高頻焊鋼管焊縫沖擊試驗(yàn)問(wèn)題探討

梁才萌，張 永

（番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222006）

高頻焊鋼管焊縫沖擊試驗(yàn)問(wèn)題探討

梁才萌，張 永

（番禺珠江鋼管（連云港）有限公司，江蘇 連云港 222006）

為提升高頻焊鋼管產(chǎn)品質(zhì)量，保證焊管沖擊試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，因高頻焊縫經(jīng)熱處理后是一條寬度不到0.3 mm的細(xì)線，因此要保證得到準(zhǔn)確的沖擊試驗(yàn)結(jié)果存在一定困難。通過(guò)對(duì)高頻焊鋼管焊縫沖擊試驗(yàn)中試樣的準(zhǔn)備、焊縫腐蝕、小尺寸試樣以及試驗(yàn)機(jī)等多方面影響沖擊試驗(yàn)結(jié)果問(wèn)題探討，找到了相應(yīng)的解決方案，從而保證了沖擊試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。

高頻焊管；沖擊試驗(yàn)；沖擊韌性；小尺寸試樣

1 概 述

高頻焊鋼管是石油、天然氣輸送管道主要的用管類型之一。高頻焊鋼管具有尺寸精度高、生產(chǎn)效率高等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，因此在國(guó)外已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。而我國(guó)的高頻焊技術(shù)相對(duì)落后，在一些重要的管道項(xiàng)目上仍需進(jìn)口國(guó)外的高頻焊管，要在此方面有所突破或趕超國(guó)外先進(jìn)水平，需要國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠家投入足夠的力度進(jìn)行研發(fā)。據(jù)中國(guó)石油管材研究所的統(tǒng)計(jì)分析，高頻焊鋼管的質(zhì)量不合格主要表現(xiàn)在力學(xué)性能中焊縫韌性方面[1]。而焊縫沖擊性能是檢驗(yàn)韌性的主要方式之一，因此如何保證焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性對(duì)生產(chǎn)研究具有重大意義。

2 沖擊試驗(yàn)問(wèn)題探討

高頻焊接鋼管焊縫沖擊韌性水平是其產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)鍵指標(biāo)之一。高頻焊接鋼管一般需要在焊后對(duì)其焊縫進(jìn)行熱處理，以改善焊縫的性能。在線熱處理有正火、退火和調(diào)質(zhì)處理等方式。經(jīng)過(guò)完全熱處理后的焊縫，研磨腐蝕顯示：先前腰鼓形的熱影響區(qū)消失，只剩下一條不到0.3 mm的光亮細(xì)線[2]。因此，國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如API SPEC 5L[3]、GB/T 9711[4]等只要求對(duì)高頻焊鋼管的管體母材和焊縫中心進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。在實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)楦哳l焊鋼管需要進(jìn)行焊縫熱處理、焊縫細(xì)小以及一般使用壁厚較薄等特點(diǎn)導(dǎo)致了在進(jìn)行焊縫沖擊試驗(yàn)時(shí)主要存在以下問(wèn)題。

2.1 熔合線偏斜

熔合線偏斜的原因有兩個(gè)，一個(gè)是擠壓成型焊接過(guò)程的擠壓力不對(duì)稱；另一個(gè)是在試樣加工過(guò)程中，因?yàn)榉椒ú粚?duì)導(dǎo)致偏斜。對(duì)于產(chǎn)生熔合線偏斜的試樣，做出來(lái)的沖擊功值一般比熔合線正常的試樣要高。比如當(dāng)存在虛焊或粘焊時(shí)，在熔合線偏斜的情況下得到的沖擊功值為幾十甚至上百焦耳，而熔合線正常的則是個(gè)位數(shù)。筆者挑選了一塊存在虛焊缺陷的高頻焊管焊縫試塊，鋼管規(guī)格為Φ406.4 mm×9.5 mm，材質(zhì)為 L415M，并將其加工成兩類試樣（尺寸為10 mm×7.5 mm×55 mm）。一種為焊縫正常的試樣6件，另一種為焊縫偏斜（偏斜量約0.3 mm）的試樣18件。其中，焊縫偏斜的試樣缺口根部分別垂直位于以側(cè)面與上表面交接處的熔合線頂點(diǎn)、熔合線頂點(diǎn)往下+1 mm、熔合線頂點(diǎn)往下+3 mm（約為熔合線中心處），加工數(shù)量為2組各6件試樣。使用試驗(yàn)設(shè)備為深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的PTM2200-D1（300 J）擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為-10℃和室溫，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 粘焊焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)（KV8）

