焊管焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

甘正紅， 邢艷亮， 張坤鵬， 梁才盟

（1. 江蘇德創(chuàng)制管有限公司， 江蘇 興化 225700； 2. 河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)研究院 唐山分院,河北 唐山 063000； 3. 番禺珠江鋼管（連云港） 有限公司， 江蘇 連云港 222006；4. 帕博檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司華東分公司， 江蘇 連云港 222006）

0 前 言

由于焊管的不同用途， 其生產(chǎn)用鋼板和鋼帶的化學(xué)成分和強(qiáng)度有不同的要求， 焊接工藝和評(píng)定要求也不一致。 目前國(guó)內(nèi)外焊管的焊接工藝主要采用氣體保護(hù)焊 （GMAW）、 焊條電弧焊（SMAW）、埋弧焊（SAW） 及其組合。 制管開(kāi)始前， 應(yīng)完成制管焊接工藝的評(píng)定， 不同的焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能要求一般也不同。 本研究針對(duì)以上三種焊接工藝的焊管， 在試樣的制備、 取樣數(shù)量和位置、 試樣尺寸和驗(yàn)收評(píng)定等方面對(duì)焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析， 旨在幫助使用者掌握和熟悉標(biāo)準(zhǔn)， 根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的試驗(yàn)要求。

1 國(guó)內(nèi)外焊管焊接工藝評(píng)定常用標(biāo)準(zhǔn)

目前焊管?chē)?guó)內(nèi)外常用的主要焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范包括ASME IX—2019 《焊接、 釬接和粘接評(píng)定》、 AWS D1.1/D1.1M—2020 《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》、 ISO 15614-1： 2017 《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評(píng)定 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》 第一部分： 鋼的弧焊和氣焊以及鎳和鎳合金的弧焊、 NB/T 47014—2011 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》、 GB 50661—2011 《鋼 結(jié) 構(gòu) 焊 接 規(guī) 范》、CCS—2018 《材料與焊接規(guī)范》、 GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業(yè) 管線(xiàn)輸送系統(tǒng)用鋼管》（附錄B PSL2 鋼管制造工藝評(píng)定B.5.3 焊接工藝評(píng)定）。

2 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求

焊接工藝評(píng)定的目的是為了探究保證焊接接頭力學(xué)性能和彎曲性能符合標(biāo)準(zhǔn)的焊接工藝。 焊管焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)可以在制管用鋼板或者鋼管上進(jìn)行， 評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果與焊接工藝緊密相關(guān)。

焊接工藝評(píng)定試板（管） 檢驗(yàn)項(xiàng)目一般要求檢驗(yàn)力學(xué)性能（拉伸、 沖擊） 和彎曲性能。 然而在不同的標(biāo)準(zhǔn)中， 相同的檢測(cè)項(xiàng)目一些規(guī)定與說(shuō)明存在較大的差異。 各焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求見(jiàn)表1， 試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表1 各焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)項(xiàng)目和數(shù)量要求一覽表

表2 各焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)一覽表

3 試驗(yàn)項(xiàng)目的對(duì)比與分析

3.1 拉伸試驗(yàn)

3.1.1 拉伸試樣尺寸要求及制備

拉伸試樣一般為橫向矩形試樣， 拉伸試樣如圖1 所示。 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拉伸試驗(yàn)試樣尺寸的規(guī)定見(jiàn)表3。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拉伸試驗(yàn)試樣尺寸的規(guī)定

圖1 拉伸試樣示意圖

管狀弧形試樣加工前應(yīng)用壓力機(jī)壓平試樣，壓平時(shí)需注意壓平的次數(shù)， 盡量避免壓平次數(shù)過(guò)多， 應(yīng)使用帶有凹槽的壓板。 試樣的加工精度一定要達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求， 機(jī)加工精度直接影響力學(xué)性能的試驗(yàn)結(jié)果。

3.1.2 拉伸試驗(yàn)分析

（1） 拉伸的分層取樣規(guī)定。 拉伸試樣一般都是全厚度試樣， 但當(dāng)試樣厚度太厚， 由于拉伸試驗(yàn)機(jī)能力的限制， 可對(duì)拉伸試樣進(jìn)行分層取樣和試驗(yàn)， 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拉伸的分層取樣規(guī)定見(jiàn)表4。

