復(fù)合鋼管對接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)研究

龐廣重

中國石油渤海裝備遼河熱采機(jī)械公司 鉆采設(shè)備及材料檢驗(yàn)室 （遼寧 盤錦 124209）

內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合鋼管是通過特殊工藝在普通鋼管內(nèi)部襯上一層薄壁不銹鋼復(fù)合而成的一種新型管道。以其耐腐蝕性強(qiáng)、光滑性好、耐壓性能較高、造價低等特點(diǎn)在工業(yè)要求較高的管路系統(tǒng)中被廣泛使用。

目前，國內(nèi)對該種復(fù)合管對接焊焊接接頭試驗(yàn)分析并不多見，為此，按照GB/T 228.1-2010、GB/T 232-2010和SY/T 4103-2006要求對內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合鋼管對接焊焊接接頭試驗(yàn)件的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)、研究和分析[1-3]。復(fù)合鋼管對接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到復(fù)合管在開采石油、天然氣中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為對接焊復(fù)合管。復(fù)合管外層規(guī)格為Φ660mm×20mm，材質(zhì)為L485MB，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711.2-1999的無縫鋼管[4],內(nèi)襯為壁厚2mm，材質(zhì)為316L(00Cr17Ni14Mo2),符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14976-2002的無縫不銹鋼管[5]。對接焊工藝采用的是一種特殊無填充金屬的爆炸焊焊接工藝,焊接規(guī)范采用客戶獨(dú)有的專利。外層及內(nèi)襯不銹鋼鋼管技術(shù)條件要求的拉伸性能如表1所示，對接焊試件實(shí)物見圖1。

表1 對接焊復(fù)合外層及內(nèi)襯管體的抗拉強(qiáng)度

1.2 標(biāo)準(zhǔn)要求

該復(fù)合管對接焊焊接接頭試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 4103-2006（用戶指定），依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)可知試驗(yàn)項(xiàng)目為拉伸、刻槽錘斷、彎曲試驗(yàn)。

1.3 試樣加工

試樣取樣按圖2指定的位置進(jìn)行，試樣的數(shù)量為4件拉伸、24件刻槽錘斷、4件側(cè)彎，試樣按照圖3、圖4、圖5的要求制備。

拉伸試樣（圖 3），長約 230mm，寬 25mm，制樣通過機(jī)械切割的方法進(jìn)行。試驗(yàn)機(jī)夾持部位去除了不銹鋼金屬部分，除有缺口或不平行外，試樣不進(jìn)行其他加工。

刻槽錘斷試樣（圖 4），長約 230mm，寬 25mm，制樣通過機(jī)械切割的方法進(jìn)行。用鋼鋸在試樣兩側(cè)焊縫斷面中心（以根焊道為準(zhǔn)）鋸槽，每個刻槽深度約為3mm，焊縫內(nèi)外表面余高上刻槽深度約為1.6mm。試驗(yàn)機(jī)夾持部位去除了不銹鋼金屬部分。

側(cè)彎試樣長約230mm，寬13mm，其長邊緣磨成圓角（圖5）。試樣通過機(jī)械切割的方法制成寬度約19mm的粗樣，然后機(jī)械加工成13mm寬的試驗(yàn)試樣，試樣表面光滑平行。焊縫的內(nèi)外表面余高去除與試件表面平齊。

1.4 力學(xué)性能測試

1.4.1 拉伸試驗(yàn)

采用上海華龍的WEW600試驗(yàn)機(jī)對拉伸試樣進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，每個試樣的抗拉強(qiáng)度不應(yīng)小于管材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度。斷裂后的試樣如圖6所示。如果試樣斷在母材上，且抗拉強(qiáng)度不小于管材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度時，則試樣合格；如果試樣斷在焊縫或熔合區(qū)，其抗拉強(qiáng)度不小于管材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度時，且斷面缺陷沒有標(biāo)準(zhǔn)要求以外的要求，則該試樣合格；如果試樣是在低于管材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度下斷裂，則該焊口不合格。拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，結(jié)果符合SY/T 4103-2006要求。

表2 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.4.2 刻槽斷裂試驗(yàn)

試樣在上海華龍的WEW600試驗(yàn)機(jī)上拉斷，要求每個斷裂面應(yīng)完全焊透和熔合，夾渣在長度或?qū)挾壬蠎?yīng)不超過3.0mm，相鄰?qiáng)A渣之間至少應(yīng)有13mm。斷裂后試樣見圖7，試驗(yàn)結(jié)果為8個試樣的每個斷裂面都無缺陷。

1.4.3 側(cè)彎試驗(yàn)

側(cè)彎試驗(yàn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)WE600上進(jìn)行的，將試樣以焊縫為中心放在模具上，焊縫表面與模具呈90°施加上模壓力。將試樣壓入下模內(nèi)。直到試樣彎曲近似“U”形。彎曲后試樣拉伸表面上的焊縫和熔合線區(qū)域所發(fā)現(xiàn)的任何方向上的任一裂紋或其他缺陷尺寸應(yīng)不大于公稱壁厚的1/2，且不大于3mm，除非發(fā)現(xiàn)其他缺陷。由試樣邊緣產(chǎn)生的裂紋長度在任何方向上應(yīng)不大于6mm。彎曲試驗(yàn)后的試樣見圖8，試驗(yàn)結(jié)果符合SY/T 4103-2006要求（表3）。

