埋弧焊管導(dǎo)向彎曲變形測量與分析

曾德勝，王 彬

（中石化石油工程機(jī)械有限公司沙市鋼管廠，湖北 荊州434001）

進(jìn)行埋弧焊管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)時(shí)，試樣表面發(fā)生了明顯變形。相關(guān)文獻(xiàn)[1]在分析試樣不合時(shí)，認(rèn)為焊趾部位微區(qū)的變形量達(dá)到45%，并進(jìn)一步提出解決方法，但具體變形的數(shù)據(jù)尚沒有明確的測量和分析方法。因此，對(duì)彎曲變形的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行測量是開展分析的基礎(chǔ)。

1 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)概述

1.1 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)

在API SPEC 5L和GB/T 9711中均有關(guān)于導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)的要求。按照API SPEC 5L(45版)的要求，試樣寬度為，沿垂直焊縫方向切取，試樣尺寸如圖1所示。API標(biāo)準(zhǔn)也給出彎模直徑的公式Agb，基本上在10t（t為壁厚）以上，不過用戶一般直接規(guī)定采用6t的彎軸直徑(X65及以上鋼級(jí))[2]。

圖1 導(dǎo)向彎曲試樣尺寸圖

導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)合格的基本標(biāo)準(zhǔn)為：焊縫金屬不應(yīng)出現(xiàn)長度大于3.2 mm的裂紋；母材、HAZ或熔合線不應(yīng)出現(xiàn)任何長度大于3.2 mm或深度大于規(guī)定壁厚12.5%的裂紋或破裂。

從實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)來看，熔合線的開裂占了實(shí)際開裂的主要部分。筆者對(duì)某直縫焊管和螺旋焊管分廠2013年上半年的彎曲不合情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 導(dǎo)向彎曲不合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 個(gè)

從表1可以看出，熔合線處的缺陷占到總?cè)毕輸?shù)的76%，是需要重點(diǎn)研究解決的問題。當(dāng)材質(zhì)為X65鋼級(jí)及以下時(shí)，由于焊接接頭塑性較好，不容易出現(xiàn)彎曲不合。而材質(zhì)在X70鋼級(jí)及以上時(shí)，板材表面容易出現(xiàn)硬化層，塑性下降，出現(xiàn)彎曲不合的幾率增加。

1.2 導(dǎo)向彎曲應(yīng)變的計(jì)算

在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)中，具體的應(yīng)變分析計(jì)算有如下特征：在一個(gè)尺寸為B×t×L的彎曲樣上，存在一個(gè)應(yīng)變中性層，寬度B在內(nèi)區(qū)增厚，外區(qū)減薄；壁厚t在內(nèi)區(qū)受壓縮增加，外區(qū)受拉伸減薄，總體效果是略微減薄，在6t的彎軸直徑下，壁厚變?yōu)樵瓉淼?.999 2倍[3]；彎曲變形由彈性變形和塑性變形組成，但彈性變形應(yīng)變一般只有0.002左右，其余均為塑性變形；若忽略在塑性變形過程中中性層的向內(nèi)偏移，可以認(rèn)為中性層恰好通過剖面的重心，其應(yīng)力應(yīng)變均為0。

圖2為彎曲試樣變形圖。假定中性層的曲率半徑為ρ、彎曲角度為a、距離中性層寬度為y的變形層，則其切向名義應(yīng)變公式為

圖2 彎曲試樣變形圖

若在彎曲試驗(yàn)過程中表現(xiàn)為均勻變形，沒有出現(xiàn)頸縮的情況下，該切向名義應(yīng)變（簡稱應(yīng)變）與標(biāo)距無關(guān)。彎曲時(shí)外表面的拉伸應(yīng)變最大，是彎曲試驗(yàn)中的薄弱面，那么在規(guī)定彎軸直徑為6t的導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)時(shí)，外表面理論應(yīng)變，并且是該試樣上的最大應(yīng)變。

1.3 斷后伸長率與標(biāo)距

在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》中規(guī)定，斷后伸長率A是斷后標(biāo)距的殘余伸長L1-L0與原始標(biāo)距L0之比的百分率[5]。圖3為斷后伸長率的定義圖，可以看出，該伸長率實(shí)際上是一種名義應(yīng)變，不是真實(shí)應(yīng)變。在彎曲變形時(shí)，彎曲完成后測量得到的外表殘余應(yīng)變?chǔ)?應(yīng)該是理論應(yīng)變?chǔ)艤p去彈性應(yīng)變?chǔ)舤， 即 ε1=ε-εt。那么以上述 6t彎軸直徑來算， 殘余應(yīng)變基本上就是彎曲時(shí)的應(yīng)變。

