X70管道自保護藥芯焊絲環(huán)焊接頭力學(xué)性能及影響因素

何小東， 薛如， 李為衛(wèi)， 池強， 高雄雄

(1. 中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077；2. 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室，西安 710077；3. 中國石油西氣東輸管道公司，上海 200120)

0 前言

焊接是當(dāng)今油氣長輸管道連接的唯一方式。因此，焊接效率和焊接質(zhì)量不僅對管道工程施工起著關(guān)鍵作用，也決定了管道環(huán)焊縫接頭本質(zhì)安全。目前，國內(nèi)外長輸管道常用的焊接方法主要有藥皮焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護半自動焊、自保護藥芯焊絲電弧焊、熔化極活性氣體保護自動焊、自動埋弧焊和閃光對焊等[1]。藥芯焊絲自保護焊(Self-shielded flux-cored arc welding，F(xiàn)CAW-S)和熔化極活性氣體保護自動焊(Gas metal arc welding, GMAW)效率高、勞動強度低，在高強度、大口徑、厚壁管道環(huán)焊縫的填充、蓋面焊接中得到廣泛應(yīng)用。但這兩種焊接工藝也有局限性。隋永莉等人[2]從焊接原理、焊接材料、焊接設(shè)備、焊接坡口、管口組對、焊接施工及施工組織、焊接質(zhì)量控制、經(jīng)濟效益等幾個方面總結(jié)分析了半自動焊工藝和自動焊工藝的適用性及其優(yōu)缺點。

為了滿足高強度油氣管道現(xiàn)場焊接需要，國內(nèi)相關(guān)單位和機構(gòu)開展了自保護藥芯焊絲研制。有研究者[3]通過提高熔渣的堿度以及在藥粉中加入多種氟化物提高脫氫能力；再增加Mn含量來提高強度，通過降低熔敷金屬中的鋁含量和硅含量，并加入微量合金元素和提高鎳含量，獲得了X80管道焊接用高強韌性自保護藥芯焊絲。張敏等人[4]基于成分匹配與組織匹配的設(shè)計原則，設(shè)計并制成了X100管線鋼匹配用自保護藥芯焊絲，并選用合適的焊接工藝參數(shù)試焊，得到強度、韌性和組織與母材相匹配的焊接接頭。但是，近年來X80管道環(huán)焊縫發(fā)生多起失效事故[5]，業(yè)界相關(guān)人士對高鋼級管道現(xiàn)場焊接能否使用自保護藥芯焊絲焊接持懷疑態(tài)度，甚至在相關(guān)技術(shù)文件中禁止使用此焊接工藝。

針對某管道工程焊接工藝適用性評定，文中測試了焊接接頭關(guān)鍵力學(xué)性能，并分析了其主要影響因素。研究結(jié)果有助于自保護藥芯焊絲焊接工藝在高強度管道現(xiàn)場環(huán)焊縫焊接中的合理應(yīng)用和焊接接頭質(zhì)量控制。

1 試驗材料及方法

1.1 試樣制備

環(huán)焊縫試樣制備采用直徑為813 mm，鋼級為X70的鋼管，組對壁厚為14.3～14.3 mm，17.5～17.5 mm和17.5～19.1 mm，焊接坡口形式為V形，坡口角度為25°。焊接工藝采用表面張力過渡(Surface tension transfer,STT)根焊，焊絲牌號為Bohler SG3-P(ER70S-G)，直徑為1.2 mm。FCAW-S熱焊、填充焊和蓋面焊的焊絲牌號為JC-30(E551T8-K2)，直徑為2.0 mm。環(huán)焊縫焊接分別由5組焊工完成，焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)

