楊天冰 ,李 丹

(1.中國(guó)石油管道局工程有限公司,廊坊 065000;2.油氣管道輸送安全國(guó)家工程研究中心,廊坊 065000;3.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司,廊坊 065000)

0 引言

近年來,我國(guó)的長(zhǎng)距離輸氣管道焊接施工技術(shù)雖然有了很大的提高,但是仍無法滿足管道工程對(duì)焊接速度和質(zhì)量的要求,而管道環(huán)焊縫打底根焊是提高焊接速度和質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。銅襯墊自動(dòng)焊外根焊技術(shù)屬于管道焊接領(lǐng)域的一種根部打底強(qiáng)制成形技術(shù),此技術(shù)具有管道根焊成形質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn),而且還可大幅提高大口徑、厚壁、高鋼級(jí)管道的焊接速度和質(zhì)量。銅襯墊自動(dòng)焊外根焊成形工藝已在國(guó)外很多管道上應(yīng)用,尤其在海洋管道上應(yīng)用更為廣泛[1],但是基于國(guó)內(nèi)管道的建設(shè)現(xiàn)狀,目前該技術(shù)尚未在國(guó)內(nèi)進(jìn)行工程推廣應(yīng)用,主要原因是在國(guó)內(nèi)焊縫根部滲銅對(duì)焊接接頭性能的影響還未得到充分論證[2-3]。

X80鋼是高強(qiáng)度管線鋼,具有安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn),是長(zhǎng)距離輸送石油天然氣的重要管道材料,但是目前未見有關(guān)X80鋼銅襯墊自動(dòng)焊外根焊接頭滲銅方面的研究?；诖?作者采用銅襯墊外根焊熔化極雙焊炬氣保護(hù)實(shí)心焊絲工藝對(duì)X80鋼管進(jìn)行單面焊雙面成形的單道根焊[4],研究了焊縫成形質(zhì)量、粘銅區(qū)域和未粘銅區(qū)域的銅含量,分析了滲銅對(duì)接頭顯微組織、力學(xué)性能的影響,以期為國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道工程應(yīng)用銅襯墊自動(dòng)焊外根焊工藝提供試驗(yàn)參考。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

母材為控軋控冷態(tài)X80管線鋼管,鋼管外徑為1 422 mm,壁厚為32.1 mm。采用CPP900W2N型雙焊炬自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行銅襯墊自動(dòng)焊外根焊試驗(yàn),焊接材料選用直徑為1 mm 的BOEHLER SG8-P焊絲。母材和焊絲的化學(xué)成分如表1所示。銅襯墊采用工程用無槽鉻鋯銅襯墊,化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.79Cr,0.15Zr,1.59W,0.029Si。鉻鋯銅襯墊裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示,該裝置由銅墊塊和支撐架組成,在工作狀態(tài)時(shí)銅墊塊緊貼管道內(nèi)壁。焊接時(shí)采用如圖2所示的U形坡口,焊接電流為140～240 A,電壓為20～26 V,焊接速度為33～66 cm·min-1。

圖1 鉻鋯銅襯墊裝置的結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of chromium zirconium copper liner device

圖2 焊接接頭的坡口尺寸Fig.2 Groove size of welded joint

表1 X80管線鋼和焊接材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of X80 pipeline steel and welding material

