盧衛(wèi)卓, 崔智超, 梁劍, 黃益民, 王甫
(1.中國(guó)石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院, 陜西 西安 710077;2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司, 北京 100101;3.中國(guó)石油技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司,北京 100101;4.中華人民共和國(guó)莆田海關(guān),河南 安陽(yáng) 351100;5.湖南勝利湘鋼鋼管有限公司,湖南 湘潭 411100)
目前國(guó)內(nèi)在X70,X80埋弧焊管制造技術(shù)及應(yīng)用規(guī)模達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[1-4]。隨著國(guó)內(nèi)管線(xiàn)鋼及焊材的質(zhì)量提高,油氣輸送鋼管的焊縫性能質(zhì)量已提升到了穩(wěn)定階段,很少出現(xiàn)在工藝評(píng)定合格的前提下,批量生產(chǎn)時(shí)發(fā)生焊縫性能實(shí)質(zhì)性不符合標(biāo)準(zhǔn)要求,主要是因焊接設(shè)備故障、焊縫內(nèi)部的不連續(xù)、焊縫錯(cuò)邊及超標(biāo)焊偏量等因素導(dǎo)致[5];文中選取焊縫焊偏為研究對(duì)象,在評(píng)定合格的焊接參數(shù)及工況條件下先完成內(nèi)焊道焊縫正常焊接,再人為預(yù)設(shè)一定的焊偏量進(jìn)行外焊道焊縫焊接,通過(guò)對(duì)試樣在相同試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn),就試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,尋找出焊縫焊偏量的變化對(duì)焊管焊縫整體宏觀(guān)力學(xué)性能影響的規(guī)律,并就形成此規(guī)律的原因進(jìn)行淺析。
在某項(xiàng)目φ813 mm×15.9 mm L485M 直縫埋弧焊鋼管批量生產(chǎn)過(guò)程中,選取1根已完成內(nèi)焊尚未進(jìn)行外焊的半成品鋼管,長(zhǎng)為12 m,并分別在兩端標(biāo)識(shí)“a”和“b”。
試板制作準(zhǔn)備:①對(duì)選取的半成品鋼管從a端起用記號(hào)筆沿焊道每隔500 mm垂直焊道畫(huà)條標(biāo)記線(xiàn),依次標(biāo)記1號(hào)至6號(hào),中間間隔500 mm(調(diào)整過(guò)渡段)。②在選取的半成品鋼管b端切取1 500 mm長(zhǎng)的管環(huán),并以外焊道為中心線(xiàn),向兩側(cè)各延伸160 mm沿鋼管軸向平行于外焊道切取320 mm×1 500 mm的長(zhǎng)方形弧段,外焊道位于中心線(xiàn)上。
試板的外焊分為A,B兩類(lèi)方法,以達(dá)到預(yù)設(shè)焊偏量,兩類(lèi)焊接參數(shù)及焊材均保持與批量生產(chǎn)時(shí)一致,焊接參數(shù)見(jiàn)表1,具體焊接如下。
表1 焊接工藝參數(shù)
A類(lèi)試板焊接,準(zhǔn)備試板“①”模擬正常生產(chǎn)時(shí)的焊縫焊偏產(chǎn)生:從a端開(kāi)始焊接1號(hào)試板,外焊時(shí)紅外線(xiàn)跟蹤對(duì)正(紅外線(xiàn)跟蹤是目前埋弧焊管控制焊縫焊偏的主要方法,紅外線(xiàn)在焊道中走過(guò)的軌跡即焊縫中心),焊接一段500 mm長(zhǎng)預(yù)設(shè)0焊偏量的焊縫;2號(hào)試板,外焊時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)鋼管周向旋轉(zhuǎn),使外焊紅外線(xiàn)跟蹤軌跡線(xiàn)偏離焊道中心線(xiàn)2 mm進(jìn)行焊接,以達(dá)到焊縫存在2 mm的預(yù)設(shè)理論焊偏量;3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)外焊時(shí)與2號(hào)相同,通過(guò)調(diào)節(jié)鋼管周向旋轉(zhuǎn),使外焊紅外線(xiàn)跟蹤軌跡線(xiàn)分別偏離焊道中心線(xiàn)3 mm,4 mm,5 mm,6 mm進(jìn)行焊接,以達(dá)到3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)試板焊縫分別存在3 mm,4 mm,5 mm,6 mm的預(yù)設(shè)理論焊偏量。