上述因?yàn)槿酆暇€偏斜導(dǎo)致的誤判現(xiàn)象是非常危險(xiǎn)的，很容易出現(xiàn)安全事故。為了解決此類問(wèn)題，應(yīng)進(jìn)行以下管控：

對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程造成的熔合線偏斜（偏斜量符合相關(guān)要求），沖擊試樣缺口位置的確定，一般有3種方案：①缺口根部垂直位于接近鋼管外表面的試樣側(cè)面的熔合線頂點(diǎn)處；②缺口根部垂直位于接近鋼管外表面的試樣側(cè)面往下每1 mm與熔合線交點(diǎn)處（直至試樣側(cè)面中部）；③缺口根部垂直位于接近鋼管外表面的試樣側(cè)面中部與熔合線交點(diǎn)處。藺衛(wèi)平等[5]認(rèn)為取上述方案中缺口根部相交于熔合線表面往下2 mm處和熔合線中心處的沖擊功值低者為試驗(yàn)結(jié)果。筆者認(rèn)為雖然此方案能較方便地處理批量沖擊試驗(yàn)問(wèn)題，提高工作效率，但是焊縫偏斜量不一，不同位置的沖擊功值難以得到準(zhǔn)確的變化規(guī)律，只能對(duì)每批次的產(chǎn)品進(jìn)行多組多位置的沖擊試驗(yàn)方能提高測(cè)量精度，因此建議每批次的產(chǎn)品檢驗(yàn)盡可能多位置的取樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，且都滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，才可判定此管或此批次鋼管沖擊性能合格。

而對(duì)于因?yàn)樵嚇蛹庸み^(guò)程導(dǎo)致的熔合線偏斜，主要產(chǎn)生的原因是試塊弧形面銑平時(shí)參考中心偏離了試塊的熔合線，如圖1所示。這是因?yàn)榻?jīng)過(guò)內(nèi)外毛刺清除（刮毛刺的范圍有一定的寬度，存在刮偏后難以確認(rèn)焊縫）且放置一段時(shí)間銹蝕后難以準(zhǔn)確地找出焊縫，一般只能估算，并以此為參考中心進(jìn)行加工。這種情況造成的熔合線偏斜量計(jì)算公式為

其中l(wèi)為偏離弧長(zhǎng)；W為試樣寬度；D為鋼管外徑。規(guī)格為Φ355.6 mm×15 mm高頻焊鋼管加工成全尺寸沖擊試樣，當(dāng)偏離長(zhǎng)度弧長(zhǎng)l為6 mm時(shí)，熔合線偏斜量L=10×tan1.9=0.3 mm，目測(cè)就可以發(fā)現(xiàn)熔合線的偏斜。當(dāng)有確定的熔合線偏斜量要求時(shí)，可通過(guò)此公式計(jì)算在機(jī)加工過(guò)程中明確銑平弧形面時(shí)偏離弧長(zhǎng)的大小，并在機(jī)加工時(shí)引起注意。

圖1 弧面銑平導(dǎo)致的熔合線偏離

還有一種造成機(jī)加工偏斜的原因就是從大的試塊鋸成小的試塊時(shí)，試塊的表面焊縫不垂直兩側(cè)面，導(dǎo)致加工后沖擊試樣側(cè)面的熔合線不對(duì)稱，如圖2所示。這種現(xiàn)象在試樣腐蝕定長(zhǎng)時(shí)可清楚發(fā)現(xiàn)側(cè)面焊縫標(biāo)識(shí)線與上表面焊縫標(biāo)識(shí)線不垂直，如果進(jìn)行缺口拉制就造成缺口根部從一開(kāi)始就偏離了熔合線，沖擊結(jié)果明顯增大。