1.2 試驗方法

樣品完成焊接后，采用HR-90A/3093-1634型X射線探傷機對環(huán)焊縫進行無損檢測。對探傷合格的焊縫依據(jù)GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》進行評價。采用KB30BVZ-FA 維氏硬度計了測試了焊接接頭內(nèi)外表面附近的硬度分布。用SHT4106 材料試驗機測試了不同焊接位置的焊接接頭在室溫下的拉伸性能和塑性變形能力；截取55 mm×10 mm×10 mm夏比沖擊試樣，缺口類型為V形(Charpy V-Notch，CVN)，深度為2 mm，用PSW750 沖擊試驗機測試了焊縫和熱影響區(qū)在管道設(shè)計溫度-5 ℃下的夏比沖擊吸收能量。在環(huán)焊縫接頭的平焊、立焊和仰焊位置分別截取并制備金相試樣，采用MEF4M 金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)分析了焊接接頭的宏觀組織和微觀組織。利用VEGA掃描電鏡和NSS-300型能譜儀分析了斷口形貌和成分組成。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

圖1是環(huán)焊縫接頭的抗拉強度分布。統(tǒng)計結(jié)果表明，三種壁厚的環(huán)焊接頭抗拉強度Rm分布范圍為590～670 MPa，均大于標(biāo)準(zhǔn)要求的最小抗拉強度570 MPa，且服從正態(tài)分布，其平均值約為628 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差約為16 MPa。拉伸試驗中86.5%的試樣均斷于母材(BM)，只有13.5%的焊接接頭拉伸試樣斷于熱影響區(qū)(HAZ)，但斷于熱影響區(qū)的焊接接頭其抗拉強度也大于標(biāo)準(zhǔn)要求的最小抗拉強度570 MPa。由于焊接接頭拉伸試樣絕大多數(shù)斷于母材，其抗拉強度體現(xiàn)的是管材的縱向拉伸性能。

圖1 環(huán)焊縫接頭抗拉強度分布

圖2所示是環(huán)焊縫接頭夏比沖擊吸收能量分布。圖2表明，環(huán)焊縫中心的夏比沖擊吸收能量單個值分布為80～260 J，標(biāo)準(zhǔn)差約為35 J；每組焊縫(WM)沖擊吸收能量平均值范圍為107～245 J，標(biāo)準(zhǔn)差為29 J。熱影響區(qū)夏比沖擊吸收能量單個值和組平均值的分布范圍分別是77～325 J,134～302 J，其標(biāo)準(zhǔn)差分別約為49 J和33 J。因此，不管是焊縫還是熱影響區(qū)的單個值和夏比沖擊吸收能量值均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的38 J和50 J要求。但是，從圖2也可以看出，相比于焊縫，熱影響區(qū)的沖擊吸收能量離散程度略大。這主要是由于焊接熱影響區(qū)的組織和結(jié)構(gòu)不均勻性所致。一般地，油氣管道環(huán)焊接頭熱影響區(qū)沖擊試樣取至壁厚中心，缺口位置為焊縫金屬和熱影響區(qū)母材金屬各占50%。但由于焊接熱影響區(qū)較窄，在沖擊試樣缺口加工過程中，難以完全保證焊縫金屬和熱影響區(qū)的母材所占比例完全一致。因此，熱影響區(qū)的夏比沖擊吸收能量值波動較大。從總體上看，在合理的焊接工藝下，雖然自保護藥芯焊絲焊接的X70管道環(huán)焊縫接頭夏比沖擊吸收能量有一定的波動，但是焊縫和熱影響區(qū)的沖擊吸收能量單個值和平均值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 環(huán)焊縫接頭夏比沖擊吸收能量分布

對環(huán)焊縫接頭取樣，按標(biāo)準(zhǔn)要求進行側(cè)彎試驗，彎軸直徑為90 mm，彎曲角度180°。圖3是側(cè)彎后試樣拉伸面形貌和缺陷統(tǒng)計。圖3表明，約76%的彎曲試樣拉伸面無缺陷，而有缺陷或斷裂的試樣占24%。按驗收標(biāo)準(zhǔn)判定試樣上缺陷性質(zhì)或尺寸超出要求的僅有2%。因此，整體環(huán)焊縫而言，自保護藥芯焊絲焊接的X70管道環(huán)焊縫接頭具有較好的塑性變形能力。

