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摘要:试验分析了不同外焊坡口角度对X80钢级18.4mm壁厚埋弧焊钢管焊缝质量的影响。在其他焊接条件不变的情况下,仅对外焊坡口角度变化进行焊接试验,并对焊缝进行外观、无损和冲击性能试验,以寻求外焊坡口角度与埋弧焊管焊缝外观质量、焊缝熔深和力学性能间的关系。试验表明,随着外焊坡口角度的增加,外焊缝高度明显降低,熔深明显增加,焊缝冲击韧性略有提高,热影响区冲击韧性有所下降。
前言
随着管道运输在石油、天然气运输中所占比重的日趋增大,管线钢管不断向高钢级、大直径、厚壁方向发展,以期最大限度减少用钢量,降低管道建设成本[1]。2005年建成的西气东输管线采用了X70级1016mm 14.6mm焊接钢管,输送压力10MPa。目前正在建设的西气东输二线采用了X80级1219mm 18.4mm焊接钢管,输送压力12MPa。 生产大壁厚螺旋埋弧焊管时,为保证内外焊道的熔深和焊缝力学性能满足标准要求,一般均采取钢板边缘开Y形或X形坡口后进行埋弧焊接。选择合理的焊接坡口形式是提高螺旋埋弧焊钢管焊接质量的关键。笔者通过对不同外焊坡口角度的X80级18.4mm壁厚钢板的焊接试验,对焊缝试样进行了外观、无损检验和冲击性能试验,分析了外焊坡口角度对大壁厚X80钢级螺旋埋弧焊管焊缝质量的影响。
1 试验方案
1.1试验用材料
母材:X80级18.4mm厚钢板。
焊丝:X80级钢板专用BG-H06H1焊丝。焊剂:X80级钢板专用BG-SJ101H1焊剂。
1.2坡口形式
螺旋埋弧焊管生产时,钢带两边处于水平位置,先对内焊缝进行焊接,钢管前进1.5个螺距后,再对外焊缝进行焊接。为使试验焊接过程与生产实际尽可能接近,试验采用双面对接平焊位置,坡口为X形坡口,先在上坡口(相当于生产时的内焊坡口)处施焊,将试样翻转后再进行下坡口(相当于生产时的外焊坡口)面的焊接。
对于厚度为18.4mm的板材,双面对接焊平焊位置时,GB/T 985.2 2008埋弧焊的推荐坡口给出的推荐坡口形式如图1所示。

参照图1,结合以往的生产经验,本次试验选用的坡口形式如图2所示。图2中、分别为上、下坡口角度。

1.3坡口角度选择
螺旋埋弧焊管生产时,不仅外焊热输入较内焊大,而且会造成内焊缝的二次加热,引起整个焊缝性能的变化,外焊对焊缝性能的影响程度远大于内焊。因此,试验将内焊坡口角度固定为70,外焊坡口角度分别选择50、60、70、80、90、100、110和120,通过试验研究不同外焊坡口角度对焊缝性能的影响。
1.4焊接工艺及参数
内外焊均采用双丝埋弧焊接。前丝直径4.0mm,电源为直流反接;后丝直径3.2mm,电源为交流。焊丝间距为11~13mm,前丝伸出长度为28~33mm,后丝伸出长度为25~28mm。
内焊前丝:电流1300~1500A,电压31~36V;后丝:电流410~500A,电压35~40V。

外焊前丝:电流1550~1700A,电压31~37V;后丝:电流450~550A,电压35~40V。焊接速度1.7~1.8 m/m in;内焊热输入21 kJ/cm,外焊热输入24.7 kJ/cm。
2 试验过程及结果分析
在检验合格的X80钢级18.4mm厚板卷上取500mm 200mm的钢板共16块,每2块钢板为1组,按试验方案要求加工内外焊坡口,对8组试样进行先内焊后外焊的埋弧焊接,外焊坡口试样按坡口角度从50~120的顺序依次编号为1#~8#,并在每块试样上做好标记。
外观检验和力学性能试验的评判标准为SY/T G JX 0102 2007《西气东输二线管道工程用螺旋缝埋弧焊管技术条件》。
对每个试件首先进行外观检查,检查内容包括内外焊缝余高、焊缝宽度,焊缝是否有咬边、偏流等外观缺陷。然后对每个试样进行全焊缝手动超声波探伤检查,并对无损检测合格的焊缝段做好标记,最后制取试样进行外观检验和力学性能试验。
按照表1所列在每个检测合格的焊缝处取冲击、硬度及宏观和微观组织试样。

2.1外观检验结果
分析对各试样进行焊缝外观检验,结果见表2。

由表2可以看出,随着外焊坡口角度的增加,外焊缝余高从2.5mm降低到1.8mm,下降比较明显,外焊缝宽度略有增加。
2.2维氏硬度检验结果分析
对各试样进行焊缝熔深、焊偏量等宏观检验后,对焊缝和热影响区进行维氏硬度检测。焊缝熔深及维氏硬度测量位置见图3。

试样外观检验结果见图4。从图4可以看出内焊熔深在9.3~9.5mm之间,数据离散程度很小;外焊熔深在10.4~11.5mm之间,随着外焊坡口角度的增加,外焊熔深增加明显。 如图5所示，维氏硬度检测结果见表3

2 3 冲击试验结果分析
冲击试验结果见表4和图6.从表4和图6看出，外焊坡口角度增加，焊缝冲击韧性略有提高，热影响区冲击韧性有所下降。

外焊坡口角度对冲击功的影响外焊坡口角度与冲击韧性之间存在这种关系的原因为:
(1) 对焊缝冲击试验而言,外焊坡口角度增加,焊缝外焊道坡口面积和体积均相应增加,外
焊缝冷却速度加快,冷却快时焊缝金属可得到更多的针状铁素体[2],使外焊缝晶粒细化,韧性提高,这与外焊显微组织对比(见图7)的结论一致

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(2) 对热影响区冲击试验而言,外焊坡口角度增加,外焊熔深增加(见图4),造成热影响区
冲击试样的整个缺口面上热影响区所占比例增大(见图8),冲击功下降。试样8的热影响区最小冲击功仅为65 J,经过对冲击试样断口面进行电镜扫描分析,发现断口如图9所示。晶粒粗大是造成其冲击功低的主要原因

3 结论
(1)外焊坡口角度直接影响大壁厚螺旋埋弧焊钢管焊缝的外观形貌,随着外焊坡口角度的增加,外焊缝高度降低明显。
(2)随着外焊坡口角度的增加,外焊熔深增加明显。
(3)外焊坡口角度对大壁厚高钢级螺旋埋弧焊钢管焊缝维氏硬度影响不明显。
(4)外焊坡口角度对大壁厚高钢级螺旋埋弧焊钢管焊缝和热影响区冲击韧性影响较明显,随着外焊坡口角度的增加,焊缝韧性略有增加、热影响区韧性有所下降。X80钢级18.4mm壁厚螺旋埋弧焊钢管生产时为同时保证焊缝韧性和外焊缝能填满,宜选择的外焊坡口角度范围为80~100度。

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