圖2 沖擊試樣側(cè)面的熔合線不對(duì)稱（偏斜）

針對(duì)這種因人工加工造成的熔合線偏斜，應(yīng)該作廢并重新取樣，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)試樣取樣和加工人員的培訓(xùn)。當(dāng)機(jī)加工人員難以辨識(shí)試塊上的熔合線時(shí)，應(yīng)該先向取樣等相關(guān)人員確認(rèn)（通常做法是取樣等相關(guān)人員在沖擊試塊上事先標(biāo)識(shí)出熔合線）；如果仍難以確認(rèn)，可以對(duì)試塊表面進(jìn)行稍微的打磨后腐蝕確認(rèn)熔合線。

2.2 焊縫試樣腐蝕時(shí)不能清晰辨識(shí)焊縫

經(jīng)過(guò)熱處理后的高頻焊鋼管焊縫，在經(jīng)過(guò)磨床磨制后對(duì)其進(jìn)行腐蝕，正常情況下肉眼可以清楚地看到一道亮線；如果肉眼分辨不清，可腐蝕相鄰表面再進(jìn)行確認(rèn)，從而保證以熔合線為中心對(duì)試樣定長(zhǎng)，使缺口根部準(zhǔn)確地落在熔合線上。但對(duì)于一些經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的焊縫，往往在腐蝕后難以肉眼辨識(shí)，這時(shí)可通過(guò)進(jìn)一步的磨制、拋光和腐蝕，若仍不能看到熔合線，則應(yīng)借助顯微鏡等放大工具進(jìn)行確認(rèn)。如果在顯微鏡下也難以準(zhǔn)確地分辨出熔合線，只能作廢試樣重新取樣。對(duì)于重取的試樣，為了更有把握確定焊縫位置，必須從取樣開(kāi)始的每道工序，都應(yīng)該做好熔合線的粗略標(biāo)識(shí)，以方便在腐蝕時(shí)能更快地找到熔合線。

2.3 焊縫試樣缺口拉制時(shí)缺口根部偏離熔合線

焊縫沖擊試樣在定長(zhǎng)時(shí)會(huì)標(biāo)識(shí)出試樣的中心——熔合線，這樣在拉制V形缺口時(shí)，就能以此為基準(zhǔn)參考點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行拉制，保證缺口根部位于熔合線上。這看起來(lái)比較簡(jiǎn)單，但是相對(duì)于只有不到0.3 mm的焊縫細(xì)線，要保證缺口根部偏離焊縫細(xì)線不超過(guò)0.1 mm（GB/T 9711和API SPEC 5L沒(méi)有此明確要求，只是要求盡量靠近熔合線；這是澳大利亞產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)AS 2885.1要求的[6]）卻不是件容易做到的事情。要保證此缺口位置的準(zhǔn)確性，拉制缺口前，先調(diào)試?yán)墼囼?yàn)機(jī)以確保V形缺口尺寸（V形深度、角度和弧度等參數(shù)）符合要求，然后再對(duì)試樣拉制缺口。拉制時(shí)，首先對(duì)事前做的熔合線標(biāo)識(shí)進(jìn)行腐蝕確認(rèn)；其次，以此標(biāo)識(shí)線為參考基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)拉刀進(jìn)行拉制，此過(guò)程需注意的是，普通拉床拉刀的起始刀齒并無(wú)對(duì)準(zhǔn)線，因此難以保證缺口根部準(zhǔn)確位于熔合線處，應(yīng)對(duì)缺口拉制機(jī)床進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)裝置改進(jìn)。（番禺珠江鋼管（連云港）有限公司檢測(cè)中心經(jīng)過(guò)對(duì)拉刀進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)裝置改進(jìn)后，缺口根部偏離熔合線導(dǎo)致試樣不合格的現(xiàn)象很少出現(xiàn)，同時(shí)人員工作效率也得到了提高）；還要注意的是因?yàn)樵嚇颖旧黹L(zhǎng)度有公差，絕不能以試樣長(zhǎng)度為參考基準(zhǔn)進(jìn)行拉制缺口。最后，拉制后可以肉眼檢查缺口根部與原來(lái)標(biāo)識(shí)線的重合度，如果存在較大的偏差，則需通過(guò)體式顯微鏡進(jìn)行放大測(cè)量，以確認(rèn)是否符合要求；對(duì)不符合要求的試樣，進(jìn)行重新取樣。一般生產(chǎn)廠家正常訂單生產(chǎn)時(shí)，會(huì)進(jìn)行大量的試驗(yàn)，因此對(duì)于此試驗(yàn)，為了提高工作效率，建議取樣時(shí)可每組試樣多加工1或2件試樣備用，同時(shí)拉制缺口人員務(wù)必經(jīng)過(guò)嚴(yán)格培訓(xùn)并考核合格。

