齊麗華,胡 穎,王春林,張世杰,高雄雄,楊耀彬,陳越峰

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司,石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(石油管及裝備質(zhì)量安全) 陜西 西安 710077; 2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)工程建設(shè)本部 北京 100010;3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)江蘇天然氣管道有限責(zé)任公司 江蘇 鹽城 224000)

0 引 言

近二十年來,我國(guó)管道建設(shè)高速發(fā)展,油氣輸送管線用鋼的強(qiáng)度等級(jí)和管徑逐漸增大,管道輸送壓力逐漸提高,對(duì)管道現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)[1-3]。國(guó)外X80管道工程主要采用全自動(dòng)焊接方法[2-4],根焊一般采用低強(qiáng)度級(jí)別的實(shí)心焊絲ER70S,因?yàn)楦亢附拥睦鋮s速度快拘束應(yīng)力大,易產(chǎn)生根部裂紋。但隨著科研的深入和近年來發(fā)生的環(huán)焊縫失效案例分析可知,根部焊趾處存在缺陷易引起應(yīng)力集中,當(dāng)其強(qiáng)度和韌性較低時(shí),環(huán)焊接頭在綜合應(yīng)力作用下,極易在根焊的低強(qiáng)度缺欠處起裂并擴(kuò)展失效[5-7]。因此,本文研究GMAW環(huán)焊工藝下,不同強(qiáng)度匹配的環(huán)焊接頭的組織性能和強(qiáng)韌性分布特征,從GMAW焊接工藝的環(huán)焊接頭性能特點(diǎn)和受力建模等方面綜合分析,得到該工藝條件下管道服役安全性的影響因素,以期提高管道工程環(huán)焊縫質(zhì)量[8-10]。

1 環(huán)焊工藝和焊口性能分析

1.1 環(huán)焊工藝

試驗(yàn)室中環(huán)焊接頭采用實(shí)心全自動(dòng)焊絲ER80S直徑0.9 mm根焊,填充蓋面ER80S直徑1.0 mm焊接,鋼管的尺寸規(guī)格為Φ1 219 mm×22 mm X80級(jí)管線鋼,鋼管的合金成分見表1,GMAW焊接工藝參數(shù)見表2。針對(duì)新建X80管道工程的焊口進(jìn)行破壞性檢測(cè),同時(shí)采用微測(cè)試方法進(jìn)行環(huán)焊接頭各部分的拉伸試驗(yàn)和根焊的沖擊試驗(yàn),結(jié)合服役管線環(huán)焊接頭受力特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,研究環(huán)焊接頭的起裂韌性影響。

表2 GMAW焊接工藝下的焊絲和焊接工藝參數(shù)

1.2 微觀組織分析

環(huán)焊縫上截取金相試樣,經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡和MEF4M金相顯微鏡及圖像分析觀察環(huán)焊縫接頭橫截面低倍形貌和焊縫、熱影響區(qū)金相組織,如圖1所示。焊縫由根焊、填充焊縫和蓋面焊組織組成,熱影響區(qū)由粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)組成。

圖1 GMAW焊口環(huán)焊接頭不同部位的金相組織照片

圖1(a)中,①為根焊組織,該處為板條鐵素體和針狀鐵素體構(gòu)成,晶粒邊界存在析出的珠光體組織。②為焊縫層間組織形態(tài),該處的組織晶粒尺寸比蓋面焊小,約50 ～100 μm,晶粒內(nèi)部的針狀鐵素體組織較小,晶粒邊界有長(zhǎng)條的板條鐵素體出現(xiàn)。③為蓋面焊組織,該處的組織晶粒尺寸較大約100 μm左右,晶粒內(nèi)部存在大量的格柵狀的針狀鐵素體板條,細(xì)小均勻。④粗晶區(qū)組織受熱源影響大,最高溫度近1 350 ℃,因焊接熱輸入很小,因此該部位的組織晶粒相對(duì)均勻,晶粒尺寸在50～80 μm。⑤細(xì)晶區(qū)的溫度近900 ℃,其組織晶粒細(xì)小,尺寸約為3～5 μm左右,晶粒內(nèi)部存在大量的亞晶界。

1.3 力學(xué)性能分析

圖2為GMAW焊口環(huán)焊接頭的拉伸性能和韌性分布趨勢(shì)圖。

圖2 GMAW焊口環(huán)焊接頭的拉伸性能和韌性分布趨勢(shì)