B類(lèi)試板焊接,準(zhǔn)備試板“②”點(diǎn)焊固定在同規(guī)格鋼管上,固定前調(diào)節(jié)試板使外焊紅外線(xiàn)跟蹤軌跡線(xiàn)與“②”試板外焊道中心線(xiàn)形成0.5°的偏移角(通過(guò)調(diào)整試板1 500 mm處中心偏移量“L”來(lái)實(shí)現(xiàn),L=1 500sin0.5°),最后按照相同的焊接工藝參數(shù)(見(jiàn)表1)進(jìn)行焊接,使外焊道焊縫形成以0.5°漸開(kāi)線(xiàn)的理論焊偏量,如圖1所示。A,B兩類(lèi)試板外焊道因某段焊偏量增大導(dǎo)致未焊滿(mǎn)時(shí),采用相同焊接工藝參數(shù)補(bǔ)焊一道,將焊道焊滿(mǎn)。
圖1 B類(lèi)試板固定在同規(guī)格鋼管上進(jìn)行外焊道焊縫焊接
A,B類(lèi)試板試樣加工,按照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)分別對(duì)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)試板取焊縫沖擊、焊縫導(dǎo)向彎曲、焊縫拉伸、焊縫宏觀(guān)金相,并做好表標(biāo)識(shí)。
B類(lèi)試板試樣加工,首先將1.5 m的試板等分成6段,每段分別標(biāo)記1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)與漸開(kāi)線(xiàn)方向一致(即隨著焊偏增大#增大),不同于A(yíng)類(lèi)試板試樣,由于B類(lèi)試板每段內(nèi)焊偏量沿漸開(kāi)線(xiàn)逐漸增大,為保證試樣一致性,每段試樣加工順序都按照焊縫導(dǎo)向彎曲、焊縫拉伸、焊縫宏觀(guān)金相及焊縫沖擊的固定順序進(jìn)行取樣加工。
A,B類(lèi)試樣加工尺寸、精度及加工條件均相同,嚴(yán)格按照ASTM A370要求加工,同時(shí)為避免焊縫余高的變化對(duì)試驗(yàn)性能產(chǎn)生影響,焊縫導(dǎo)向彎曲及拉伸試樣的焊縫均去除,并用拋光片將焊縫打磨至相同厚度(母材平齊)。
試驗(yàn)條件與某項(xiàng)目保持一致,并符合API 5L 46版要求,A,B兩類(lèi)試板試樣各項(xiàng)試驗(yàn)均在同一試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,焊縫宏觀(guān)金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、圖2,焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3和圖3。-20 ℃全尺寸沖擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、圖4。焊縫導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5、圖5。
表2 焊縫宏觀(guān)金相檢驗(yàn)結(jié)果記錄 mm
圖2 焊縫宏觀(guān)形貌
表3 焊縫拉伸試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度記錄 MPa
圖3 A類(lèi)3號(hào)焊縫拉伸曲線(xiàn)
表4 焊縫-20 ℃全尺寸沖擊試驗(yàn)記錄J
圖4 沖擊試驗(yàn)缺口檢查及試驗(yàn)溫度
表5 焊縫導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)(反彎)記錄
圖5 沖擊試驗(yàn)缺口檢查及沖擊試驗(yàn)溫度
通過(guò)A,B兩類(lèi)試板焊縫宏觀(guān)金相試驗(yàn),實(shí)際焊偏量與預(yù)設(shè)焊偏量存在明顯差異,對(duì)于A(yíng)類(lèi)試板焊偏通過(guò)旋轉(zhuǎn)鋼管,使其每段焊接試板焊縫偏離中心線(xiàn)一定的距離來(lái)實(shí)現(xiàn),因此在每段內(nèi)焊偏量相對(duì)一致,B類(lèi)試板焊偏量通過(guò)調(diào)整試板,使其實(shí)際焊縫與焊頭焊接行走軌跡形成0.5°夾角,理論上隨著焊接位移的增大焊偏量按照0.5°正弦函(sin0.5°L)增大。由圖表分析可得以下信息:A,B類(lèi)試板的實(shí)際焊偏量均比預(yù)設(shè)焊偏量整體要小;A類(lèi)5號(hào)、6號(hào)及B類(lèi)4號(hào)焊偏量陡然下降,是因第一次外焊焊偏量過(guò)大不能將焊縫焊滿(mǎn),進(jìn)行第二次外焊補(bǔ)焊導(dǎo)致;A類(lèi)試板焊縫焊偏量隨著預(yù)設(shè)焊偏量增加的增量相對(duì)于B類(lèi)試板要平緩,如圖6所示。
