HFW 焊管焊縫沖擊韌性影響因素分析及改進(jìn)措施

楊中娜，莊傳晶，蔣曉斌，金 磊

（中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 前 言

隨著石油天然氣工業(yè)的迅速發(fā)展，油氣管線輸送壓力也不斷提高，對輸送管線中的焊管質(zhì)量提出了更高的要求。目前，HFW焊管因焊縫窄、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用［1］。但HFW焊管也曾發(fā)生過一些事故。1992年，我國西部塔里木地區(qū)輪南-庫爾勒的輸油管線發(fā)生管道爆裂和泄漏事故13起；1996年美國Transwstern公司的一條X56鋼級的762 mm輸氣管線破裂，長達(dá)13 km。經(jīng)失效分析表明，主要是焊縫處沖擊韌性差而導(dǎo)致的脆性斷裂［2］。沖擊韌性作為評價(jià)焊接質(zhì)量至關(guān)重要的一個(gè)因素，是保證高質(zhì)量焊管生產(chǎn)的關(guān)鍵因素［3］。本研究主要針對HFW焊管焊縫沖擊韌性的影響因素進(jìn)行分析，并提出改善方法，對提高焊縫質(zhì)量和增加經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 HFW焊管生產(chǎn)工藝

HFW焊管主要采用高頻電流產(chǎn)生的熱能把成型卷板邊緣加熱至熔化狀態(tài)，再通過機(jī)械加壓方法進(jìn)行焊接，焊接時(shí)焊縫中心會(huì)出現(xiàn)一條白色熔合線，熔合線兩側(cè)的熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生由中部向內(nèi)外表面方向延伸的金屬流線［4］。某鋼管廠的HFW焊管生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 HFW焊管生產(chǎn)工藝流程圖

2 HFW鋼管焊縫沖擊韌性影響因素

沖擊韌性是反映材料抵抗沖擊載荷的能力，沖擊韌性指標(biāo)的實(shí)際意義在于揭示材料的變脆傾向，一般通過沖擊試驗(yàn)來測定。結(jié)合HFW焊管生產(chǎn)工藝及其生產(chǎn)實(shí)踐分析，影響HFW焊管焊縫沖擊韌性的主要因素有以下幾個(gè)方面。

2.1 原材料

由于HFW鋼管是采用母材作為焊接材料，因此其焊縫的性能與母材的性能有較大關(guān)系［4］。影響原材料沖擊韌性的因素主要有以下幾個(gè)方面。

（1）成分。鋼中常出現(xiàn)的Fe，C和合金元素外，還存在S和P等雜質(zhì)元素，其中尤以C和S對沖擊韌性的影響最大［4-6］。隨著C含量增加，鋼中珠光體含量相應(yīng)增加，由于珠光體含有大量脆性的片層狀滲碳體，因而沖擊韌性較差。S在鋼中常以化合物FeS的形式存在，晶界上的低熔點(diǎn)共晶體在較高溫度下熔化，從而使鋼材沿晶界開裂。P在鋼中部分溶入鐵素體中，使鐵素體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降；Si大部分溶于鐵素體中，使其強(qiáng)化，從而提高了鋼的強(qiáng)度、硬度，降低了塑性、韌性。

（2）夾雜物。夾雜物的存在會(huì)降低鋼的沖擊韌性，焊縫處出現(xiàn)的灰斑含有大量的氧化物，這些氧化物在高溫下多呈復(fù)合夾雜形式存在，如FeO-MnO-SiO2-Al2O3中的兩種以上氧化物的復(fù)合夾雜；當(dāng)焊縫金屬的熔點(diǎn)低于氧化物夾雜的熔點(diǎn)時(shí)，氧化物就難于排出而殘留于焊縫中［4］，從而降低了鋼的沖擊韌性。

在HFW焊管實(shí)際生產(chǎn)中，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊縫橫向沖擊斷口經(jīng)常出現(xiàn)灰斑，如圖2所示，通常也稱為 “氧化物夾雜”。這種缺陷對焊縫韌性影響較大，無論是否經(jīng)過熱處理，焊縫中仍然存在這類缺陷，它的存在是HFW焊管質(zhì)量難以得到提高的一個(gè)重要原因。

圖2 HFW焊管出現(xiàn)的灰斑缺陷

（3）晶粒度。晶粒越細(xì)，外力引起的變形就會(huì)均勻地分散在較多的晶粒內(nèi)［7］，減少了應(yīng)力過分集中。同時(shí)，晶粒越細(xì)，越不利于裂紋的傳播，所以晶粒越細(xì)，材料本身的沖擊韌性越好。加入微量的Nb，N，Ti等碳化物形成元素可提高鋼板的強(qiáng)韌性，因?yàn)檫@些元素不僅有細(xì)化晶粒的作用［8］，而且有較強(qiáng)的沉淀效果。

