钱 勇，姚洪昆，梁 栋

（渤海装备南京巨龙钢管有限公司，江苏南京 210061）

0 引言

钢管的焊缝包括焊缝及焊缝两侧热影响区两部分组成。焊接过程中，焊缝从高温降低到常温，期间必须经历两次组织的变化，即第1 次是由液态金属转变为固体金属的结晶过程；第2次是温度降低到相变温度时，再次发生组织转变。二次组织的变化不仅仅发生在焊缝，同时，也发生在焊缝两侧热影响区域。根据组织结构特征可将焊缝两侧热影响区分为熔合区，过热粗晶区，相变重结晶区和不完全重结晶区4 个小区。其中熔合区和过热区组织晶粒粗大，塑性不好，是产生缺陷及局部脆性破坏的主要位置，也是钢管焊缝质量的薄弱部位。多次焊接使焊接接头进行多次加热，所以对焊接接头的晶粒、塑性有很大影响，进而影响钢管实物质量。

1 标准对补焊的要求

以钢管标准CDP-S-NGP-PL-006—2014《天然气管道工程钢管通用技术条件》为例，规定：钢管焊缝同一位置补焊次数不能超过二次。针对这一标准，对钢管焊接焊缝6 次补焊进行试验，分析焊接接头进行6 次的受热，对金属材料与焊缝金相组织变化规律及其对焊接接头力学性能的影响。

2 试验材料试验方法

2.1 试验材料

选取与钢管相同的管端，采用钢级CHE607GX，规格Φ3.2 mm、Ф4.0 mm 的焊接材料，分别在管端对接接头焊缝上进行1 次、2次、3 次、4 次、5 次、6 次补焊，补焊工艺及规范参数与1 次补焊相同，补焊后并经探伤确认该补焊处均无缺陷。

2.2 补焊工艺

2.2.1 补焊工艺要求

（1）严格按照生产工艺卡片的要求进行操作生产。

（2）检查电焊条规格型号，未经检验合格的焊材严禁投入使用。

（3）电焊条使用时应放在保温桶内，随取随用，避免与水、油污等混杂接触。

（4）非工艺规定焊材不得在岗位存放，以避免误用。

（5）用碳弧气刨和/或角磨砂轮机将缺陷彻底清除干净。

（6）工作时保持环境卫生清洁。

（7）焊前检查设备、焊材匹配，确保满足工作要求。

（8）所有操作人员上岗必须持有有效的焊工证、岗位资格证。

2.2.2 补焊质量控制要求

（1）用碳弧气刨清除缺陷前应先进行无损检验以确定缺陷的位置。

（2）碳弧气刨后用砂轮将坡口表面3 mm 渗碳层清除。

（3）补焊前将坡口中的杂物清理干净。

（4）当管体温度低于10 ℃时需在补焊前将补焊处加热至10 ℃以上。

2.3 实验方法

利用一段因焊缝裂纹降废的钢管，选取其中焊接质量比较理想的部分进行热影响区、焊缝的金相显微组织拍照以及夏比冲击试验。然后刨开进行1 次补焊，补焊后经手探合格，取样进行金相显微组织拍照和夏比冲击试验。如此反复进行6 次补焊，对得到的数据进行分析。

选取了一段钢管分成6 个区域，以裂纹为设定缺陷分别进行了1～6 次补焊。对焊缝、热影响区进行取样夏比冲击试验，同时也对其微观金相组织进行拍照、对焊缝的抗拉强度进行测试。

2.4 研究结果及结论

2.4.1 焊缝抗拉强度测试

试样类型为宽38.1 mm 矩形平板试样，试验加工前经过冷压展平处理，焊缝抗拉试样见图1，试验执行标准为ASTM A370—2020，焊缝抗拉强度和断口位置见表2。

图1 焊缝抗拉试样

从表1 可以看出，补焊次数对焊缝的抗拉强度影响较小，6次补焊中最大值为700 MPa，最小值为655 MPa，差值为45 MPa。所有数值均远大于Q/SY GJX 0125—2007《西 气东输二线管道工程用X70 直缝埋弧焊管技术条件》要求的570 MPa。

表1 焊缝抗拉强度和断口位置

2.4.2 焊缝冲击功测试

试样类型为10 mm×10 mm×55 mm，2V 形缺口，开口位置焊缝正中。锤刃选用R8 mm，试验温度为-10 ℃。试验执行标准 ASTM A370—2020，焊缝冲击功见表2。