焊接結(jié)束后以根焊環(huán)焊縫為中心垂直于焊接方向截取金相試樣,經(jīng)過磨拋后,用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸乙醇溶液腐蝕,然后在Imager.M1m 型光學(xué)顯微鏡和JSM6360LV型掃描電鏡(SEM)下觀察顯微組織,用SystemSix能譜儀(EDS)對(duì)粘銅區(qū)域和未粘銅區(qū)域的微區(qū)銅含量進(jìn)行測(cè)試。按照GB/T 228.1—2021,以根焊環(huán)焊縫為中心垂直于焊接方向截取平面尺寸為20 mm×4 mm的拉伸試樣,為避免根焊縫粘銅和滲銅區(qū)域被部分或全部去除,對(duì)試樣進(jìn)行單側(cè)銑平,將試樣母材部分打磨至與焊縫高度一致,試樣的平行段長(zhǎng)32 mm,兩端帶肩板;采用MTS 810型疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),應(yīng)變速率為0.008 s-1。按照GB/T 229—2020,采用PSW1000型示波沖擊試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)焊縫和熔合區(qū)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[5],以根焊環(huán)焊縫為中心垂直于焊接方向截取沖擊試樣,試樣取樣位置盡可能靠根部側(cè),厚度接近于焊縫厚度,試樣尺寸為3.3 mm×10 mm×55 mm,分別在熔合區(qū)和焊縫處開V型缺口,試驗(yàn)溫度為-10℃。采用FLC-ARS9000型顯微維氏硬度計(jì)沿2條路徑進(jìn)行硬度測(cè)試,載荷為5 N,保載時(shí)間為10 s,測(cè)試間距為0.5 mm。其中:路徑1為距焊縫下表面0.5 mm處,從左側(cè)距焊縫中心5 mm 母材位置至右側(cè)距焊縫中心5 mm 母材位置;路徑2為從焊縫下表面至上表面方向。以根焊環(huán)焊縫為中心垂直于焊接方向截取彎曲試樣,取樣位置盡可能靠根部側(cè),試樣平面尺寸為4 mm×20 mm,按照GB/T 2653—2008,采用BHT5106型彎曲試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行180°側(cè)彎試驗(yàn),彎心直徑為90 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 成形質(zhì)量

由圖3可知,銅襯墊自動(dòng)焊外根焊接頭焊縫成形良好,未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷,焊縫根部存在部分粘銅現(xiàn)象。

圖3 接頭的截面宏觀形貌Fig.3 Section macromorphology of joint：(a)perpendicular to weld direction and(b)along weld direction

2.2 滲銅量

由能譜分析結(jié)果可知,銅襯墊自動(dòng)焊外根焊接頭焊縫根部表面粘銅區(qū)域的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.46%,而未粘銅區(qū)域約為0.10%,與母材銅含量一致,說明該區(qū)域未滲入銅。由圖4可知,焊縫根部粘銅區(qū)域的銅含量明顯較高,滲銅深度約為0.18 mm,而未粘銅區(qū)域銅含量無明顯變化。銅在碳鋼中的擴(kuò)散需要形成銅-鐵擴(kuò)散偶,而未粘銅區(qū)域未形成擴(kuò)散偶[6-7],因此未粘銅區(qū)沒有發(fā)生銅的擴(kuò)散。在焊接過程中,銅襯墊局部熔化,使得銅黏結(jié)在焊接材料的表面形成擴(kuò)散偶;只要系統(tǒng)達(dá)到一定的溫度,滿足銅和鐵互相擴(kuò)散的熱力學(xué)條件,并且銅和鐵存在濃度差異,二者便會(huì)發(fā)生互相擴(kuò)散[8-9]。在焊接過程中,粘銅區(qū)域的溫度和銅/鐵的濃度差滿足了擴(kuò)散條件,但是由于高溫停留時(shí)間較短,因此只有少量的銅擴(kuò)散進(jìn)焊縫。

圖4 接頭焊縫粘銅區(qū)域和未粘銅區(qū)域的截面形貌以及銅元素面掃描和線掃描結(jié)果Fig.4 Section morphology(a，d)and copper element surface(b，e)and line(c，f)scanning results of copper bonded area(a-c)and non-copper bonded area(d-f)of weld of joint