圖6 實(shí)際與設(shè)計(jì)焊偏量趨勢(shì)分析
由該次焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)結(jié)合焊縫拉伸強(qiáng)度與焊偏量分析表可知:焊縫的焊偏量對(duì)其抗拉強(qiáng)度影響不太敏感,在所有試樣中除B類(lèi)4號(hào)試樣焊偏量8 mm的抗拉強(qiáng)度568 MPa最小外,其它試樣試驗(yàn)結(jié)果均很平穩(wěn),如圖7所示。
圖7 焊偏量與焊縫拉試驗(yàn)結(jié)果分析
由該次焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)合焊縫焊偏量與焊縫沖擊吸收能量分析,可以得出以下幾點(diǎn)信息:焊縫焊偏量最小時(shí)其焊縫平均沖擊吸收能量值相對(duì)較低;焊縫沖擊吸收能量值相對(duì)較好的試樣對(duì)應(yīng)焊縫焊偏量在1.7~4.8 mm區(qū)間;焊縫沖擊吸收能量最小值分別出現(xiàn)在焊偏量最小和焊偏量最大的試樣上。另外從表4中 A,B兩類(lèi)試樣沖擊吸收能量試驗(yàn)結(jié)果單值分析,每組三個(gè)沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定、離散程度相對(duì)較小的試樣對(duì)應(yīng)焊縫焊偏量也在1.7~4.8 mm區(qū)間,如圖8所示。
圖8 焊縫焊偏量與焊縫沖擊吸收能量試驗(yàn)結(jié)果分析
單從A,B兩類(lèi)試板焊偏量與導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出:在彎曲直徑6t的試驗(yàn)條件下試樣均無(wú)裂紋產(chǎn)生,就此次試驗(yàn)而言可以預(yù)見(jiàn)焊偏對(duì)彎曲直徑大于等6t的導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)裂紋的產(chǎn)生不敏感;在彎曲直徑4t的條件下,A類(lèi)試板隨著焊偏量的變化裂紋敏感、不穩(wěn)定性變化較大,B類(lèi)試板隨著焊偏量的增大整體裂紋敏感性增大并且在焊偏大于4.8 mm后陡然增大;另外A,B兩類(lèi)試板導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)裂紋敏感性有個(gè)共同點(diǎn)即在焊偏量在1.7~4.8 mm之間裂紋敏感性最低,如圖9所示。
圖9 焊偏量與導(dǎo)向彎曲(反彎)試驗(yàn)結(jié)果分析
在該試驗(yàn)過(guò)程中為盡可能的減少影響因素,正如前文所提從試驗(yàn)試板的選擇、焊材、焊接參數(shù)、試板取樣、試樣加工及試驗(yàn)過(guò)程均保持一致,因此上述因素引起試驗(yàn)差異基本可以忽略,基本可以確保焊偏量的差異是導(dǎo)致焊縫宏觀(guān)力學(xué)性能變化的主要因素,焊偏量的差異引起焊縫結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部組織的變化。
焊縫是埋弧鋼管焊接頭五個(gè)區(qū)域(焊縫、熔合區(qū)、熱影響粗晶區(qū)CGHAZ、細(xì)晶區(qū)FGHAZ、臨界熱影響區(qū)ICHAZ)占比最大、結(jié)構(gòu)形貌相對(duì)單一的區(qū)域,是焊接冶金反應(yīng)的主要區(qū)域。在焊縫凝固中,柱狀晶沿向前推進(jìn)的同時(shí)把低熔點(diǎn)物質(zhì)(一般多為雜質(zhì))排擠到熔池中心,并使其中心雜質(zhì)濃度增大,造成整個(gè)焊縫截面范圍內(nèi)形成明顯的成分不均勻,形成宏觀(guān)偏析,這些低熔點(diǎn)物質(zhì)及宏觀(guān)偏析的存在使得在焊縫中心出現(xiàn)低性能區(qū)域[6],另外焊縫中心為晶粒最粗區(qū)域,相對(duì)焊縫其它區(qū)域性能最差。因此焊縫無(wú)焊偏或焊偏量較小時(shí)內(nèi)外焊道的低性能區(qū)會(huì)重疊,使其焊縫整體性能下降。
