多次補焊對埋弧焊鋼管焊縫性能影響的探討

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熱影響區兩部分組成。焊接過程中，焊縫從高溫降低到常溫，期間必須經歷兩次組織的變化，即第1 次是由液態金屬轉變為固體金屬的結晶過程；第2次是溫度降低到相變溫度時，再次發生組織轉變。二次組織的變化不僅僅發生在焊縫，同時，也發生在焊縫兩側熱影響區域。根據組織結構特征可將焊縫兩側熱影響區分為熔合區，過熱粗晶區，相變重結晶區和不完全重結晶區4 個小區。其中熔合區和過熱區組織晶粒粗大，塑性不好，是產生缺陷及局部脆性破壞的主要位置，也是鋼管焊縫質量的薄弱部位。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條件》為例，規定：鋼管焊縫同一位置補焊次數不能超過二次。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律及其對焊接接頭力學性能的影響。

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，補焊工藝及規范參數與1 次補焊相同，補焊后并經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）嚴格按照生產工藝卡片的要求進行操作生產。

（2）檢查電焊條規格型號，未經檢驗合格的焊材嚴禁投入使用。

（3）電焊條使用時應放在保溫桶內，隨取隨用，避免與水、油污等混雜接觸。

（4）非工藝規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）工作時保持環境衛生清潔。

（7）焊前檢查設備、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 補焊質量控制要求

（1）用碳弧氣刨清除缺陷前應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，選取其中焊接質量比較理想的部分進行熱影響區、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。如此反復進行6 次補焊，對得到的數據進行分析。

選取了一段鋼管分成6 個區域，以裂紋為設定缺陷分別進行了1～6 次補焊。對焊縫、熱影響區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 研究結果及結論

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，試驗加工前經過冷壓展平處理，焊縫抗拉試樣見圖1，試驗執行標準為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沒有必然聯系。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，是因為該區域經手工超聲波檢查發現存在超標的夾渣。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，但是所有數值均遠大于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 ℃，試驗執行標準ASTM A370—2020，熱影響區沖擊功見表3。

表3 中的數據大部分在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，從熱影響區斷開，與其他補焊區域的焊縫抗拉強度相比屬于較低值，但是所有數值均大于Q/SY GJX 0125—2007 中要求的熱影響區沖擊功不低于60 J，平均熱影響區沖擊功不低于80 J。

表3 熱影響區沖擊功 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構的分析，發現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，發現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的增加而晶粒變粗，過熱區的珠光體、粒狀貝氏體和鐵素體也隨補焊次數的增加而晶粒變粗，各種晶界面也隨補焊次數的增加而清晰。從金相組織分析，總體變化不大，熱影響區的晶粒較母材明顯粗大且分布不均。

3 結束語

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生熱應力，同時在同一部位進行多次重復補焊和加熱作用會使焊縫及焊縫兩側熱影響區兩部位金相組織變粗、韌性變差，容易產生微裂紋。

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。可見，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熱影響區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熱影響區兩部分造成疲勞損傷，鋼管焊縫使用壽命應一次次降低，并且在焊縫及焊縫兩側熱影響區兩部分的焊趾處，造成疲勞損傷最為嚴重。因為該處受力截面發生突變、造成應力集中，此處的實際應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產生裂紋，隨后繼續擴展。焊縫兩側金屬由于應力釋放將不再產生裂紋，產生的焊縫裂紋由于受到更大的應力集中而繼續擴展。

在本試驗中補焊焊縫及焊縫兩側熱影響區兩部分的裂紋，基本上是焊趾處產生的裂紋，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熱影響區兩部分的影響并不能表現出來或影響不嚴重。

經過多次補焊后鋼管焊縫及焊縫兩側熱影響區兩部分材質的變化規律及多次補焊對材料的金相組織影響的相關數據分析得出，鋼管焊縫及焊縫兩側熱影響區兩部分多次補焊后，焊縫及焊縫兩側熱影響區兩部分的金相組織、力學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。