圖3 斷后伸長率的定義圖

標(biāo)距L0在各種不同的標(biāo)準(zhǔn)中參數(shù)均不同，當(dāng)計(jì)算L0標(biāo)距下的斷后伸長率δ時(shí)，由于試樣拉斷后的總伸長率ΔLk由均勻伸長率ΔLB和縮頸處的集中伸長率ΔL0兩部分組成，而根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，故Barhe公式可表述為

由于伸長率受到試樣尺寸的影響，我國和大多數(shù)國家一樣，規(guī)定或11.3，對(duì)圓柱形試樣相當(dāng)于L0/d=5或10，前者稱為短試樣，后者稱為長試樣。由于短試樣節(jié)約原材料且加工較方便，各國傾向于采用短試樣。另外，由于Barhe公式計(jì)算困難，所以實(shí)際運(yùn)算中采用Oliver公式。

在API標(biāo)準(zhǔn)中，應(yīng)報(bào)告標(biāo)距長度為50 mm試樣的斷裂后伸長率，允許按照Oliver公式進(jìn)行換算。在GB/T 17600.1—1998中，斷后伸長率A的Oliver公式為

式中：a—材料系數(shù)；

S0—試樣原始橫截面積；

L0—試樣的原始標(biāo)距；

n—常數(shù)，低碳鋼和低合金鋼為0.4。在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)中，初步分析導(dǎo)向彎曲能力應(yīng)該與同尺寸材料的斷后伸長率相當(dāng)。但因?yàn)閿嗪笊扉L率難于直接比較，可按Oliver公式換算成為同彎曲截面的試樣，其標(biāo)距定為50 mm。這樣測量或者計(jì)算得到斷后伸長率再進(jìn)行分析和討論。

1.4 彎曲伸長率判別公式

在用戶規(guī)定的彎軸直徑下，計(jì)算得到外表應(yīng)變 ε， 換算成 Aε（Aε=ε×100%）。在鋼管母材周向拉伸試驗(yàn)后得到斷后伸長率A1，換算為Am50。同樣，對(duì)鋼管焊縫取縱向圓棒試樣，得到斷后伸長率A2，換算為Aw50。

彎曲試驗(yàn)時(shí)，測量并得到實(shí)際發(fā)生在母材、熱影響區(qū)和焊縫上的外表實(shí)際應(yīng)變，分別換算為Am，Ah和Aw。對(duì)于母材和熱影響區(qū)，當(dāng)Am＜Am50或Ah＜Am50時(shí)，則試樣不會(huì)開裂；對(duì)焊縫，當(dāng)Aw＜Aw50時(shí)，試樣不會(huì)開裂。這是針對(duì)理想的焊接接頭得出的分析結(jié)論。

如果在實(shí)測伸長率遠(yuǎn)小于斷后伸長率的情況下，仍然出現(xiàn)彎曲開裂不合格現(xiàn)象，應(yīng)該是該處存在某種缺陷造成。

2 實(shí)際彎曲變形數(shù)據(jù)的測量和分析

2.1 導(dǎo)向彎曲伸長率的測量方法

由于需將彎曲試驗(yàn)實(shí)際伸長率與斷后伸長率比較，所以數(shù)據(jù)均采用百分比的形式。測量步驟如下：

（1）對(duì)彎曲光滑表面用20%硝酸酒精溶液進(jìn)行酸洗，直到能看清焊縫邊緣。

（2）在試樣上用直尺按距離用記號(hào)筆在試樣中間畫橫線，并對(duì)不清晰的焊縫邊沿和HAZ用劃針輕輕畫橫線，然后在各線中心畫縱向線以找到測量點(diǎn)，如圖4所示。其中焊縫寬度a為實(shí)際寬度，熱影響區(qū)寬度b1和b2取3 mm左右，母材寬度c1和c2取10 mm左右，這樣總寬度c為50～60 mm。

圖4 彎曲樣測量圖

（3）進(jìn)行彎曲試驗(yàn)后，用卷尺貼緊劃線表面進(jìn)行測量，得到彎曲后的各組數(shù)據(jù)，用類似公式來計(jì)算各區(qū)的伸長率。

（4）收集和換算鋼管母材橫向斷后伸長率。對(duì)焊縫則單獨(dú)取樣進(jìn)行試驗(yàn)，并換算為Aw50。通過對(duì)照各區(qū)的伸長率，用公式分析是否會(huì)出現(xiàn)彎曲不合。