選取A類(lèi)1號(hào)及B類(lèi)3號(hào)宏觀(guān)金相試驗(yàn)殘樣,分別進(jìn)行低倍及高倍下焊縫組織觀(guān)察,如圖10~圖13,發(fā)現(xiàn)焊縫組織中塑性較好的原生奧氏體析出鐵素體有明顯變化,組織生長(zhǎng)方向整齊性及滲碳體的析出有明顯差異,結(jié)合焊縫宏觀(guān)金相圖2,可以看出焊縫橫截面的形狀因焊偏量的變化各不相同。對(duì)于埋弧焊這種焊接方法,焊縫形狀對(duì)其力學(xué)性能有直接影響,焊偏導(dǎo)致熔池形狀變化并使熱循環(huán)等溫線(xiàn)改變,熔池的形狀、尺寸、溫度、存在時(shí)間及池內(nèi)液體金屬的流動(dòng)狀態(tài),對(duì)熔池中的冶金反應(yīng)、結(jié)晶方向、晶體結(jié)構(gòu),夾雜物的數(shù)量和分布有直接影響,直接決定著焊縫的成形及內(nèi)在質(zhì)量[7]。對(duì)內(nèi)焊道固態(tài)相變影響較大,X70埋弧焊管焊縫組織一般為均勻的針狀鐵素體[8],由于焊偏引起熔池及熱循環(huán)的變化,高溫奧氏體在一次組織上發(fā)生相變?cè)诓煌瑴囟认滦纬啥谓M織粒狀鐵素體或板條狀鐵素體或貝氏體。而粒狀貝氏體則有較好的性能強(qiáng)度及韌性[9]。然而任何事物都有雙重性,對(duì)于埋弧焊焊縫焊偏量正如試驗(yàn)結(jié)果分析,超過(guò)4.8 mm焊偏量后其性能開(kāi)始變差,由焊偏增強(qiáng)性能作用轉(zhuǎn)變?yōu)橄鳒p焊縫性能作用?;蛟S焊偏量超過(guò)此界限,L485M鋼管焊縫在焊縫結(jié)晶、二次固化過(guò)程中,將原本力學(xué)性能不錯(cuò)的針狀鐵素體組織(由于針狀鐵素體生長(zhǎng)時(shí)取相隨機(jī)分布,不存在與原始基體的相位關(guān)系,能夠有效地阻止裂紋的擴(kuò)展,故有很好的力學(xué)性能,特別是韌性[10])改變;或許正如B類(lèi)4號(hào)試樣,因其焊偏的影響致使內(nèi)外焊縫未能充分熔合。
圖10 A類(lèi)1號(hào)試樣焊縫金屬低倍組織金相圖
圖11 B類(lèi)3號(hào)試樣焊縫金屬高倍組織金相圖
圖12 A類(lèi)1號(hào)試樣焊縫金屬高倍組織金相圖
圖13 B類(lèi)3號(hào)試樣焊縫金屬高倍組織金相圖
總之,由于焊偏量的影響使其焊接熔池形狀、焊接熱循環(huán)等發(fā)生變化導(dǎo)致焊縫內(nèi)部組織發(fā)生細(xì)微變化,最終影響到宏觀(guān)力學(xué)性能。
API5L 46版管線(xiàn)管、DNV-OS-F101 2013 海底管線(xiàn)規(guī)范、ISO 3183-2012石油和天然氣工業(yè)管道運(yùn)輸系統(tǒng)用鋼管、GB/T 9711—2017石油和天然氣工業(yè)管道運(yùn)輸系統(tǒng)用鋼管及CDP-S-NGP-PL-006-2014-3中石油油氣儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)定,上述標(biāo)準(zhǔn)目前已基本涵蓋了所有管線(xiàn)管制造的要求,上述標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)規(guī)格φ813 mm×15.9 mm的L485M SAML焊管相應(yīng)檢驗(yàn)的最基本要求見(jiàn)表6。
表6 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫性能的最基本要求
由表6各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出:B類(lèi)4號(hào)試樣因焊偏量8 mm導(dǎo)致內(nèi)外焊道未熔合,使其焊縫抗拉強(qiáng)度不合格;在不考慮焊縫宏觀(guān)金相要求的前提前下,除A類(lèi)6號(hào)及B類(lèi)6號(hào)試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果不能確定是否可以滿(mǎn)足中石油油氣儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)定CDP-S-NGP-PL-006-2014-3的4級(jí)管道要求外(試驗(yàn)溫度-20 ℃與標(biāo)準(zhǔn)-5 ℃不能直接確定,但可以肯定沖擊吸收能量隨溫度下降而減小,當(dāng)溫度降至一定程度時(shí),沖擊吸收能量大幅度下降[11]),其余試樣均可以達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)的要求;而且,按照上述標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)彎芯直徑公式計(jì)算,彎芯直徑為206 mm約12t,該次試驗(yàn)在6t彎芯直徑下均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求,甚至焊偏量在1.7~4.8 mm范圍內(nèi)的試樣在4t彎芯直徑下試驗(yàn)也符合上述標(biāo)準(zhǔn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求。