圖2(a)為現(xiàn)場(chǎng)破壞性焊口檢測(cè)的拉伸性能數(shù)據(jù)分布?？梢?焊口拉伸性能波動(dòng)范圍為620～760 MPa。部分拉伸試樣斷在母材上,其拉伸強(qiáng)度值略低于標(biāo)準(zhǔn)625 MPa要求,是因直縫埋弧焊鋼管的縱向拉伸強(qiáng)度低于橫向拉伸強(qiáng)度而導(dǎo)致。同一焊口不同部位的強(qiáng)度波動(dòng)范圍最大為40 MPa,說明焊接工藝參數(shù)的波動(dòng)對(duì)焊口強(qiáng)度影響較小。

圖2(b)為破壞性焊口焊縫中心在0點(diǎn)、3點(diǎn)和6點(diǎn)位置的沖擊性能分布。可見,不同位置的沖擊性能分布集中,整體波動(dòng)范圍約100～220 J。圖2(c)為環(huán)焊接頭熱影響區(qū)0點(diǎn)、3點(diǎn)和6點(diǎn)位置的沖擊性能分布,可見該部位的沖擊性能明顯分為兩部分,其中0點(diǎn)位置的沖擊性能大部分位于波動(dòng)圖下半部分,與焊縫中心韌性相當(dāng),而3點(diǎn)和6點(diǎn)位置的韌性高于焊縫0點(diǎn)性能80～100 J,位于波動(dòng)圖的上半部分,接近于母材的韌性。說明GMAW焊接工藝焊口具有很好的韌性。

2 環(huán)焊接頭微測(cè)試分析

2.1 微拉伸測(cè)試

對(duì)環(huán)焊接頭不同部位采用微拉伸方法進(jìn)行測(cè)試分析,如圖3(a)所示。各區(qū)域的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖3(b)和(c)所示。圖3(b)為焊縫處不同位置的拉伸曲線,根焊采用ER80S等強(qiáng)度實(shí)心焊絲,得到的最大拉伸強(qiáng)度約740 MPa,均勻延伸率較大達(dá)到10%具有良好的塑性形變能力。蓋面焊的拉伸強(qiáng)度最高,約830 MPa。整個(gè)焊縫中心的層間焊縫拉伸強(qiáng)度最低,約620 MPa,其它部位拉伸強(qiáng)度約為700～740 MPa,均勻延伸率較大達(dá)到15%。圖3(c)為熱影響區(qū)不同位置的拉伸曲線,可見,由于焊接熱輸入量較小,焊接熱影響區(qū)的冷卻速度增加,未出現(xiàn)軟化情況,其拉伸強(qiáng)度與母材的強(qiáng)度相當(dāng),約650～700 MPa?？紤]環(huán)焊接頭的各部分本構(gòu)特點(diǎn)建模,進(jìn)行環(huán)焊接頭的受力分析。

圖3 GMAW 焊口環(huán)焊接頭的微拉伸性能

2.2 根焊韌性特征

圖4為根焊采用ER80S焊材針對(duì)0點(diǎn)和6點(diǎn)位置的根焊部位焊縫中心、熔合線(FL)、熔合線+1 mm(FL+1 mm)位置的韌性分布趨勢(shì)分析?？梢钥闯?根焊各部位均有較好的韌性,根焊部位各區(qū)域的整體韌性約為90～170 J。焊縫中心、FL和FL+1 mm位置韌性分布均勻,整體變化不明顯。不同鋼管環(huán)焊接頭的根焊各部位韌性差別不大。

圖4 GMAW工藝下環(huán)焊接頭根部韌性分布圖

3 數(shù)值模擬及分析

采用計(jì)算機(jī)模擬的方式進(jìn)行有限元建模,模擬不同強(qiáng)度匹配條件下的環(huán)焊接頭應(yīng)變過程。有限元網(wǎng)格如圖5(a)所示,共約86 000個(gè)C3D8和C3D4單元。圖5(b)為根焊與填充蓋面等強(qiáng)度匹配的數(shù)值模擬計(jì)算圖?？芍?當(dāng)填充焊與根焊處于同等強(qiáng)度條件下,僅在焊縫的根焊焊趾處和蓋面焊與母材連接處首先發(fā)生應(yīng)力集中和變形,應(yīng)變首先達(dá)到6%,此時(shí)熱影響區(qū)和填充焊層均處于均勻的低應(yīng)變狀態(tài),母材基本處于低應(yīng)變區(qū)域,均約為2%。圖5(c)為根焊的強(qiáng)度低于填充焊強(qiáng)度模擬計(jì)算,首先在根焊周圍形成應(yīng)力集中,包括根焊與母材連接處和根焊與填充一層連接處。該處的整體形變量達(dá)到6%時(shí),熔合線和填充焊層發(fā)生形變,達(dá)到約4%的應(yīng)變量,同時(shí)蓋面焊與母材連接處約為4%～5%應(yīng)變量。整個(gè)環(huán)焊接頭的整體形變遠(yuǎn)大于等強(qiáng)匹配的環(huán)焊接頭。