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)拉伸分層取樣的規(guī)定

（2） 焊縫余高的規(guī)定。 焊縫余高對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度、 斷裂位置以及結(jié)果判定的準(zhǔn)確性、 嚴(yán)謹(jǐn)性、 統(tǒng)一性有重要影響。 若不去除余高進(jìn)行拉伸試驗(yàn)， 試樣多在母材部位發(fā)生斷裂， 以破壞載荷和母材面積計(jì)算的數(shù)值作為接頭的抗拉強(qiáng)度， 這顯然是不準(zhǔn)確的。 因此各標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定焊縫余高應(yīng)去除至與母材表面平齊， 以保證焊縫處截面積與母材截面積相同。

（3） 屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的規(guī)定。 各標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了拉伸試驗(yàn)只測(cè)定抗拉強(qiáng)度， 但是有文獻(xiàn)要求橫向拉伸試驗(yàn)也測(cè)定焊縫屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率， 并作為焊接工藝評(píng)定指標(biāo)。 筆者認(rèn)為這樣評(píng)價(jià)不太合理， 因?yàn)楹附咏宇^橫向拉伸試樣包括母材、 焊縫和熱影響區(qū)， 由于母材、 焊縫及熱影響區(qū)的成分及組織差異， 整體性能不均勻， 在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中各部分的應(yīng)力水平不盡相同， 從測(cè)試角度講， 通過(guò)橫向拉伸試驗(yàn)不能準(zhǔn)確測(cè)定焊接接頭的屈服強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率， 故用來(lái)評(píng)價(jià)焊縫的力學(xué)性能是不合理的。

3.2 沖擊試驗(yàn)的對(duì)比

沖擊試驗(yàn)的目的是為了測(cè)定焊接接頭的沖擊韌度和缺口敏感性， 作為評(píng)定材料斷裂韌性和冷作時(shí)效敏感性的一個(gè)指標(biāo)。 韌性指標(biāo)是焊接接頭的重要力學(xué)性能指標(biāo)， 其中熱影響區(qū)是焊接接頭中的最薄弱部分， 對(duì)焊接工藝十分敏感， 因此各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)規(guī)定均較詳細(xì)。

3.2.1 沖擊試樣的截取位置和制備

（1） 沖擊試樣的取樣 （切?。?位置規(guī)定。不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫中心的沖擊試樣取樣 （切?。┪恢靡?guī)定差別不大， 但是對(duì)于熱影響區(qū)的沖擊試樣取樣 （切?。?位置和數(shù)量的規(guī)定有較大的差別， 熱影響區(qū)取樣位置如圖2 所示， 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊試樣的取樣數(shù)量、 方向和位置的規(guī)定見(jiàn)表5。

圖2 沖擊試樣的切取位置

表5 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)沖擊試樣的取樣數(shù)量、方向和位置的規(guī)定

續(xù)表

（2） 沖擊試樣的制備。 沖擊試樣的加工尺寸分標(biāo)準(zhǔn)試樣和小尺寸試樣。 圖3 為V 形缺口沖擊試樣加工示意圖， 標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm， 當(dāng)工件厚度不夠加工標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸時(shí)才加工小尺寸試樣， 此時(shí)試樣厚度B 均小于10 mm。 沖擊試樣的加工精度同樣對(duì)沖擊吸收能量值影響很大， 其中沖擊試樣的缺口根部曲率半徑、 缺口深度、 缺口角度的準(zhǔn)確性和缺口根部表面粗糙度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響尤其重要。

圖3 V 形缺口沖擊試樣加工示意圖

（3） 沖擊試樣類(lèi)型和尺寸以及大小試樣沖擊功的比值 （換算關(guān)系）。 對(duì)于沖擊試驗(yàn)，不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊試樣類(lèi)型和尺寸見(jiàn)表6。ASME 和AWS 標(biāo)準(zhǔn)均要求對(duì)于小尺寸試樣的試驗(yàn)溫度進(jìn)行調(diào)整， 且調(diào)整幅度有一定差異，而其他標(biāo)準(zhǔn)則沒(méi)有類(lèi)似要求。 此外， 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大小試樣尺寸和沖擊功的比值 （換算關(guān)系）見(jiàn)表7。