表3 側(cè)彎試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 分析和討論

2.1 拉伸試樣去除試驗(yàn)機(jī)夾持部位的內(nèi)襯層 （包括刻槽錘斷試樣）

根據(jù)該復(fù)合鋼管的焊接工藝和樣品的實(shí)際情況，加工完用于試驗(yàn)的試樣其外層和內(nèi)襯層僅通過焊縫處連接，焊縫兩側(cè)外層、內(nèi)襯層金屬不是整體，其拉伸強(qiáng)度不能疊加，并且外層厚度為20mm，內(nèi)襯層厚度為2mm，由于薄厚相差懸殊，會造成兩層金屬承載能力有很大區(qū)別，并且內(nèi)襯層金屬只起到防腐作用，對整個焊接管道的強(qiáng)度影響很微小，可忽略。另外，由于在拉伸過程中，內(nèi)襯層會先于母層斷裂，導(dǎo)致試驗(yàn)機(jī)卡具錯位，影響試驗(yàn)結(jié)果，甚至?xí)p傷試驗(yàn)機(jī)，故將試驗(yàn)機(jī)夾持部位的內(nèi)襯層去除，只保留焊縫部位內(nèi)襯層金屬。

2.2 刻槽試樣焊縫內(nèi)外表面余高槽深約1.6mm

經(jīng)過多次試驗(yàn)，僅在焊縫兩側(cè)進(jìn)行刻槽會導(dǎo)致試驗(yàn)后均斷于母材。經(jīng)分析，當(dāng)對焊縫兩側(cè)刻槽3mm時，由于焊縫處余高過高，使其刻槽后焊縫處的剩余橫截面積還大于母材橫截面積，刻槽處載荷高于母材載荷，應(yīng)力集中效果不足使試樣在刻槽外斷裂，無法完成試驗(yàn)?？滩墼囼?yàn)的目的是使試樣在刻槽指定的斷口處斷裂，觀察其焊縫斷面有無焊接缺陷。就其試驗(yàn)?zāi)康?，將試樣存在焊縫余高兩側(cè)的刻槽深度加工至低于母材，即約為1.6mm，另外兩側(cè)槽深依舊3mm，使刻槽處橫截面積小于母材面積，使應(yīng)力集中效果有效作用于刻槽處，再其斷裂，以便完成試驗(yàn)。

2.3 抗拉強(qiáng)度根據(jù)母層技術(shù)條件要求判定 （忽略內(nèi)襯層作用）

拉伸試驗(yàn)時將試樣的試驗(yàn)機(jī)夾持部位去除了內(nèi)襯層不銹鋼金屬部分，考慮到外層技術(shù)條件要求抗拉強(qiáng)度大于等于570MPa，內(nèi)襯層的技術(shù)條件要求抗拉強(qiáng)度大于等于480MPa，外層與內(nèi)襯層抗拉強(qiáng)度技術(shù)要求差距較大，壁厚也相差很大，實(shí)際上內(nèi)襯層金屬只是起到防腐作用，抗拉作用可忽略。所以本試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度的判定只考慮母層技術(shù)條件要求。

2.4 彎曲試驗(yàn)不可忽略內(nèi)襯層金屬

依據(jù)SY/T 4103-2006標(biāo)準(zhǔn)要求，試樣壁厚大于13mm，取側(cè)彎試樣。側(cè)彎試驗(yàn)時，作用力方向垂直于內(nèi)襯層表面，由于外層和內(nèi)襯層不是一個整體，彎曲過程中，由于內(nèi)襯層壁厚薄，會呈現(xiàn)彎曲方向與試驗(yàn)力成切向，引起內(nèi)襯層焊縫處產(chǎn)生切應(yīng)力，由于應(yīng)力集中，極易導(dǎo)致焊縫處產(chǎn)生裂紋。如果內(nèi)襯層彎曲性能不達(dá)標(biāo)，在使用過程中一旦產(chǎn)生裂紋或裂口，焊縫處的防腐效果會降低，甚至?xí)a(chǎn)生應(yīng)力集中。所以彎曲試驗(yàn)不應(yīng)忽略內(nèi)襯層金屬。

3 結(jié) 論

內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合鋼管對接焊焊接接頭試驗(yàn)按照SY/T 4103-2006的條款13要求可以進(jìn)行對接焊縫的力學(xué)性能試驗(yàn)。根據(jù)試件實(shí)際情況,對拉伸試樣、刻槽錘斷試樣可以做進(jìn)一步處理，以便試驗(yàn)順利進(jìn)行；對抗拉強(qiáng)度的判定應(yīng)關(guān)注外層的作用，可以忽略內(nèi)襯層；對彎曲試驗(yàn)要特別注意內(nèi)襯層金屬的作用。

[1]GB/T 228.1-2010金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法[S].

[2]GB/T 232-2010金屬材料彎曲試驗(yàn)方法[S].

[3]SY/T 4103-2006鋼質(zhì)管道焊接及試驗(yàn)[S].

[4]GB/T 9711.2-1999石油天然氣工業(yè)輸送鋼管 交貨技術(shù)條件 第2部分:B級鋼管[S].

[5]GB/T 14976-2002流體輸送用不銹鋼無縫鋼管[S].