通過與母材、焊縫的斷后伸長率進(jìn)行比對(duì)，分析彎曲變形的特點(diǎn)，找到改善的方法。由于對(duì)表面有一些改變，這種測量方法不能在常規(guī)導(dǎo)向彎曲樣上進(jìn)行，只能在試樣上采用。

2.2 測量數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)X80材質(zhì)，14～22 mm厚的鋼板、螺旋鋼管和直縫鋼管的彎曲試驗(yàn)，測得各彎曲試樣伸長率見表2。

表2 X80鋼板/管彎曲試樣伸長率測量結(jié)果

在反彎時(shí)，試樣在壓平時(shí)已經(jīng)歷了應(yīng)變?chǔ)牛é?1/(D/t-2)），因此反彎的實(shí)際應(yīng)變要大一些，大致比正彎的應(yīng)變多0.01%～0.02%。實(shí)際上，反彎的不合情況也大大多于正彎。試驗(yàn)時(shí)，試樣正彎、反彎均合格，由于表面變形較小，可以認(rèn)為處于均勻變形階段。

對(duì)應(yīng)X80鋼板/管的彎曲試樣的斷后伸長率A見表3。通過Oliver公式換算得到標(biāo)距為50 mm，鋼板尺寸為38 mm×t的原始截面尺寸下的斷后伸長率為A50。

表3 X80鋼板/管彎曲試驗(yàn)斷后伸長率

通過分析表2和表3，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Aε=14.29%(此時(shí)彎軸直徑6t)時(shí)，各分區(qū)的真實(shí)應(yīng)變都沒有超過其標(biāo)準(zhǔn)斷后伸長率A50，從塑性上來說是安全的；當(dāng)Aε=25%(此時(shí)彎軸直徑3t)時(shí)，焊縫和熱影響區(qū)的伸長率和A50相當(dāng)，說明此時(shí)彎曲不合概率大大增加。由于試驗(yàn)仍然合格，說明彎曲變形時(shí)塑性僅表面變形較大，有一定的塑性余量。總的來說，在常見的彎軸直徑（5t～6t）下，彎曲變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際斷后伸長率，因此從塑性上看是安全的。

通過對(duì)比伸長率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)一般彎曲樣的實(shí)測變形要大于理論伸長率，因?yàn)樵趶澢鷷r(shí)，試樣不一定會(huì)貼緊彎軸，焊縫的變形要更大一些，如圖5所示。由于變形集中于焊縫區(qū)域，當(dāng)焊縫伸長率Aa是平均伸長率Aε的1～1.5倍時(shí)，熱影響區(qū)的伸長率比值A(chǔ)b1/Aε最大可達(dá)到2.1。這說明，當(dāng)采用焊縫高強(qiáng)匹配時(shí)，焊縫變形小，而熱影響區(qū)變形大，容易在熔合線開裂。當(dāng)采用等強(qiáng)匹配時(shí)，焊縫變形大，熱影響區(qū)變形相當(dāng)，不容易出現(xiàn)熔合線開裂。因此可以看出表3中A為高強(qiáng)匹配，B和C為等強(qiáng)匹配。為保證導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)合格，應(yīng)盡量采用等強(qiáng)匹配。但因?yàn)楹附庸に囋u(píng)定的著眼點(diǎn)是保證韌性最佳，因此經(jīng)常出現(xiàn)的是高強(qiáng)匹配，此時(shí)彎曲性能不在最佳狀態(tài)。

圖5 彎軸下的彎曲樣

2.3 試樣尺寸和標(biāo)距對(duì)斷后伸長率的影響

在各項(xiàng)力學(xué)報(bào)告中，斷后伸長率是作為一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)報(bào)告的，但是各個(gè)數(shù)據(jù)沒有可比性，必須統(tǒng)一到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下才能做比較。

下面以試驗(yàn)中用到的18.4 mm厚X80鋼板力學(xué)性能為例，將其換算為彎曲試樣尺寸下的伸長率A50，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 試樣拉伸性能計(jì)算結(jié)果

例如，對(duì)表4中4號(hào)橫向φ6.47 mm圓棒試樣的計(jì)算過程為

從表4可以看出，圓棒試樣的斷后伸長率換算后，與板狀試樣試驗(yàn)結(jié)果基本一致。但圓棒試樣尺寸越細(xì)，越容易出現(xiàn)在邊緣斷裂的現(xiàn)象，從而帶來測量誤差。因此，試驗(yàn)盡量采用板狀試樣，或者進(jìn)行2次圓棒試驗(yàn)取平均值，誤差較小。

