管道環(huán)焊縫裝配間隙對焊接質(zhì)量的影響_滄州五森管道有限公司
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管道環(huán)焊縫裝配間隙對焊接質(zhì)量的影響
油氣管線工程中,環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量受多種因素的影響,例如焊接參數(shù)中,焊接電流、電弧電壓、間隙和鈍邊等方面的影響。在國家重點(diǎn)項(xiàng)目如“西氣東輸”等大型油氣管線工程所執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中,都明確規(guī)定了裝配間隙的大小。但在實(shí)際施工過程中,如連頭焊、返修焊時(shí),裝配間隙會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。
出現(xiàn)這樣的情況,由于現(xiàn)場加工條件的限制,不能采用其它方法解決,只能在操作手法上采取措施。熟練的焊工雖然能夠較好地解決這個(gè)操作難題,但是,力學(xué)性能能否滿足要求,還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。
本文考慮到實(shí)際施工中采用的焊接工藝,選擇焊條電弧焊(試件編號(hào)為SY01)和藥芯焊絲半自動(dòng)焊(試件編號(hào)為SY02)2種工藝方案各焊接一組試件,通過實(shí)際的不均勻間隙條件下的環(huán)焊縫焊接,按照API 1104標(biāo)準(zhǔn),檢驗(yàn)其力學(xué)性能、金相組織、硬度及沖擊韌性等各項(xiàng)性能,并且討論裝配間隙對環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量的影響。
1試驗(yàn)材料和方法
1.1母材
X65鋼是目前我國管線鋼中強(qiáng)度較高的鋼種之一。該鋼種已經(jīng)在管線工程中得到了廣泛應(yīng)用。本次試驗(yàn)采用X65管材,規(guī)格為?325mm×8.0mm。其主要化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。
表1 X65化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)及力學(xué)性能
1.2焊材
焊條電弧焊時(shí),打底焊采用纖維素型焊條E6010,符合AWSA5.1的規(guī)定,直徑為3.2mm;填充、蓋面焊采用E5015焊條,符合GBT5117-1995的規(guī)定。藥芯焊絲半自動(dòng)焊時(shí),打底焊采用纖維素型焊條E6010,符合AWSA5.1的規(guī)定,直徑為3.2mm;填充、蓋面焊采用藥芯焊絲E71T8-Nil,符合AWSA5.29的規(guī)定,直徑為2.0mm,該焊絲具有操作性能好,焊接質(zhì)量高、抗風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
1.3接頭設(shè)計(jì)
開坡口的目的在于保證焊透以及使焊接生產(chǎn)順利進(jìn)行確保焊接質(zhì)量和接頭性能,減小焊接變形,降低焊接材料的消耗。管口組對是保證焊接質(zhì)量的先決條件,本研究采用V形坡口,如圖1所示。
為了在一個(gè)管接頭中，進(jìn)行不同間隙的試驗(yàn)，采用圖2所示的方式進(jìn)行裝配。在整個(gè)環(huán)焊縫中，間隙尺寸均勻分布，即從2.0mm均勻變化到11.0mm。從而很好地模擬了在實(shí)際焊接中的裝配間隙超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的情況。
1.4焊接工藝及焊接參數(shù)
在焊接操作過程中，采用連弧焊。大間隙的部位用小電流，小間隙的部位用大電流。環(huán)焊縫焊接參數(shù)建表2和表3。
表2 焊條電弧焊焊接參數(shù)
表3 藥芯焊絲半自動(dòng)焊焊接參數(shù)
1.5力學(xué)試件準(zhǔn)備
在不同的焊接位置有不同的間隙，具體情況見表4，根據(jù)API1104，在不同的焊接位置取樣，分析不同間隙對力學(xué)性能的影響。
表4 環(huán)焊縫不同位置間隙
2試驗(yàn)結(jié)果
2.1外觀檢查及射線探傷
按照API1104標(biāo)準(zhǔn)，對管接頭進(jìn)行外觀檢查及射線探傷，其檢測結(jié)果為合格。
2.2外觀變形情況
由于環(huán)焊縫上每點(diǎn)的間隙不同，從2.0mm到11.0mm變化，在取力學(xué)試件時(shí)，從管口上切開的試件中，3～4點(diǎn)位置的試件有角變形，其值約為5°。
2.3力學(xué)性能試驗(yàn)
按照API1104標(biāo)準(zhǔn)對試驗(yàn)管口進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，各項(xiàng)測試結(jié)果均合格。
2.4金相組織
