凸臺(tái)焊接對(duì)HFW焊管性能影響的模擬研究

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(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　陜西　西安　710077； 2.中石油管道聯(lián)合有限公司西部分公司　新疆　烏魯木齊　830013)

0　引　言

高頻電阻焊(high-frequency electric welding，HFW)管由于生產(chǎn)效率和尺寸精度高、易于防腐涂覆等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于西氣東輸二線站場(chǎng)/閥室的管道建設(shè)中[1,2]。為了滿足閥門(mén)、儀表和法蘭等的安裝需要，站場(chǎng)/閥室建設(shè)工程中經(jīng)常會(huì)遇到在主管上開(kāi)孔、焊接凸臺(tái)(支管座)連接支管的情況[3-6]。在實(shí)際操作中，由于HFW高頻電阻焊管焊縫肉眼難以辨別，部分凸臺(tái)安裝位置距離焊管焊縫很近甚至重合，存在安全隱患。

物理模擬技術(shù)通過(guò)對(duì)小型金屬試樣在不同受熱、受力條件下變形(或變態(tài))行為的模擬實(shí)驗(yàn)，為金屬材料的物理冶金研究及科研開(kāi)發(fā)提供既揭示微觀機(jī)理，又指導(dǎo)實(shí)際工藝的分析資料。本文以站場(chǎng)/閥室高頻電阻焊管上的凸臺(tái)焊接為研究對(duì)象，根據(jù)焊接時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量的熱循環(huán)曲線，利用Gleeble3 500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)物理模擬方法研究凸臺(tái)焊接對(duì)HFW焊管管體和直焊縫拉伸、沖擊性能的影響規(guī)律。

1　試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用鋼管選用西氣東輸二線站場(chǎng)/閥室中常用的HFW高頻電阻焊管，鋼級(jí)L415MB、規(guī)格Φ406.4 mm×12.5 mm，化學(xué)成分見(jiàn)表1。表1中同時(shí)列出計(jì)算所得的CEⅡw、Ceq和Pcm值。材料的拉伸和沖擊性能見(jiàn)表2。凸臺(tái)選用工作壓力為12 MPa、材料A350 LF2，規(guī)格DN400 mm×25 mm的焊接式凸臺(tái)。

1.2　試驗(yàn)方法

利用熱切割的方法在HFW高頻電阻焊管焊縫中心開(kāi)直徑為Φ25 mm的小孔。根據(jù)西氣東輸二線管道規(guī)程站場(chǎng)/閥室焊接工藝規(guī)程，采用鎢極氬弧焊(GTAW)打底、焊條電弧焊(SMAW)填充蓋面的焊接方法焊接凸臺(tái)，具體的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

利用儲(chǔ)能焊機(jī)將K型熱電偶固定在焊管表面距離凸臺(tái)角焊縫0.89 mm和3.01 mm位置(焊接后實(shí)測(cè)位置)。測(cè)試設(shè)備采用日本基恩士TR-TH08高精度溫度/電壓測(cè)量?jī)x，可同步查看和記錄不同位置的溫度變化情況[7,8]，如圖1所示。

制備HFW高頻電阻焊管管體和縱焊縫的Φ6 mm×71 mm、10.5 mm×10.5 mm×71mm的熱模擬試樣。利用Gleeble3 500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。將前文測(cè)得的焊接熱循環(huán)曲線溫度加載在制備的熱模擬試樣上。熱模擬試驗(yàn)后將試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣和沖擊試樣。

表1　L415MB高頻電阻焊管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　%

注: 1) CEⅡw=C+Mn/6+(Cu+Ni )/15 +(Cr + Mo +V)/5 2) Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2 3) Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

表2　L415MB電阻焊管力學(xué)性能

表3　凸臺(tái)焊接工藝參數(shù)

注：DCEN-表示與焊接材料相連的電極與電源的負(fù)極相關(guān)聯(lián)；DCEP-表示焊條與電源的正極相關(guān)聯(lián)。

圖1　TR-TH08型熱循環(huán)測(cè)量?jī)x

圖2　Gleeble 3500熱-力學(xué)模擬試驗(yàn)機(jī)

