碳弧氣刨對管線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用較為廣泛，其高效的清根效率得到廣大用戶的青睞，但對于全自動焊接接頭，手工電動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較為突出，在這一前提下，通過調研分析國外海底管道工程管線管焊縫清根方法和技術，對碳弧氣刨清根對管線管焊接接頭性能影響進行了分析研究。

本文主要研究分析碳弧氣刨清根對接頭性能的影響，確定碳弧氣刨對焊接接頭性能影響大小，進行分析、定量測量、微觀組織對比，并采取相應的技術措施來消除碳弧氣刨對焊接接頭的影響，保證焊接接頭的力學性能。

二、試驗材料和方法

1. 試驗材料

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

2. 試驗方法

試驗采用定量測量分析和對比研究分析兩種方案。主要試驗方法包括：①對碳弧氣刨的原始坡口進行宏觀金相、硬度、微觀組織進行試驗分析。②采用碳弧氣刨清根，再用砂輪機清除表面2mm，采用返修工藝進行焊接的接頭進行金相組織、硬度、沖擊和常規力學試驗。③采用砂輪機清根，采用返修工藝進行焊接的接頭進行金相組織、硬度、沖擊和常規力學試驗。

三、試驗數據分析

1. 碳弧氣刨清根原始坡口

（1）硬度試驗 取三個試件，編號分別為1#-1、1#-2、1#-3，對碳弧氣刨的原始坡口進行維氏（HV1）硬度試驗，測試點間距為0.1mm，由邊緣向母材測試，每個試件3排，每排30點。

1#-1、1#-2、1#-3分別為1#試件的3個不同位置，碳弧氣刨后的V形缺口形貌如圖1所示。硬度試驗數據分布如圖2所示。

表1 X65鋼的化學成分（質量分數） （%）

表2 X65鋼的力學性能

圖1 碳弧氣刨宏觀金相

圖2 碳弧氣刨原始坡口硬度試驗數據分布

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

（2）金相測量 對碳弧氣刨后1#件3個不同位置試件的滲碳層深以及碳弧氣刨熱影響區的寬度進行了測量，每個試件在距離壁厚端的3mm、6mm、9mm位置分別進行測量。由顯微圖片可知，碳弧氣刨后V形坡口表面有一黑層，通過測量該黑層的深度在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，對碳弧氣刨熱影響區的深度進行了測量，為500~1 300μm。

（3）微觀組織 對碳弧氣刨后1#-1，1#-2，1#-3試件的顯微組織進行了觀察，得知焊縫區的組織為貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區的組織為貝氏體+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 通過宏觀金相測量、硬度曲線分析和微觀組織，可以確定滲碳層的深度為0.01~0.1mm，熱影響區硬度深度為1.3mm。碳弧氣刨的熱輸入雖然較大，加工過程會導致表層出現滲碳，但通過試驗數據表明，在碳弧氣刨完成后，采用砂輪機打磨去除2mm的方案能夠消除碳弧氣刨對焊縫的影響。

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 碳弧氣刨清除焊接缺陷后，再用砂輪機清除表面2mm，采用返修工藝焊接的接頭進行硬度試驗。取1個試件，編號為2#，進行維氏（HV1）硬度試驗，由焊縫向母材測試，每個試件3排硬度，每排15點（見圖3）。由圖3可知，焊縫、熱影響區和母材的分界明顯，走向符合要求，硬度的最大值（234HV1）滿足標準要求，焊縫區和母材區的硬度分布接近一條水平線。

（2）金相組織 2#試樣顯微組織分為焊縫、熱影響區、過渡區、母材，焊縫為貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區為貝氏體+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 對2#試件取6個試樣，規格為10mm×10mm×55mm、V型缺口，試驗溫度-10℃，試驗結果如表3所示。

（4）常規力學試驗 根據API1104嚴格進行取樣和試驗，試驗數據滿足標準要求。試驗結果如表4~表6所示。

3. 砂輪機清理后返修的焊接頭性能組織分析

圖3 2#試件硬度試驗數據分布

表3 2#試樣夏比沖擊試驗數據

表4 拉伸試驗

表5 彎曲試驗

表6 刻槽錘斷

（1）硬度試驗 用電動砂輪機清除焊接缺陷后，再采用返修工藝進行焊接的接頭進行硬度試驗。取1個試件，編號為3#，進行維氏硬度試驗，測試點間距為0.1mm，試件3排硬度，每排15點，試驗數據如圖4所示。從試驗結果來看，焊縫、熱影響區和母材的分界明顯，走向符合要求，硬度的最大值（236HV1）滿足標準要求，焊縫區和母材區的硬度分布接近一條水平線。

（2）金相組織 通過金相圖片綜合分析，3#試樣顯微組織分為焊縫、熱影響區、過渡區、母材，焊縫為針狀鐵素體+貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區為貝氏體+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 對3#試件取6個試樣，規格為10mm×10mm×55mm、V形缺口，試驗溫度-10℃，試驗數據如表7所示。

（4）常規力學試驗 常規力學試驗根據API1104嚴格進行取樣和試驗，試驗數據滿足標準要求，如表8~表10所示。

4. 試驗對比分析

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

（2）顯微組織對比試驗表明，兩種方案的組織接近，碳弧氣刨清根再用砂輪機去掉表層2mm的方案不會引起組織發生不良的的變化；2#、3#試樣顯微組織分為焊縫、熱影響區、過渡區、母材，2#試樣焊縫為貝氏體+鐵素體+珠光體，熱影響區為貝氏體+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℃）試驗兩組數據都滿足標準要求，且沖擊試驗數據比較接近。

（4）常規力學試驗結果滿足標準規范要求，兩組數據比較接近。

通過試驗數據對比分析，碳弧氣刨清根再用砂輪機去掉表層2mm的方案對焊接接頭的組織、性能沒有明顯的影響。

四、結語

圖4 3#試件硬度試驗數據分布

通過試驗研究分析，碳弧氣刨清根再用砂輪機去掉表層2mm的方案可用于管線管焊接接頭缺陷清除，能夠保證接頭力學性能、金相組織滿足標準規范，同時能夠提高返修施工的效率，對于海底管道工程管線管施工具有重要的意義。

表7 3#試樣夏比沖擊試驗數據

表8 拉伸試驗

表9 彎曲試驗

表10 刻槽錘斷

[1] 李慶賀. 焊縫清根技術的應用分析. 現代制造技術與裝備[J]. 2009（2）：55-56.