从表2 可以看出，焊缝的冲击韧性和补焊次数没有必然联系。因为每次补焊之前都是先刨开原来的熔敷金属，重新进行焊接填充。第6 次补焊焊缝的冲击吸收功偏低，是因为该区域经手工超声波检查发现存在超标的夹渣。从这点也可以看出，存在超标的夹渣等缺陷也会对冲击吸收功产生较大的影响。在焊缝抗拉试验中，第6 次补焊焊缝抗拉强度为655 MPa，从焊缝断开，数值为第六组实验中最低值，亦与焊缝存在超标的夹渣缺陷有关，但是所有数值均远大于Q/SY GJX 0125—2007要求的焊缝冲击功不低于60 J，平均焊缝冲击功不低于80 J。

表2 焊缝冲击功对比 J

2.4.3 热影响区冲击功测试

试样类型为10 mm×10 mm×55 mm，2V 形缺口，开口位置熔合线。锤刃选用R8 mm，试验温度为-10 ℃，试验执行标准ASTM A370—2020，热影响区冲击功见表3。

表3 中的数据大部分在240～390 J，其中最低的为第6 次，冲击功为90 J，明显低于其他试样。原因主要是，该处补焊焊接能量过大造成热影响区组织恶化、晶粒粗大。这一点也可以从焊缝抗拉试验得到印证，焊缝抗拉强度为655 MPa，从热影响区断开，与其他补焊区域的焊缝抗拉强度相比属于较低值，但是所有数值均大于Q/SY GJX 0125—2007 中要求的热影响区冲击功不低于60 J，平均热影响区冲击功不低于80 J。

表3 热影响区冲击功 J

2.4.4 6 次补焊对钢管焊缝金相组织的影响（即金相分析）

在同样的补焊工艺条件下，通过对1～6 次补焊试件的金相组织结构的分析，发现补焊的钢管焊缝组织均为“柱状和针状铁素体+少量珠光体”，过热区组织为“细珠光体+粒状贝氏体+铁素体”。通过对1～6 次补焊试件的金相图谱的对比，发现每次补焊的金相组织的晶粒度也完全一致。由于受热的程度不同使组织晶粒度略有改变，补焊焊缝的铁素体和珠光体随补焊次数的增加而晶粒变粗，过热区的珠光体、粒状贝氏体和铁素体也随补焊次数的增加而晶粒变粗，各种晶界面也随补焊次数的增加而清晰。从金相组织分析，总体变化不大，热影响区的晶粒较母材明显粗大且分布不均。

3 结束语

由于钢管的焊缝的补焊属于在钢管焊缝处局部加热，因此，在局部加热过程中会产生热应力，同时在同一部位进行多次重复补焊和加热作用会使焊缝及焊缝两侧热影响区两部位金相组织变粗、韧性变差，容易产生微裂纹。

本次试验在同样的补焊条件下，焊缝的裂纹基本上发生在焊趾部位，主要为横向裂纹，每次补焊之前，补焊位置处都要清除掉裂纹及其他缺陷（任何缺陷的补焊，都要清除掉原来焊缝上的缺陷，开出适合焊接的坡口，且坡口与开始焊接的坡口尺寸一致）。从试验结果上来看，多次补焊的疲劳寿命只在第1次补焊时降低，而其他的第2～第6 次补焊其钢管的焊缝寿命并未降低。可见，多次补焊对试板的疲劳寿命的降低影响有限。

钢管焊缝及焊缝两侧热影响区两部分在试验中承受了多次疲劳弯曲载荷，必定会给焊缝及焊缝两侧热影响区两部分造成疲劳损伤，钢管焊缝使用寿命应一次次降低，并且在焊缝及焊缝两侧热影响区两部分的焊趾处，造成疲劳损伤最为严重。因为该处受力截面发生突变、造成应力集中，此处的实际应力要比其他部位大很多，这会损伤钢管焊趾处的金属并在较短疲劳时间内产生裂纹，随后继续扩展。焊缝两侧金属由于应力释放将不再产生裂纹，产生的焊缝裂纹由于受到更大的应力集中而继续扩展。

在本试验中补焊焊缝及焊缝两侧热影响区两部分的裂纹，基本上是焊趾处产生的裂纹，补焊时必须清除掉焊趾裂纹及相邻的母材及焊缝金属，补焊时形成新焊缝金属、新的焊趾，所以多次补焊对焊缝及焊缝两侧热影响区两部分的影响并不能表现出来或影响不严重。

经过多次补焊后钢管焊缝及焊缝两侧热影响区两部分材质的变化规律及多次补焊对材料的金相组织影响的相关数据分析得出，钢管焊缝及焊缝两侧热影响区两部分多次补焊后，焊缝及焊缝两侧热影响区两部分的金相组织、力学性能及疲劳性能并未变差，基本保持与第一次补焊性能一致。