對于管道環(huán)焊縫接頭的12，3，6點(diǎn)位置的金相試件進(jìn)行了認(rèn)真觀察。采用焊條電弧焊方案得到的3點(diǎn)位焊接接頭金相組織照片如圖3所示；采用藥芯焊絲半自動(dòng)焊得到的3點(diǎn)位置處焊接接頭金相組織照片如圖4所示。
對圖3，圖4進(jìn)行觀察分析可知：焊條電弧焊方案得到的接頭的熔合區(qū)組織不均勻，尤其是焊縫的聯(lián)生結(jié)晶粗大。可以看到焊縫結(jié)晶起始部位的柱狀晶粒粗大，而且在晶界上的鐵素體塊很大。在焊縫中心部位，柱狀晶非常明顯，而且晶”界鐵素體多為長條狀析出。
在該試樣的熱影響區(qū)內(nèi)，組織稍均勻些，但是晶粒度仍然很大。焊接時(shí)的母材成分及選用的焊材類型決定了上述組織是以鐵素體和珠光體為主的。采用藥芯焊絲半自動(dòng)焊完成的焊接接頭的情況是：熔合區(qū)組織細(xì)小、均勻。其組織成分仍然是鐵素體和珠光體。
在焊縫中心部位，柱狀晶明顯，但晶粒尺寸比采用焊條電弧焊時(shí)小得多，而且晶界鐵素體析出明顯。在熱影響區(qū)，晶粒細(xì)小，比較均勻。這些部位的組織狀況均比采用焊條電弧焊時(shí)好，分析其原因與藥芯焊絲半自動(dòng)焊的焊接參數(shù)、焊速及熱輸入大小有關(guān)。
2.5硬度試驗(yàn)結(jié)果
采用上述2種焊接方案得到的環(huán)焊接頭“3點(diǎn)位”硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。
表5 兩種焊接方案的環(huán)焊接頭“3點(diǎn)位”硬度數(shù)值（HV10）
注：11*為焊縫中心
從表5的數(shù)據(jù)可以看出：
（1）焊縫中心位置的硬度，分別為HV10195與HV10192，比較相近。
（2）焊縫中心左側(cè)的4點(diǎn)處，分別為HV10204與HV10229，是左側(cè)的HV10最大值所在位置。
（3）焊縫中心右側(cè)的19，14點(diǎn)處的硬度分別為HV10202與HV10208，是右側(cè)的HV10最大值所在位置。
由于硬度測試點(diǎn)之間的距離為0.5mm，可以看出，距離焊縫中心為-3.5～+4.0mm或-3.5～+1.5mm處，是產(chǎn)生HV10最大值的部位，也就是在熔合區(qū)的粗晶區(qū)硬度值最大。
（4）按照Q/SYXQ4-2003的規(guī)定，HV10最大值應(yīng)當(dāng)小于HV10265，本試驗(yàn)結(jié)果是合格的。
3討論
3.1裝配間隙對力學(xué)性能的影響
力學(xué)性能結(jié)果表明，大間隙對抗拉強(qiáng)度沒有什么影響。在焊接過程中由于焊接技術(shù)嫻熟，沒有產(chǎn)生缺陷，所以彎曲試驗(yàn)和刻槽錘斷試驗(yàn)結(jié)果都合格；在-20℃時(shí)的沖擊吸收功滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，可以認(rèn)為裝配間隙對力學(xué)性能影響不大。
但是應(yīng)當(dāng)指出，與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)比較，由于間隙的尺寸超標(biāo)，在裝配、焊接時(shí)，都需要發(fā)揮操作技能滿足工程需要，然而制備力學(xué)性能試件時(shí)，切割后的小板條有少量變形。所以筆者仍然希望管道工程技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持正確裝配間隙，不得超標(biāo)。
只有在站場焊接或“碰死口”的情況下才允許超標(biāo)，但也應(yīng)盡量焊好“超標(biāo)間隙”的接頭。必須認(rèn)識(shí)到這種情況下完成的焊接接頭內(nèi)部存在著嚴(yán)重的應(yīng)力狀態(tài)。
3.2間隙對內(nèi)部應(yīng)力的影響
由于間隙比較大，焊接時(shí)的收縮量大，在焊接完成后的殘余應(yīng)力比較大。在環(huán)焊縫取力學(xué)試件時(shí)，破壞了內(nèi)應(yīng)力平衡，產(chǎn)生5°左右的角變形。
4結(jié)論
（1）?325mm×8.0mm的X65鋼管道環(huán)焊縫間隙在2-11mm的情況下，分別采用焊條電弧焊和藥芯焊絲半自動(dòng)焊完成的焊接接頭，經(jīng)過射線探傷、力學(xué)性能測試、金相組織分析及硬度試驗(yàn)表明，符合APl1104標(biāo)準(zhǔn)，接頭的焊接質(zhì)量合格。
（2）上述管口焊接接頭在切取力學(xué)性能試件時(shí)，在間隙大的部位，試件板條有5°左右的角變形，說明該處的焊接內(nèi)應(yīng)力比較嚴(yán)重。
（3）超標(biāo)的裝配間隙，采用正確的焊接操作手法，雖然可以焊接出合格的焊接接頭，但是這種接頭內(nèi)部存在著嚴(yán)重電應(yīng)力狀態(tài)。因此，組裝時(shí)的“間隙”仍應(yīng)按照有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，不可超標(biāo)。
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