試驗機(jī)上對補焊焊縫進(jìn)行導(dǎo)向彎曲性能檢測，分為面彎和背彎，彎芯直徑對應(yīng) X52、X70、 X80 鋼級取 64 mm、 175 mm、 214 mm，彎曲角度 180°，試驗后母材、 焊縫、 熱影響區(qū)均未見裂紋或斷裂，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 導(dǎo)向彎曲試樣如圖5 所示。

圖5 導(dǎo)向彎曲試樣

2.3 夏比沖擊試驗

焊縫中心、 熱影響區(qū)夏比沖擊試驗采用標(biāo)準(zhǔn) V 形缺口試樣，按照 ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)，在ZBC2752N-3 微機(jī)控制沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行檢測。-10 ℃夏比沖擊試驗結(jié)果見表6。 由表6 可以看出，-10 ℃條件下，焊縫中心、 熱影響區(qū)夏比沖擊性能遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，焊道經(jīng)碳弧氣刨、補焊等多次熱循環(huán)后，焊縫接頭并未出現(xiàn)脆化。同時選取X80 試樣進(jìn)行系列溫度夏比沖擊試驗，結(jié)果如圖6 所示。 由圖6 可以看出，焊縫中心FATT50CVN約在-20 ℃，熱影響區(qū) FATT50CVN約在-40 ℃，高鋼級補焊焊縫呈現(xiàn)出了優(yōu)良的低溫韌性。

表6 -10 ℃夏比沖擊試驗結(jié)果

圖6 焊縫中心及熱影響區(qū)夏比沖擊韌脆轉(zhuǎn)變曲線

2.4 維氏硬度

維氏硬度試驗按照ASTM E384 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，檢測點位置如圖7 所示，試驗結(jié)果見表7。 從試驗數(shù)據(jù)來看，各位置檢測點硬度值差異不大，特別是熱影響區(qū)硬度值無明顯波動，說明該區(qū)域未出現(xiàn)明顯的軟化和硬化，補焊接頭的硬度指標(biāo)較為均勻，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 維氏硬度測試點

表7 維氏硬度測試結(jié)果

2.5 金相檢驗

焊接接頭宏觀照片如圖8 所示。 由圖8 可以看出，焊接接頭外觀形貌良好，與母材平滑過渡，表明自動補焊焊縫成形系數(shù)合理。 將金相試樣在3%硝酸酒精溶液中腐蝕3～5 s 后觀察，焊縫中心、 熱影響區(qū)典型顯微組織照片如圖9 所示。 焊縫中心顯微組織主要為晶內(nèi)成核針狀鐵素體，可以看到明顯的白色先共析鐵素體沿柱狀的晶界析出，熱影響區(qū)顯微組織主要為粒狀貝氏體，奧氏體晶界明顯。 研究認(rèn)為，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密度，有效晶粒尺寸較其他組織更加細(xì)小。 這種互相交錯彼此咬合的針狀鐵素體及分布狀態(tài)能有效延長裂紋擴(kuò)展路徑，增大裂紋擴(kuò)展阻力，可顯著提高焊縫韌性[5-8]。

圖8 焊接接頭宏觀形貌

圖9 焊接接頭顯微組織

3 結(jié) 論

（1） 對不同鋼級、 不同規(guī)格螺旋埋弧焊管，模擬穿透性缺陷和非穿透性缺陷進(jìn)行自動補焊試驗，經(jīng)檢測，補焊焊縫的各項指標(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，自動補焊工藝完全滿足高標(biāo)準(zhǔn)螺旋埋弧焊管生產(chǎn)要求。

（2） 自動補焊工藝可減少施焊過程中的人為干預(yù)，穩(wěn)定焊接質(zhì)量，焊接效率得到很大提升。采用手工電弧焊修補500 mm 長的焊縫需要60 min左右。 采用自動補焊工藝，焊速 0.4 m/min，加之吊裝、 焊接機(jī)構(gòu)調(diào)整時間，共需30 min 左右，生產(chǎn)效率提升50%以上。

（3） 自動補焊工藝不僅適用于本研究API SPEC 5L、 GB/T 9711 標(biāo)準(zhǔn)具有沖擊要求的管線鋼管修補，亦可滿足 GB/T 3091、 SY/T 5037、SY/T 5040、 SY/T 5768 標(biāo)準(zhǔn)低壓流體、 打樁用鋼管修補。 對于后者標(biāo)準(zhǔn)，多無沖擊要求，且允許提供對頭管，自動補焊工藝在帶鋼對焊焊縫反面修補方面優(yōu)勢將更加明顯[9-15]。