李為衛(wèi)，楊耀彬，何小東，王正卿

(1.中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司四川分公司 四川 成都 610065)

0 引 言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對能源的需求，促進(jìn)了油氣管道大規(guī)模建設(shè)。由于歷史原因，多年來我國的管道建設(shè)基本采用手工、半自動的焊接方法。由于管理和技術(shù)問題，長輸天然氣管道近年來出現(xiàn)了多次環(huán)焊縫失效事故，運(yùn)行管道檢測也發(fā)現(xiàn)大量焊縫存在質(zhì)量問題。這對環(huán)焊縫焊接技術(shù)和質(zhì)量管控提出了更高的要求，以往的半自動、手工焊等焊接工藝已不能完全滿足工程需要[1-3]。

GMAW是油氣長輸管道使用最廣泛的焊接方法，國外大量用于油氣管道的焊接[4]，我國近年來也正在大量推廣這種方法。目前，國內(nèi)管道環(huán)焊縫GMAW氣保護(hù)實(shí)心焊絲大量使用的是美國LINCOLN、意大利FILLEUR、奧地利BOHLER等進(jìn)口產(chǎn)品，少量使用大橋、金橋、大西洋、錦泰等國產(chǎn)焊絲。由于實(shí)心焊絲與母材熔合后共同形成的焊接接頭，其強(qiáng)度受母材、工藝參數(shù)等因素影響很大，文獻(xiàn)研究表明，焊縫金屬的強(qiáng)度比焊絲自身的熔敷金屬強(qiáng)度高出120～150 MPa[5]，合理選擇和使用焊接材料對保證焊縫金屬的優(yōu)良力學(xué)性能至關(guān)重要。為了促進(jìn)國產(chǎn)焊接材料的發(fā)展，本文對3種國產(chǎn)焊絲和4種進(jìn)口焊絲形成的焊縫的拉伸性能和沖擊韌性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用母材采用國產(chǎn)厚度為31.8 mm的鋼板，其縱向抗拉強(qiáng)度為610 MPa，屈服強(qiáng)度為526 MPa，縱向低溫(-20 ℃)沖擊韌性為352 J。沿鋼板橫向邊緣加工坡口(焊縫對應(yīng)鋼管環(huán)向)，焊接坡口形式如圖1所示。焊接方法為GMAW，試板采用傾斜45°、下向焊方式進(jìn)行小熱輸入量的多層多道焊接，試件編號、焊接材料、工藝參數(shù)等見表1，焊接過程如圖2所示。

圖1 焊接坡口形式和尺寸

表1 焊接試件編號、焊接材料及工藝參數(shù)

圖2 試件焊接試驗(yàn)過程

焊接試驗(yàn)完成后在焊縫中心、沿焊縫長度方向加工標(biāo)距段直徑為6.25 mm、長度為25 mm的圓棒試樣進(jìn)行常溫拉伸性能試驗(yàn)。垂直焊縫方向取樣，在焊縫中心加工截面尺寸10 mm×10 mm的夏比V型缺口試樣，在-20 ℃下進(jìn)行低溫沖擊韌性試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用3種國產(chǎn)焊絲和4種進(jìn)口焊絲在試驗(yàn)條件下形成焊縫的拉伸和沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2?？梢钥闯觯谠囼?yàn)焊接條件下，國產(chǎn)焊絲A1、A2、A3具有較高的強(qiáng)度，同時具有良好的塑性和韌性，與國外進(jìn)口焊絲B1相當(dāng)，優(yōu)于國外B2、L1、L2焊絲；國產(chǎn)焊絲A3的強(qiáng)度更高，塑性良好，韌性更好，是試驗(yàn)焊絲中兼有高強(qiáng)度和高塑韌性的最好焊絲。

表2 不同焊絲焊縫金屬的拉伸和沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

X70、X80高強(qiáng)度管道環(huán)焊縫用氣保護(hù)實(shí)心焊絲要求具備較高強(qiáng)度的同時，要求具有良好的塑性和韌性。試驗(yàn)采用的國產(chǎn)焊絲，通過合金成分的合理設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場環(huán)焊較低熱輸入量焊接條件下，得到的焊縫組織以細(xì)小的針狀鐵素體為主，保證了焊縫金屬具有高強(qiáng)度的同時，具有高塑性和高韌性，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑韌性的良好匹配。圖3是幾種焊絲形成的焊縫中心的顯微組織照片，以細(xì)小的針狀鐵素體為主，先共析鐵素體量很少。

焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用等強(qiáng)、高強(qiáng)還是低強(qiáng)匹配，國內(nèi)外的認(rèn)識不一致[4,6-8]。但大多數(shù)研究認(rèn)為，金屬結(jié)構(gòu)焊縫的高強(qiáng)匹配，對焊縫的抗斷裂、抗變形更加有利，低匹配焊縫容易產(chǎn)生應(yīng)變集中，加上焊縫缺陷，容易使焊縫開裂失效[9]。針對油氣管道焊縫強(qiáng)度匹配問題，國外著名油公司有不同的規(guī)定，我國目前已建成的X80鋼級管道，許多環(huán)縫的實(shí)際強(qiáng)度與母材相比為低強(qiáng)匹配[4]。建議加強(qiáng)對油氣管道失效斷裂機(jī)理的研究，對重要天然氣管道提出合理的強(qiáng)度匹配指標(biāo)，為設(shè)計(jì)和制造焊材提供指導(dǎo)。

圖3 焊縫中心顯微組織照片

另外，實(shí)際生產(chǎn)中由于鋼管和焊絲性能的不穩(wěn)定性，加上環(huán)縫施工中多種因素導(dǎo)致的焊縫性能的分散性，影響了焊縫與母材強(qiáng)度的合理匹配，給焊縫的服役安全帶來隱患。建議提高管道用鋼管性能的穩(wěn)定性，縮小屈服強(qiáng)度波動范圍，在標(biāo)準(zhǔn)中提出更嚴(yán)格的控制指標(biāo)，同時也要加強(qiáng)對焊材性能的復(fù)驗(yàn)和焊接工藝參數(shù)的控制，保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性[9]。

3 結(jié) 論

1)試驗(yàn)用國產(chǎn)焊絲A1、A2、A3具有較高的強(qiáng)度，同時具有良好的塑性和韌性，與國外進(jìn)口焊絲B1相當(dāng)，優(yōu)于國外B2、L1、L2焊絲；國產(chǎn)焊絲A3的強(qiáng)度更高，塑性良好，韌性更好，是試驗(yàn)焊絲中兼有高強(qiáng)度和高塑韌性的最好焊絲。

2)試驗(yàn)采用的國產(chǎn)焊絲，通過焊絲合金成分的合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)以針狀鐵素體為主的焊縫組織控制，保證了焊絲具有高強(qiáng)度的同時，具有高塑性和高韌性，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑韌性的良好匹配。

3)建議對重要天然氣管道提出屈服強(qiáng)度的合理匹配指標(biāo)要求，進(jìn)行焊接材料強(qiáng)度級別的選擇，合理設(shè)計(jì)和制造焊絲。