表6 不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖擊試樣類(lèi)型和尺寸

表7 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大小試樣沖擊功的比值（換算關(guān)系）

3.2.2 沖擊試驗(yàn)的分析

（1） 沖擊試驗(yàn)的溫度。 焊接工藝評(píng)定的沖擊試驗(yàn)溫度和合格指標(biāo)值， 在壓力管道及壓力容器的產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)和見(jiàn)證試驗(yàn)中， 監(jiān)理與制造廠經(jīng)常為此發(fā)生爭(zhēng)議。 NB/T 47014—2011 規(guī)定，試驗(yàn)溫度應(yīng)不高于鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊試驗(yàn)溫度。NB/T 47016—2011 規(guī)定， 當(dāng)設(shè)計(jì)文件或相關(guān)技術(shù)文件沒(méi)有規(guī)定時(shí)， 不高于承壓設(shè)備的最低設(shè)計(jì)金屬溫度。 GB/T 9711—2011 則規(guī)定試驗(yàn)溫度為0 ℃， 或如果有協(xié)議可采用更低溫度。 對(duì)于CCS規(guī)范的沖擊試驗(yàn)溫度， 如海洋工程（平臺(tái)及導(dǎo)管架） 焊管常用的DH36 鋼， 焊接工藝認(rèn)可沖擊試驗(yàn)溫度為0 ℃， 而非鋼材的試驗(yàn)溫度-20 ℃；EH36 鋼的沖擊試驗(yàn)溫度為-20 ℃， 非鋼材的試驗(yàn)溫度-40 ℃。

（2） 沖擊缺口位置對(duì)熱影響區(qū)沖擊性能評(píng)價(jià)的影響。 焊接接頭由母材、 焊縫和熱影響區(qū)組成， 各測(cè)試區(qū)域組織和韌性的不均衡分布， 導(dǎo)致測(cè)量值隨斷面位置的不同而變化。 熱影響區(qū)沖擊吸收能量值出現(xiàn)離散度大的原因之一是焊縫形貌影響缺口軸線(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)區(qū)域。 由于熱影響區(qū)組織的差異， 導(dǎo)致韌性差別很大， 缺口的開(kāi)設(shè)位置偏離熔合線(xiàn)的程度不同， 對(duì)測(cè)得的吸收功值產(chǎn)生顯著影響， 這是因?yàn)樵谌笨谖恢谩?焊縫、 熔合線(xiàn)、 熱影響區(qū)甚至是母材占比不同， 因此合理選擇缺口位置直接影響沖擊試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。 所以GB/T 9711—2017 標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定 “為確保鋼管焊縫和熱影響區(qū)的沖擊試驗(yàn)缺口開(kāi)在適當(dāng)位置，開(kāi)缺口前應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕”。 因此為了避免因試驗(yàn)結(jié)果不穩(wěn)定而產(chǎn)生異議， 在開(kāi)缺口前應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕， 提高缺口位置熱影響區(qū)的占比。

3.3 彎曲試驗(yàn)的對(duì)比

3.3.1 彎曲試驗(yàn)的數(shù)量、 方向和來(lái)源

焊接工藝評(píng)定中彎曲試驗(yàn)的目的是檢查焊接接頭的完好性、 致密性和塑性， 同時(shí)可反映出各區(qū)域的塑性差別， 暴露焊接缺陷和考核熔合線(xiàn)的質(zhì)量。 因此焊接接頭的彎曲試驗(yàn)成為焊接工藝評(píng)定中考核焊接接頭性能的一個(gè)重要試驗(yàn)。 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎曲試驗(yàn)試樣尺寸的規(guī)定見(jiàn)表8。

表8 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎曲試驗(yàn)試樣尺寸的規(guī)定

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均通過(guò)采用不同的彎軸（彎曲壓頭） 直徑和彎曲角度， 計(jì)算出彎曲試樣外表面纖維延伸率來(lái)評(píng)定焊接接頭的完整性和塑性。 彎軸直徑一般是隨材質(zhì)和厚度而變化， 在彎曲試驗(yàn)中， 彎軸直徑是試驗(yàn)的一個(gè)重要參數(shù)， 應(yīng)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選用合適的彎軸才能讓焊接接頭產(chǎn)生充分的塑性變形， 進(jìn)而對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎曲試驗(yàn)彎軸直徑和彎曲角度的規(guī)定見(jiàn)表9。