對(duì)于焊縫宏觀(guān)金相試驗(yàn)要求分析:DNV-OS-F101 2013 海底管線(xiàn)規(guī)范對(duì)焊縫焊偏量雖未明確要求,但從要求內(nèi)外焊道熔深重合量(內(nèi)外焊道熔合量)≥1.0 mm,并且要求內(nèi)外焊道重合寬度大于0.2t或5 mm取最小值的要求分析,實(shí)質(zhì)上也是對(duì)焊偏量的另種限制,甚至在一定壁厚范圍內(nèi)比上述其它標(biāo)準(zhǔn)要求的焊偏量更小(以該次15.9 mm試板計(jì)算其最小內(nèi)外焊道重合寬度應(yīng)為3.2 mm并且要保證徑向熔合量大于1.0 mm,就試驗(yàn)的所有金相試驗(yàn)而言只有A類(lèi)1號(hào)試樣才能滿(mǎn)足,即要求焊接時(shí)紅外線(xiàn)跟蹤完全對(duì)正無(wú)焊偏);另外其它標(biāo)準(zhǔn)雖然明確要求焊偏量≤3 mm,但除了中石油油氣儲(chǔ)運(yùn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)定CDP-S-NGP-PL-006-2014-3要求內(nèi)外焊道熔合量≥1.5 mm外,其它標(biāo)準(zhǔn)均未要求;結(jié)合上述分析各標(biāo)準(zhǔn)的要求可以推斷,焊偏最大的危害就是造成焊縫熔深不足,導(dǎo)致焊縫未焊透,焊偏的要求主要是為了確保焊縫內(nèi)外焊道達(dá)到一定的重合量充分焊透[12],就該次試驗(yàn)而言B類(lèi)4號(hào)及5號(hào)試樣為實(shí)質(zhì)性(內(nèi)外焊道未充分焊透)不符合上述標(biāo)準(zhǔn)要求,其它焊偏量雖然>3 mm但充分焊透僅是不符合標(biāo)準(zhǔn)而已,其力學(xué)性能并未受影響,這與API 5L 第43版第7.8.3中規(guī)定的只要無(wú)損檢驗(yàn)證實(shí)焊縫完全焊透并充分熔合,焊偏量不應(yīng)作為拒收的依據(jù)。
(1)對(duì)于埋弧焊鋼管焊縫宏觀(guān)力學(xué)性能而言,焊縫焊偏量的大小直接影響其宏觀(guān)力學(xué)的優(yōu)劣,試驗(yàn)結(jié)果表明在確保內(nèi)外焊道充分焊透(熔合)的前提下,焊偏量在1.7 mm至4.8 mm范圍內(nèi),焊縫的宏觀(guān)力學(xué)性能可以完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。
(2)現(xiàn)行API5L46版 、ISO 3183-2012,GB/T 9711—2017,DNV-OS-F101-2013,CDP-S-NGP-PL-006-2014-3標(biāo)準(zhǔn)對(duì)埋弧焊鋼管焊縫宏觀(guān)金相的要求,無(wú)論是直接要求焊偏量的大小或是通過(guò)內(nèi)外焊道熔合量及內(nèi)外焊道重疊熔合寬度來(lái)保證焊縫質(zhì)量,其實(shí)質(zhì)是要確保焊縫充分焊透,焊縫的焊偏量總體要求小于等于4 mm的規(guī)定是比較合理得。
(3)由試驗(yàn)表明埋弧焊鋼管焊縫的焊偏變化對(duì)沖擊性能影響相對(duì)于拉伸、導(dǎo)向彎曲較為敏感,并且在1.7~4.8 mm焊偏量的范圍內(nèi)沖擊試樣單值相對(duì)穩(wěn)定離散程度相對(duì)較小。
(4)就該次試驗(yàn)而言,當(dāng)焊偏量增大至焊縫無(wú)法焊滿(mǎn)時(shí),合適的增加一道焊縫并確保焊滿(mǎn)后且內(nèi)外焊縫熔透的前提下,其力學(xué)性能可以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求,當(dāng)然從焊接工藝控制要求,焊道的增加已超出了正常工藝要求,若要在批量生產(chǎn)中使用還需按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。