根據(jù)微測(cè)試獲得的環(huán)焊接頭進(jìn)行數(shù)值建模起裂韌性計(jì)算,圖6為環(huán)焊接頭不同強(qiáng)度匹配下,根焊等強(qiáng)匹配和根焊弱匹配的裂紋驅(qū)動(dòng)力計(jì)算?？芍?對(duì)于等壁厚無錯(cuò)邊含缺陷焊接接頭,在歸一化遠(yuǎn)端軸向應(yīng)力分別為0.5、0.7、0.9和1.1時(shí),保持裂紋長(zhǎng)度和深度不變,根焊與填充焊縫強(qiáng)度一致時(shí),隨著軸向應(yīng)力的增加,裂紋尖端CTOD增大。保持裂紋長(zhǎng)度和深度不變,隨著軸向應(yīng)力的增加,CTOD增加幅度遠(yuǎn)小于根焊弱匹配情況。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到0.9 σs時(shí),可得到低強(qiáng)匹配且根焊比填充蓋面強(qiáng)度低的環(huán)焊接頭起裂韌性值要求最高為0.1 mm;其次為根焊低于填蓋強(qiáng)度的等強(qiáng)匹配環(huán)焊接頭,CTOD約為0.7 mm;根焊與填蓋焊縫等強(qiáng)的焊縫與母材高強(qiáng)匹配的環(huán)焊接頭,需要的起裂韌性最低,CTOD為0.4 mm。因此,保證環(huán)焊接頭安全服役的首要條件是環(huán)焊接頭的強(qiáng)度匹配形式。同時(shí)管道服役地勢(shì)復(fù)雜,環(huán)焊接頭承受組對(duì)應(yīng)力、焊后殘余應(yīng)力、土壤作用外力和第三方應(yīng)力等復(fù)雜受力,為確保管道運(yùn)營(yíng)安全性,建議高鋼級(jí)管道環(huán)焊應(yīng)選取等強(qiáng)匹配或高強(qiáng)匹配的環(huán)焊工藝。

圖6 不同強(qiáng)度匹配和根焊匹配條件下的起裂韌性和CTOD曲線

4 結(jié) 論

通過環(huán)焊接頭的力學(xué)性能的宏觀統(tǒng)計(jì)分析和微區(qū)測(cè)試研究,進(jìn)行不同強(qiáng)度匹配條件下環(huán)焊接頭的受力數(shù)值建模研究,得到X80管道GMAW工藝環(huán)焊接頭具有如下特點(diǎn):

1)GMAW焊接工藝熱輸入小,環(huán)焊接頭獲得良好的拉伸性能和沖擊性能,且焊縫沖擊韌性均在100 J以上。

2)通過微拉伸測(cè)試得到,使用等強(qiáng)匹配焊材,GMAW環(huán)焊接頭的根焊、填蓋焊縫強(qiáng)度和熱影響區(qū)強(qiáng)度相當(dāng),熱影響區(qū)沒有軟化現(xiàn)象,且根焊的沖擊性能與焊縫宏觀試樣的沖擊性能相當(dāng)。

3)數(shù)值模擬計(jì)算表明根焊強(qiáng)度低于填蓋焊縫強(qiáng)度下,首先在根焊焊趾和根焊與填充焊連接處產(chǎn)生較大應(yīng)變6%,蓋面焊與母材連接處約為4%～5%應(yīng)變量。整個(gè)環(huán)焊接頭的整體形變遠(yuǎn)大于等強(qiáng)匹配的環(huán)焊接頭。

4)不同強(qiáng)度匹配下的起裂韌性計(jì)算可知,環(huán)焊接頭弱匹配下,根焊強(qiáng)度低于填蓋焊縫強(qiáng)度要求的起裂韌性CTOD最高為0.1 mm,建議高鋼級(jí)管道采用等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配的焊接材料和相對(duì)應(yīng)的焊接工藝。