2.4 小尺寸沖擊試樣問(wèn)題

高頻焊鋼管一般直徑和壁厚較小，按照API SPEC 5L或者GB/T 9711等產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法加工全尺寸試樣（10 mm×10 mm×55 mm），只能加工成小尺寸試樣（10 mm×7.5 mm×55 mm，10 mm×6.7 mm×55 mm，10 mm×5 mm×55 mm，尺寸公差及試驗(yàn)要求見(jiàn) GB/T 229[7]或 ASTM A370[8]或 ASTM E23[9]或AS 1544.2[10]）。當(dāng)加工小尺寸試樣時(shí)，因?yàn)椴牧媳旧淼牟痪鶆蛐詫?dǎo)致沖擊功值的差異性，因此盡量將其加工成最大的小尺寸試樣，才能較好地反映產(chǎn)品的整體沖擊性能。而小尺寸焊縫沖擊試樣在較低溫度下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，其沖擊功值可能比較小。為了保證沖擊結(jié)果的準(zhǔn)確性，此時(shí)應(yīng)增加適當(dāng)厚度的墊片，使試樣打擊中心的高度為5 mm（相當(dāng)于寬度為10 mm標(biāo)準(zhǔn)試樣打擊中心的高度）[10]，試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)見(jiàn)表2。試驗(yàn)材料的材質(zhì)為BM，厚度為9.5 mm，加工成的試樣尺寸為 10 mm×5 mm×55 mm，試驗(yàn)設(shè)備同上。結(jié)果表明，加墊片的沖擊功值比不加墊片的要小，并且沖擊功值越小，差值越明顯。

表2 小尺寸試樣在加墊片與不加墊片時(shí)的沖擊試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)（KV8）

2.5 沖擊試驗(yàn)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響

沖擊試驗(yàn)設(shè)備的使用狀態(tài)直接對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，確保試驗(yàn)設(shè)備處于良好的使用狀態(tài)是試驗(yàn)的前提條件。一般可以通過(guò)設(shè)備質(zhì)量控制計(jì)劃來(lái)實(shí)現(xiàn)：每年度按照檢定規(guī)程要求進(jìn)行檢定；按照期間核查計(jì)劃和作業(yè)文件進(jìn)行期間核查；同時(shí)在使用過(guò)程中，如果更換對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響的零部件、進(jìn)行大修后或大批量生產(chǎn)前、中、后階段等，應(yīng)使用標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行間接檢查。日常使用設(shè)備的時(shí)候，首先要確定砧座和刀刃的圓角是否磨損、砧座跨距是否合適、鐵屑毛刺是否清理干凈，再空打確認(rèn)摩擦能量損失是否超標(biāo)，然后才可以對(duì)合格尺寸的沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)，從而保證得到可靠的試驗(yàn)結(jié)果。

對(duì)于砧座的跨距，如果超出下偏差則導(dǎo)致數(shù)據(jù)偏大，而超出上偏差則試驗(yàn)結(jié)果偏小。對(duì)于沖擊擺錘刀刃的圓角，如果是磨損了或變形了，導(dǎo)致寬度變小，打出來(lái)的沖擊功值偏小[11]。筆者在確定沖擊試驗(yàn)機(jī)所有其他條件沒(méi)問(wèn)題的情況下，對(duì)磨損或變形的刀刃進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，具體見(jiàn)表3。