圖4是環(huán)焊縫接頭的維氏硬度統(tǒng)計分布。圖4表明，自保護藥芯焊絲焊接的X70管道環(huán)焊縫接頭維氏硬度呈正態(tài)分布，無論內(nèi)表面還是外表面附近的維氏硬度均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的275 HV10。但從圖4也可以看出，管體和熱影響區(qū)的硬度值分布穩(wěn)定，變化相對較小，而外表面的蓋面焊縫和內(nèi)表面的根焊焊縫硬度值波動較大，分布范圍也相對較寬；而且根焊焊縫的硬度低于熱影響區(qū)和母材的硬度，而填充和蓋面焊縫的硬度略高于熱影響區(qū)和母材的硬度。

2.2 討論與分析

雖然，自保護藥芯焊絲焊接的X70管道環(huán)焊縫接頭表現(xiàn)出較好的拉伸性能、夏比沖擊韌性和塑性變形能力，但彎曲試樣的拉伸面上仍出現(xiàn)較多的缺陷甚至發(fā)生斷裂。究其原因主要是藥芯自保護焊接焊縫上容易產(chǎn)生較多的焊接缺陷，而且通過射線探傷對這些缺陷難以判定或判定為合格。圖5是X70自保護藥芯焊絲環(huán)焊接頭典型焊接缺陷。由于自保護藥芯焊絲焊接自身的工藝特點所致[6]，這些焊接缺陷包括氣孔、夾渣、未熔合等，而且夾渣的數(shù)量最多，其形貌及能譜分析如圖6所示。自保護藥芯焊絲焊接主要的是通過在藥芯中加入造渣、造氣、脫氧、脫氮的礦物粉來保證焊縫金屬的組織、力學(xué)性能及成形性。從圖6的能譜分析可以看出氧、鋁、鎂、鋇等元素是自保護藥芯焊絲熔渣主要成分[7]。因此，自保護藥芯焊絲焊接缺陷與工藝自身特點密切相關(guān)。

圖4 環(huán)焊接頭維氏硬度分布

這些焊接缺陷一方面可能位于沖擊試樣缺口根部啟裂或裂紋擴展面上，對沖擊韌性不利[8]，從而導(dǎo)致沖擊韌性值離散，另一方面對焊接接頭的抗載荷能力和彎曲變形能力也有影響，甚至?xí)蔀榱鸭y擴展源導(dǎo)致管道環(huán)焊縫接頭失效。圖7為金相橫截面上宏觀可見缺陷的數(shù)量與拉伸斷于熱影響區(qū)或彎曲拉伸面開裂數(shù)量的關(guān)系。從圖7可以看出，二者呈線性相關(guān)，即自保護藥芯焊絲焊接環(huán)焊接頭中，缺陷數(shù)量越多，拉伸試樣越有可能斷于焊縫或熱影響區(qū)，而且彎曲試樣的拉伸面也容易出現(xiàn)較多的裂紋甚至斷裂。實際上，自保護藥芯焊絲環(huán)焊縫接頭的焊接缺陷數(shù)量與焊工操作水平也密切相關(guān)，如圖8所示。因此，為了保證管道安全，提升藥芯自保護焊接環(huán)焊縫接頭質(zhì)量，焊接操作者的水平和質(zhì)量意識起著至關(guān)重要的作用。

圖5 X70藥芯自保護焊接環(huán)焊縫接頭典型焊接缺陷

圖6 藥芯焊絲自保護焊接夾渣形貌及其能譜分析

圖7 缺陷與拉伸斷裂位置和彎曲開裂的關(guān)系

圖8 焊工組合與焊接缺陷出現(xiàn)概率的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)采用ER70S-G STT根焊與E551T8-K2自保護藥芯焊絲進行熱焊、填充和蓋面焊接X70高強度管道，環(huán)焊縫接頭具有較好的力學(xué)性能。

(2)影響自保護藥芯焊絲環(huán)焊接頭力學(xué)性能的主要因素是焊縫中的夾渣、氣孔和未熔合等焊接缺陷。

(3)焊接缺陷不僅與自保護藥芯焊絲焊接的工藝特點有關(guān)，還與焊接操作水平和質(zhì)量意識密切相關(guān)。