2.4 母材和焊縫力學(xué)性能的比較

針對(duì)在伸長率均滿足要求的情況下出現(xiàn)的彎曲不合現(xiàn)象，在平板無拘束試驗(yàn)條件下，不存在拘束應(yīng)力、噘嘴等工藝參數(shù)異常問題，現(xiàn)采用同一組同爐號(hào)X70M鋼生產(chǎn)的φ813 mm×14.2 mm螺旋焊管的力學(xué)性能進(jìn)行分析，見表5。

表5 X70M鋼級(jí)φ813 mm×14.2 mm螺旋鋼管拉伸性能

從表5數(shù)據(jù)可以看出，從原料鋼板到鋼管，母材Y1,Y3,Y4試樣的斷后伸長率A50數(shù)值基本一樣，焊縫比鋼管母材的斷后伸長率A50略低一些，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于彎曲應(yīng)變 (38%＞14.3%)，對(duì)彎曲變形是安全的。而焊縫的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材的強(qiáng)度，再加上焊趾處存在應(yīng)力集中，形成薄弱環(huán)節(jié)，是造成彎曲不合的主要原因。

2.5 熱影響區(qū)塑性的影響

熱影響區(qū)受到焊接熱循環(huán)的影響，金相組織發(fā)生了變化，尤其是半熔化區(qū)晶粒非常粗大，導(dǎo)致力學(xué)性能惡化。由于無法直接測量熱影響區(qū)的力學(xué)性能，只能分析該區(qū)可能出現(xiàn)軟化和脆化。軟化往往是熱輸入量過大，造成彎曲時(shí)塑性變形太大而失效[1]；脆化的可能原因是微合金元素較多，碳當(dāng)量較高，加工過程中表層硬化等綜合因素使表面層塑性急劇下降，造成導(dǎo)向彎曲不合[9]。

3 彎曲試樣顯微組織分析

3.1 熔合線開裂現(xiàn)象

熔合線開裂情況在彎曲不合中是最多的。分為點(diǎn)狀開裂、線狀開裂和斷裂，如圖6所示。點(diǎn)狀開裂，一般是夾渣、咬邊等點(diǎn)缺陷造成的；線狀開裂，原因較為復(fù)雜，可能為焊趾微裂紋擴(kuò)展或者微咬邊等缺陷造成的；試樣完全斷裂，則可能是焊趾微裂紋沿熔合線和熱影響區(qū)脆化區(qū)擴(kuò)展造成的。

通過金相觀察彎曲不合樣的截面，可以看到熔合線上存在明顯的開裂現(xiàn)象[10]，如圖7所示。

測量其開裂深度往往在30～1 000 μm。可以初步得出結(jié)論，彎曲質(zhì)量的影響因素集中在焊接接頭表面1 mm之內(nèi)。檢測內(nèi)部質(zhì)量的沖擊韌性、重合量等沒有直接影響。

圖6 熔合線開裂圖

圖7 不合彎曲試樣開裂圖

3.2 焊趾金相分析

對(duì)彎曲不合、熔合線開裂的鋼管，取其酸洗樣在100～200倍下檢查焊趾微觀形態(tài)。檢查發(fā)現(xiàn)80%焊趾均存在微裂紋，如圖8所示。

圖8 焊趾微裂紋

焊趾處的微缺陷在應(yīng)力作用下會(huì)導(dǎo)致擴(kuò)展，從而在壓平時(shí)繼續(xù)開裂到最后形成彎曲不合。因此在生產(chǎn)中消除焊趾處存在的微裂紋是減少彎曲不合的關(guān)鍵。

而焊趾開裂的原因包括焊接工藝參數(shù)不佳造成的焊接微缺陷、焊縫側(cè)面角過大引起的應(yīng)力集中、母材表面銹蝕造成的邊緣熔合不好以及成型應(yīng)力過大造成的撕裂等，需要根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行具體分析。

4 結(jié) 論

（1）提出一種測量導(dǎo)向彎曲變形的方法，可參考比較焊縫、熱影響區(qū)和母材的應(yīng)變大小。

（2）不同條件下的斷后伸長率不具有可比性，應(yīng)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)距的板材截面下的斷后伸長率再進(jìn)行比較。

（3）通過金相分析，認(rèn)為焊趾處的微裂紋是造成熔合線開裂的主要原因。

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