表9 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)彎曲試驗(yàn)彎軸直徑和彎曲角度的規(guī)定

3.3.2 彎曲試驗(yàn)的分析

彎曲試樣的制備如圖4 所示。 通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)側(cè)彎合格率比面彎和背彎合格率高，這是由于側(cè)彎拉伸面經(jīng)過(guò)機(jī)械加工， 因此側(cè)彎試樣可避免焊縫表面缺陷及焊縫錯(cuò)邊產(chǎn)生的不利影響。

圖4 面彎、背彎及側(cè)彎試樣示意圖

4 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)取樣位置的規(guī)定

不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試塊取樣位置都做了較為明確的規(guī)定， 一般對(duì)試板端部舍去位置的要求大致相同， 對(duì)拉伸、 彎曲和沖擊等試樣的切取順序均給出了詳細(xì)的圖示要求。 不同標(biāo)準(zhǔn)一般均規(guī)定對(duì)試塊切取前應(yīng)進(jìn)行外觀和無(wú)損檢測(cè)， 取樣時(shí)應(yīng)避開(kāi)有缺陷的位置。 同時(shí)也規(guī)定試樣毛坯可采用冷加工或熱加工方法， 若采用熱加工方法（如火焰切割）， 應(yīng)留有加工余量去除熱影響區(qū)。

5 試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定

5.1 拉伸、 彎曲和沖擊試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定

不同規(guī)格拉伸、 彎曲和沖擊試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定要求見(jiàn)表10。

表10 拉伸、彎曲和沖擊試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定要求

續(xù)表

5.2 硬度和宏觀檢驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定

硬度試驗(yàn)的目的是測(cè)量焊縫和熱影響區(qū)的硬度， 并可間接判斷材料的焊接性。 宏觀照相可以大致看出焊接參數(shù)的大小、 焊縫熔深、 焊縫的熔合比和焊縫形狀系數(shù)。 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硬度和宏觀檢驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定要求見(jiàn)表11。

表11 硬度和宏觀檢驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定要求

關(guān)于硬度和宏觀檢驗(yàn)結(jié)果的評(píng)定要求除了表11 中的內(nèi)容以外， 還應(yīng)重點(diǎn)檢查內(nèi)外焊縫的重合量和焊偏量 （對(duì)于雙面焊）， 重合量大說(shuō)明焊接線(xiàn)能量非常大， 對(duì)于高強(qiáng)鋼來(lái)說(shuō)， 應(yīng)嚴(yán)格控制焊接線(xiàn)能量。

6 試驗(yàn)不合格的處理

各標(biāo)準(zhǔn)均規(guī)定了試驗(yàn)不合格時(shí)的復(fù)驗(yàn)要求，基本都規(guī)定當(dāng)能確定試件失敗的原因與焊接參數(shù)無(wú)關(guān)時(shí)， 可以使用相同的焊接參數(shù)進(jìn)行另一試樣的試驗(yàn)， 或者當(dāng)原來(lái)的試件有剩余， 則可在鄰近原來(lái)試樣的位置重新取樣以代替不合格試件。 但是ASME IX 規(guī)范還規(guī)定， 如果試驗(yàn)結(jié)果不合格， 應(yīng)分析原因， 若與焊接參數(shù)有關(guān)， 應(yīng)重新擬定焊接工藝并進(jìn)行評(píng)定。

7 結(jié) 論

（1） 由于焊管的使用領(lǐng)域不同、 工藝質(zhì)量要求不一， 因此焊接工藝評(píng)定的標(biāo)準(zhǔn)也不一致， 各標(biāo)準(zhǔn)在力學(xué)性能試驗(yàn)的取樣數(shù)量、 取樣位置、 試樣尺寸、 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定方面不盡相同， 因此在焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)過(guò)程中要特別重視標(biāo)準(zhǔn)的使用。

（2） 通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)各個(gè)方面的詳細(xì)對(duì)比， 分析差異， 從而有助于焊接工藝和試驗(yàn)人員對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的掌握和理解。 如果焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)不合格， 可以進(jìn)行復(fù)驗(yàn)， 但是也應(yīng)該分析原因， 或重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。