表3 沖擊擺錘刀刃對(duì)沖擊試驗(yàn)結(jié)果的影響（KV8）

3 結(jié) 論

（1）高頻焊鋼管沖擊試驗(yàn)試樣定長(zhǎng)時(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，如果發(fā)現(xiàn)焊縫偏斜，要尋找出產(chǎn)生原因。如果是生產(chǎn)過(guò)程造成的，則按照缺口根部垂直位于與不同比例壁厚處（每1 mm）的熔合線交點(diǎn)進(jìn)行多組沖擊試驗(yàn)，結(jié)果都合格才可接收該根或該批次鋼管；如果是因?yàn)楹笮驒C(jī)加工原因造成的偏斜，則試樣作廢重新取樣。

（2）對(duì)于腐蝕后看不到熔合線的焊縫沖擊試樣，試樣應(yīng)判廢，同時(shí)對(duì)復(fù)取后每道工序標(biāo)識(shí)出熔合線，可以有效提高此類焊縫沖擊試驗(yàn)的效率。

（3）對(duì)于拉制缺口造成缺口根部與熔合線偏離導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏大，可通過(guò)對(duì)目前拉槽機(jī)床的拉刀進(jìn)行改進(jìn)，增加可以對(duì)準(zhǔn)熔合線的對(duì)準(zhǔn)裝置，提高工作效率。

（4）針對(duì)低沖擊功值的小尺寸試樣，建議在支座增加適當(dāng)?shù)膲|片，以得到更準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果。

（5）通過(guò)適當(dāng)力度的質(zhì)量控制計(jì)劃，保證沖擊試驗(yàn)機(jī)的使用狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1]張鴻博.油氣輸送用ERW鋼管焊縫質(zhì)量影響因素及缺陷無(wú)損檢測(cè)工藝的研究[D].西安：西安石油大學(xué)，2008.

[2]黃友陽(yáng).高頻焊管金屬流線的形成形態(tài)與分析[J].焊管，2000，29（6）：31-36.

[3]GB/T 9711—2011,石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管[S].

[4]API SPEC 5L—2012,Specification for Line Pipe[S].

[5]藺衛(wèi)平.高頻焊接鋼管焊縫沖擊試樣缺口位置的確定[J].機(jī)械工程材料，2012，36（8）：18-21.

[6]AS 2885.1—2009,Pipelines-Gas and Liquid Petroleum Part 1:Design and construction[S].

[7]ASTM A370-16,Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products[S].

[8]ASTM E23-12c,Standard Test Methods for Notches Bar Impact Testing of Metallic Materials[S].

[9]GB/T 229—2007,金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法[S].

[10]AS 1544.2—2003,Methods for Impact Tests on Metals Part 2:Charpy V-notch[S].

[11]于秀娥.不同擺錘刀刃對(duì)管線鋼夏比沖擊試驗(yàn)的影響及分析[J].中國(guó)測(cè)試，2011，37（6）：21-23.

Discussion on Weld Impact Test of High Frequency Welded Pipe

LIANG Caimeng,ZHANG Yong
（Panyu Chu Kong Steel Pipe(Lianyungang)Co.,Ltd.,Lianyungang 222006,Jiangsu,China）

In order to improve the HFW pipe product quality,ensure the measurement results accuracy of the welded pipe impact test is very important.In the process of the actual detection,due to the high frequency weld is a thin line with width less than 0.3 mm after heat treatment,so make sure the exact impact test result has certain difficulty.Some problems affecting impact test result were discussed,including the preparation of impact test sample,weld corrosion,small size test sample,testing machine and so on.And give the relevant solutions,thus the accuracy of impact test result can be ensured.

high frequency welded pipe;impact test;impact toughness;small size test sample

TG115.5

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.014

梁才萌（1987—），男，廣西貴港人，本科，山東大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)，現(xiàn)為番禺珠江鋼管（連云港）有限公司檢測(cè)中心副主任，主要從事石油天然氣輸送管線鋼管及防腐涂層的理化檢測(cè)工作。

2016-08-08

羅 剛