管道環(huán)焊縫裝配間隙對(duì)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(duì)焊接質(zhì)量的影響
油氣管線(xiàn)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(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目如“西氣東輸”等大型油氣管線(xiàn)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(guò)程中,如連頭焊、返修焊時(shí),裝配間隙會(huì)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍。
出現(xiàn)這樣的情況,由于現(xiàn)場(chǎng)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(mǎn)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(guò)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(duì)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(guó)管線(xiàn)鋼中強(qiáng)度較高的鋼種之一。該鋼種已經(jīng)在管線(xiàn)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(jiàn)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(kāi)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(duì)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(guò)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(guò)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(jiàn)表4，根據(jù)API1104，在不同的焊接位置取樣，分析不同間隙對(duì)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(guān)檢查及射線(xiàn)探傷
按照API1104標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)管接頭進(jìn)行外觀(guān)檢查及射線(xiàn)探傷，其檢測(cè)結(jié)果為合格。
2.2外觀(guān)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(kāi)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(duì)試驗(yàn)管口進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果均合格。
2.4金相組織
對(duì)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(guān)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(duì)圖3，圖4進(jìn)行觀(guān)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?？梢钥吹胶缚p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(zhǎng)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(lèi)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(jiàn)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(cè)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(duì)力學(xué)性能的影響
力學(xué)性能結(jié)果表明，大間隙對(duì)抗拉強(qiáng)度沒(méi)有什么影響。在焊接過(guò)程中由于焊接技術(shù)嫻熟，沒(méi)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(mǎn)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(duì)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(mǎn)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(chǎng)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(duì)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(guò)射線(xiàn)探傷、力學(xué)性能測(cè)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(shuō)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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