因此，原材料應(yīng)盡量保證夾雜物少，晶粒細(xì)化，在制管過程中也應(yīng)對金屬流線上升角進(jìn)行合理控制。

2.2 成型質(zhì)量

在HFW焊接過程中，管材邊緣成型狀況決定焊接的穩(wěn)定性。在成型過程中容易出現(xiàn)波紋、折皺、鼓包及加工硬化等現(xiàn)象，均會(huì)影響韌性質(zhì)量。鋼帶兩邊緣在進(jìn)入擠壓輥前盡量平行，保證兩板邊具有較高平行度進(jìn)行高頻焊接，便于焊接時(shí)氧化物及夾雜物排出，減少灰斑形成。對焊表面局部凸出點(diǎn)焊接溫度較高，使板邊熔化不均勻，會(huì)增加局部氧化程度，容易產(chǎn)生缺陷［9］。若帶鋼邊緣有毛刺，在焊接時(shí)會(huì)導(dǎo)致提前接觸并產(chǎn)生火花現(xiàn)象，造成局部冷焊缺陷。帶鋼邊緣彎曲或邊部厚度減小，會(huì)使邊部呈現(xiàn)波浪形，致使灰斑形成，影響韌性。

2.3 焊接工藝

焊接工藝與焊接質(zhì)量有著密切關(guān)系，主要參數(shù)有：熱輸入、焊接擠壓力、焊接擠壓量、焊接速度、開口角、焊接溫度。HFW焊管焊縫金屬流線（如圖3所示）形態(tài)能直接反映焊接工藝的好壞［10］，實(shí)際生產(chǎn)也是根據(jù)其流線形貌來進(jìn)行焊接工藝調(diào)試的。

圖3 焊縫金屬流線形貌

其中，fn，fo，fi為熔合線在幾何中心線、管外、管內(nèi)壁處測量的寬度；t為壁厚；α為流線角，是外壁t/4（t為壁厚）處金屬流線切線與水平線的夾角；hn，ho，hi為熱影響區(qū)（腰鼓形）在上述相應(yīng)位置上的寬度。HFW主要焊接工藝參數(shù)的改變可以從擠壓量上體現(xiàn)，如圖4所示。

圖4 HFW焊接工藝的主要參數(shù)關(guān)系圖

某管廠生產(chǎn)的HFW鋼管規(guī)格為φ 406.4mm×1 3.5 mm，焊接速度12 m/min，開口角控制開口寬度（12±2）mm，焊接功率950 kW，熱處理溫度為950℃。根據(jù)實(shí)際情況分析，不同擠壓量與對應(yīng)的焊接接頭熔合線寬度的關(guān)系見表1，焊接接頭的沖擊韌性見表2，擠壓量與沖擊功的關(guān)系如圖5所示。

表1 擠壓量與熔合線寬度的關(guān)系

表2 沖擊韌性結(jié)果

圖5 擠壓量與沖擊功的關(guān)系圖

擠壓量為5~6 mm時(shí)，熔合線很寬，沖擊功異常不穩(wěn)定；擠壓量為7~8 mm時(shí)，熔合線較寬，沖擊功值基本符合要求；擠壓量為9~10 mm（即2/3倍壁厚）時(shí)，熔合線窄，沖擊功趨于穩(wěn)定，韌性好。

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)：焊接工藝參數(shù)選取應(yīng)按管坯壁厚，合理設(shè)置開口角的大?。?°~4°），保證有足夠焊接功率的條件下，逐步提高焊接速度，施以適當(dāng)?shù)臄D壓力（保證熔合線和熱影響區(qū)窄，金屬流線角60°~70°），使擠壓量達(dá)到2/3倍壁厚時(shí)，可適當(dāng)提高焊縫沖擊韌性。

2.4 熱處理工藝的影響

HFW焊縫剛經(jīng)過焊接形成的組織較粗大，熱處理后晶粒得到細(xì)化，組織分布更加均勻，提高了焊縫處的沖擊韌性，同時(shí)，焊縫處金相組織也直接影響沖擊韌性的好壞。焊縫經(jīng)過熱處理加熱后，要經(jīng)過一段長距離的空冷，在進(jìn)入定徑前要對鋼管進(jìn)行水冷。如果水冷開始溫度過高，就會(huì)產(chǎn)生貝氏體組織，降低焊縫的沖擊韌性。

某管廠生產(chǎn)的N80套管，管徑為244.5mm，壁厚為10.03 mm，焊接速度為15 m/min，焊接功率580kW，焊接溫度（1550±20）℃。焊管采用4種不同加熱溫度進(jìn)行正火熱處理，得到不同的焊縫沖擊功值，見表3，幾種熱處理溫度下的沖擊功值的變化趨勢如圖6所示。