2　試驗(yàn)結(jié)果和分析

凸臺(tái)焊接總共為四道次，第一道次為打底焊接、第二、三道次為填充焊接，第四道次為蓋面焊接。圖3為凸臺(tái)焊接時(shí)距離角焊縫0.89 mm、3.01 mm(焊接結(jié)束后實(shí)測(cè)距離)處熱電偶測(cè)得的熱循環(huán)曲線。凸臺(tái)打底焊接采用的是鎢極氬弧焊接，通過(guò)對(duì)距離角焊縫0.89 mm處的焊接熱循環(huán)曲線分析可知，第一道次焊接的加熱階段可以分為三個(gè)階段：0～600 ℃，加熱速度為150 ℃/s；600～850 ℃的加熱速度增加為256 ℃；850～915 ℃則加熱速度降為50 ℃/s。熱循環(huán)峰值溫度達(dá)到了915 ℃后緩慢冷卻，從915 ℃降低到800、700、650和400 ℃的冷卻速度依次為82、52、32和23 ℃/s。凸臺(tái)填充和蓋面焊接采用焊條電弧焊。三道次的平均加熱速度依次為：59、278和414 ℃/s，峰值溫度則依次為：586、1 355和1 372 ℃。在蓋面焊接時(shí)，測(cè)點(diǎn)在1 372 ℃的停留時(shí)間約為2 s。測(cè)點(diǎn)在高溫的停留時(shí)間(1 000 ℃)依次為9.2和6 s。焊接后800 ℃到500 ℃的停留時(shí)間依次為：10、9、8.5 s。通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)可知，隨著焊接道次的增加，凸臺(tái)角焊縫附近區(qū)域的加熱速度、峰值溫度、高溫停留時(shí)間以及冷卻速度都逐漸增加。在每個(gè)道次的焊接中，加熱速度在焊接溫度快速達(dá)到高溫后(1 000 ℃)、峰值溫度前，存在快速降低的情況，而焊后冷卻速度則隨著溫度的降低而逐漸小。距離凸臺(tái)角焊縫3.01 mm處的焊接熱循環(huán)的規(guī)律同上述一致，峰值溫度在最后焊接道次也達(dá)到了約1 004 ℃。

圖3　凸臺(tái)焊接后ERW焊管外表面焊接熱循環(huán)曲線

HFW焊管管體和直焊縫橫向拉伸試樣經(jīng)過(guò)圖3所示峰值溫度高達(dá)1 372 ℃和1 004 ℃的焊接熱循環(huán)后，測(cè)得的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，HFW焊管直焊縫的抗拉強(qiáng)度最低，為524.5 MPa，約為HFW管體的88%。通過(guò)凸臺(tái)焊接的熱模擬試驗(yàn)后，HFW管體粗晶區(qū)(1 372 ℃)和細(xì)晶區(qū)(1 004 ℃)的抗拉強(qiáng)度相對(duì)于管體降低，其中細(xì)晶區(qū)抗拉強(qiáng)度降低為535 MPa，約為HFW管體的90%。ERW焊管直焊縫橫向拉伸試樣經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)后，模擬焊接粗晶區(qū)(1 372 ℃)和細(xì)晶區(qū)(1 004 ℃)的抗拉強(qiáng)度則稍有上升，粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)抗拉強(qiáng)度分別增加為564、551.5 MPa，約為ERW管體的94.8%和92.7%。

HFW管體和直焊縫沖擊試樣經(jīng)過(guò)峰值溫度高達(dá)1 372 ℃和1 004 ℃的焊接熱循環(huán)后，測(cè)得在0 ℃和-40 ℃的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示：在0 ℃時(shí)，管體和縱焊縫的沖擊韌性值分別為207 J和365 J，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。通過(guò)凸臺(tái)焊接熱模擬試驗(yàn)后，粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)試樣的沖擊韌性都遠(yuǎn)高于ERW焊管原始性能。在-40 ℃，管體和縱焊縫的沖擊韌性值稍有降低，分別為191 J和344 J，凸臺(tái)焊接熱模擬后，粗晶區(qū)組織韌性低于焊縫而高于管體，約為249 J，細(xì)晶區(qū)組織則高于管體和縱焊縫，在-40 ℃仍然高達(dá)379 J。

圖5　HFW焊管管體和直焊縫沖擊性能

3　結(jié)　論

以站場(chǎng)/閥室高頻電阻焊管上的凸臺(tái)焊接為研究對(duì)象，根據(jù)焊接時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量的熱循環(huán)曲線，通過(guò)物理模擬方法研究凸臺(tái)焊接對(duì)HFW焊管管體和直焊縫拉伸、沖擊性能的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

1)凸臺(tái)焊接時(shí)焊縫附近HFW焊管外表面距離角焊縫0.89 mm和3.01 mm處峰值溫度分別高達(dá)1 372 ℃和1 004 ℃。

2)凸臺(tái)焊接后HFW焊管管體和直焊縫模擬粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的抗拉強(qiáng)度高于HFW焊管直焊縫。

3)凸臺(tái)焊接后HFW焊管管體和直焊縫模擬粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的沖擊韌性高于HFW焊管管體。

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