2.3 顯微組織

由圖5可知:未粘銅區(qū)域焊縫晶粒為柱狀晶,對(duì)稱分布于焊縫中心線兩側(cè),組織主要由針狀鐵素體和少量的先共析鐵素體組成,先共析鐵素體在原奧氏體晶界上分布,針狀鐵素體尺寸細(xì)小,無方向性在原奧氏體內(nèi)生長(zhǎng)[10-11];粘銅區(qū)域由于根部銅原子的擴(kuò)散,形成了新相,顯微組織主要由白色塊狀鐵素體、粒狀貝氏體以及白色的游離銅組成[12-13]。銅向碳鋼中的擴(kuò)散主要是通過金屬表面擴(kuò)散、沿晶擴(kuò)散和點(diǎn)陣擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)的,其中銅沿晶界擴(kuò)散系數(shù)最大,因此銅先沿晶界擴(kuò)散,再由晶界向晶粒內(nèi)部擴(kuò)散。銅作為溶質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)碳鋼后,只有質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.3%銅在鐵素體晶粒內(nèi)部形成了新的組織,過飽和銅以游離銅形式沿鐵素體晶界分布。

圖5 接頭焊縫未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域的顯微組織Fig.5 Microstructures of non-copper bonded area(a-b)and copper bonded area(c-d)of weld of joint：(a，c)at low magnification and(b，d)at high magnification

2.4 力學(xué)性能

由圖6可以看出:接頭未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域的硬度變化趨勢(shì)基本一致;接頭根部熱影響區(qū)的硬度最低,未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域的最低硬度分別為218,214 HV,焊縫根部的硬度分別為280,289 HV。由焊縫下表面至上表面,焊縫硬度基本呈升高趨勢(shì),焊縫根部硬度均較低,未粘銅區(qū)域?yàn)?80 HV,粘銅區(qū)域?yàn)?83 HV。焊縫根部粘銅區(qū)域的硬度略高于未粘銅區(qū)域,這可能是因?yàn)檎炽~區(qū)域有銅擴(kuò)散進(jìn)焊縫,提高了硬度。研究[14]表明,當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%～0.85%時(shí),隨著銅含量的增加,焊縫硬度提高。在單焊道成形過程中,焊縫上表面冷卻速率大于焊縫下表面,上表面組織更細(xì)小,因此焊縫上表面硬度較高。

圖6 接頭焊縫未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域的硬度分布曲線Fig.6 Hardness distribution curves of non-copper bonded area and copper bonded area of weld of joint：(a)route 1 and(b)route 2

接頭粘銅試樣和未粘銅試樣的抗拉強(qiáng)度分別為730,732 MPa,拉伸試樣均在母材處斷裂,說明接頭的抗拉強(qiáng)度高于母材。由表2可以看出,未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域的沖擊性能基本一致,焊縫的平均沖擊吸收能量均低于熔合區(qū),說明熔合區(qū)的沖擊韌性優(yōu)于焊縫。整體焊接接頭的沖擊性能良好。彎曲試驗(yàn)后接頭未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域均未見裂紋,說明接頭的彎曲性能優(yōu)良,滲銅未對(duì)彎曲性能產(chǎn)生影響。綜上,焊縫根部滲銅未對(duì)接頭力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響。

表2 接頭的沖擊試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Impact test results of joints

3 結(jié)論

(1)采用銅襯墊單道外根焊連接X80鋼管后,焊縫成形良好,未發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷。焊縫表面出現(xiàn)粘銅區(qū)域和未粘銅區(qū)域,粘銅區(qū)域的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.46%,滲銅深度約為0.18 mm,未粘銅區(qū)域的銅含量與母材一致,說明焊縫根部局部滲銅。

(2)未粘銅區(qū)域焊縫組織主要由針狀鐵素體和少量的先共析鐵素體組成,粘銅區(qū)域則主要是塊狀鐵素體、粒狀貝氏體以及游離銅組成。

(3)接頭未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域硬度變化趨勢(shì)基本一致;接頭根部熱影響區(qū)的硬度最低,未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域分別為218,214 HV,焊縫根部硬度在285 HV左右,粘銅區(qū)域的硬度略高于未粘銅區(qū)域。粘銅區(qū)域和未粘銅區(qū)域的抗拉強(qiáng)度分別為730,732 MPa,沖擊性能基本一致,彎曲試驗(yàn)后未粘銅區(qū)域和粘銅區(qū)域均未見裂紋。滲銅未對(duì)接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響。