從圖6可以看出：對于壁厚為10.03 mm的N80焊管，沖擊功隨著熱處理溫度的升高先增加后降低，950~980℃之間的焊縫沖擊韌性最好；超過1 050℃后，沖擊韌性明顯下降。對于大壁厚焊管，其實(shí)際正火溫度要比理論值（920~940℃）高30℃左右時(shí)韌性最好。主要原因是HFW焊管加熱時(shí)間短，實(shí)際生產(chǎn)中加熱溫度要比理論值高，為 890℃+（60～80）℃， 即 950~980℃， 從而使大壁厚焊管內(nèi)部溫度達(dá)到預(yù)定值。

表3 不同熱處理溫度對應(yīng)的焊縫沖擊功

圖6 不同加熱溫度與沖擊功的關(guān)系圖

所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，熱處理溫度選在Ac3+（30～50）℃，根據(jù)壁厚適當(dāng)升高溫度，通過評價(jià)晶粒度來確定最終正火溫度。

2.5 試樣缺口位置對沖擊韌性的影響

在加工HFW焊縫夏比沖擊試樣時(shí)，缺口位置與焊縫熔合線的對中情況，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)有決定性的影響：缺口根部稍微的偏離會(huì)使試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)生很大的突變，這時(shí)所得的數(shù)據(jù)已非焊縫而基本為鋼管母材的沖擊吸收功。如果出現(xiàn)焊縫亮線不直的情況，缺口位置的選取對沖擊功值的影響更加顯著，下面具體分析幾種典型缺口位置對沖擊功的影響，如圖7所示。

圖7（a）為第一種缺口形態(tài)，斷面腐蝕后的焊縫亮線較直，缺口根部位于焊縫中心，這是較為常見的缺口正確取法。沖擊過程中，裂紋沿著試樣缺口根部開始擴(kuò)展直至斷裂，此時(shí)測得的沖擊功為焊縫處實(shí)際沖擊值。而當(dāng)焊縫亮線有偏移時(shí)，在試樣加工過程中可能存在如圖7（b）、圖7（c）和圖7（d）的情況。圖7（b）為缺口根部位于焊縫左邊緣，試樣在沖擊過程中，除了缺口根部位于焊縫外，裂紋擴(kuò)展基本沿著母材進(jìn)行，所以這種缺口形式下測得的沖擊功趨近于母材沖擊值，會(huì)導(dǎo)致測試值不準(zhǔn)。圖7（c）缺口根部位于焊縫中心，試樣起裂于焊縫，沿著焊縫擴(kuò)展一小部分后即轉(zhuǎn)入母材區(qū)，這種情況下測得的值同樣也不太準(zhǔn)確，但稍微優(yōu)于圖7（b）。圖7（d）缺口根部位于焊縫右邊緣，雖然起裂點(diǎn)位于焊縫邊緣，但其擴(kuò)展路徑完全處于焊縫區(qū)，所測值應(yīng)正確反映了焊縫處真實(shí)的沖擊韌性。所以，在焊縫亮線不直的情況下，圖7（d）取樣方法是最合理的。由以上分析可以看出：焊縫缺口位置的選取對沖擊韌性的測量值有較大影響，而且對于HFW焊管窄焊縫來說，缺口試樣加工需要先根據(jù)實(shí)際焊縫形貌來估計(jì)裂紋擴(kuò)展路徑，然后確定缺口位置再進(jìn)行取樣。

圖7 不同缺口根部位置取樣方法

3 提高HFW焊管焊縫沖擊韌性的措施

以上分析結(jié)果表明，在實(shí)際生產(chǎn)中提高沖擊韌性可以采取以下措施：

（1）原材料應(yīng)選擇晶粒均勻細(xì)小，純凈度高的鋼材。

（2）成型過程中，板邊要保持平行，擠壓力要均勻。

（3）焊接工藝控制：開口角的大小在3°~4°為佳，綜合調(diào)整焊接功率、焊接速度和擠壓力，以使擠壓量達(dá)到2/3倍的壁厚，并形成合理的金屬流線形態(tài)。

（4）對于不同鋼級的鋼種，其熱處理溫度應(yīng)根據(jù)含碳量和壁厚，對應(yīng)鐵碳相圖來確定Ac3和加熱溫度，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整以優(yōu)化組織。

（5）為準(zhǔn)確評價(jià)焊縫沖擊功測試值，應(yīng)結(jié)合金相表面侵蝕技術(shù)，精確確定缺口位置以使斷裂路徑盡量多的落在焊縫區(qū)。

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