埋弧焊管焊接接頭背面導(dǎo)向彎曲失效原因分析

張志明， 高廣俊， 印 樂， 汪 超

（渤海石油裝備江蘇鋼管公司， 南京 210001）

導(dǎo)向彎曲性能是埋弧焊管力學(xué)性能的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)， 用于評(píng)價(jià)焊接接頭抵抗彎曲塑性變形的能力， 導(dǎo)向彎曲失效往往與母材化學(xué)成分、焊接工藝、 鋼管管型、 焊接接頭有無(wú)內(nèi)在缺欠以及制樣方法等多重因素有關(guān)。 在API SPEC 5L[1]、GB/T 9711[2]以及大部分用戶標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定了可以對(duì)失效鋼管進(jìn)行復(fù)驗(yàn)。 因而， 在生產(chǎn)實(shí)踐中該性能并不像拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性等受到足夠重視。隨著近年用戶對(duì)管道安全標(biāo)準(zhǔn)的提高， 部分標(biāo)準(zhǔn)已不允許對(duì)不合格試樣進(jìn)行復(fù)取， 這就需要制造商對(duì)可能引發(fā)導(dǎo)向彎曲失效的因素在工藝設(shè)計(jì)階段和生產(chǎn)控制階段進(jìn)行全流程控制。

1 試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 試驗(yàn)方法

生產(chǎn)過程中導(dǎo)向彎曲不合格主要出現(xiàn)在X65、 X70、 X80 鋼級(jí)的管線鋼管中， 焊管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)按照ASTM A370—2019[3]的要求進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果按照API SPEC 5L 《管線鋼管規(guī)范》 中9.7 章節(jié)導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)判定依據(jù)進(jìn)行判定。

試驗(yàn)過程中， 彎模直徑Agb不應(yīng)大于公式（1）確定的數(shù)值， 計(jì)算結(jié)果圓整到最鄰近的1 mm。

式中： D——規(guī)定外徑， mm；

t——公稱壁厚， mm， 當(dāng)使用減薄試樣時(shí)為19 mm；

α——尖峰系數(shù)， α=1.15；

ε——應(yīng)變系數(shù)， 查API 5L 表23。

1.2 驗(yàn)收條件

油氣輸送用直縫埋弧焊管導(dǎo)向彎曲 （面彎和背彎） 試驗(yàn)驗(yàn)收要求主要分兩類， 一是以API SPEC 5L 《管線鋼管規(guī)范》 為基礎(chǔ)發(fā)展而來(lái)的各國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)； 二是以通用標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)根據(jù)具體管線輸送介質(zhì)、 地質(zhì)、 環(huán)境等因素設(shè)計(jì)的具體工程項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)。 常用油氣輸送管用導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)拒收條件見表1。

表1 油氣輸送管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)拒收條件

2 典型背彎失效類型

在直縫埋弧焊管大批量工業(yè)化生產(chǎn)過程中， 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)失效絕大多數(shù)是以背彎形式呈現(xiàn)， 表2 統(tǒng)計(jì)了某公司直縫埋弧焊管生產(chǎn)線近3 年導(dǎo)向彎曲失效類型， 其中面彎失效2 組， 背彎失效72 組， 本研究主要針對(duì)背彎導(dǎo)向彎曲失效進(jìn)行研究。

表2 某公司直縫埋弧焊管生產(chǎn)線近3 年油氣輸送管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)失效類型

彎曲試驗(yàn)失效類型主要包括焊縫缺陷及熔合線 （焊趾） 缺陷， 如圖1 和圖2 所示。 焊縫缺陷主要包括兩種類型， 一是隨機(jī)分布于焊縫表面類似龜背殼的皸裂， 裂紋細(xì)小彌散分布于焊縫表面； 二是以典型規(guī)則分布于焊縫中心焊道上的裂紋， 呈斷續(xù)分布， 有時(shí)會(huì)連成串， 分布方向與焊縫長(zhǎng)度方向具有明顯的平行趨勢(shì)。熔合線 （焊趾） 缺陷主要包括三種類型， 一是孤立的點(diǎn)狀或開口狀缺陷； 二是孤立或者由幾個(gè)孤立有一定長(zhǎng)度分布于熔合線淺表面的層狀開裂缺陷； 三是宏觀上有明顯的大角度、 較大深度甚至直接斷裂的缺陷。

圖1 典型導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)失效焊縫缺陷照片

圖2 典型導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)失效熔合線（焊趾） 缺陷照片

3 失效原因分析及探討

3.1 焊接工藝分析

3.1.1 焊材匹配及熱輸入對(duì)熱影響區(qū)性能的影響

通常在X65、 X70 以及X80 鋼管批量生產(chǎn)時(shí)， 為了優(yōu)先滿足強(qiáng)度和韌性的需要， 都采用高強(qiáng)匹配。 H08MnMoTiB 焊絲具有高強(qiáng)度、 較高韌性， 但由于焊縫和母材強(qiáng)度的差異， 對(duì)于碳當(dāng)量高的鋼管， 如果采用大的熱輸入焊接， 進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)時(shí)， 由于其熱影響區(qū)部位的弱化， 致使彎曲過程的塑性變形主要集中在熱影響區(qū)。 隨著彎曲角度的增大， 熱影響區(qū)的塑性變形進(jìn)一步增加。 熱影響區(qū)在變形過程中， 熔合線附近粗晶區(qū)中硬而脆的M-A 組元將對(duì)變形起阻礙、 拉拽作用。 隨著變形的積累， M-A 組元與板條鐵素體基體間的界面產(chǎn)生較大應(yīng)力集中， 當(dāng)應(yīng)力集中程度超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)， 焊接接頭中粗大的M-A 組元就成為裂紋源， 導(dǎo)致裂紋在熔合線附近產(chǎn)生熔合線Ⅲ型缺陷[4-5]。

某項(xiàng)目X65 鋼級(jí)焊管母材1～4 絲都采用H08MnMoTiB 焊絲施焊， 對(duì)彎曲不合格的試樣進(jìn)行熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果見表3， 其中沖擊功單值最小212 J、 均值最小219 J， 完全滿足該項(xiàng)目單值≥45 J、 均值≥60 J 的要求。

表3 導(dǎo)向彎曲不合格試樣熱影響區(qū)-5 ℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.1.2 熱輸入對(duì)焊縫性能的影響

一般直縫埋弧焊多采用多絲焊接來(lái)提高焊接效率， 但這樣會(huì)增加焊接熱輸入， 熱輸入越大焊接過程中的熔池存在時(shí)間越長(zhǎng)， 同等條件下焊縫金屬冷卻速度越慢， 將影響熔池金屬的形變強(qiáng)化、 固溶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化的效果， 引起焊縫及其熱影響區(qū)性能的惡化， 造成焊縫中心晶粒粗大，產(chǎn)生焊縫中心彎曲裂紋甚至斷裂。 在中厚度鋼管的焊接中這種影響更加明顯， 采用小線能量可以大大縮短焊縫及其熱影響區(qū)的高溫停留時(shí)間， 基本抑制難溶的氮化物、 碳化物向奧氏體的溶入[6-7]。在無(wú)焊后熱處理情況下， 合理控制熱輸入， 可以改善焊接區(qū)冷卻速度， 以及焊縫截面粗晶區(qū)、 細(xì)晶區(qū)、 過熱區(qū)及臨近母材性能不均的情況。 過大的熱輸入和不合理的參數(shù)設(shè)置可以用熔合比來(lái)直接表征[8-9]， 某工程采用的厚壁X65 鋼級(jí)Φ813 mm×15.9 mm 管線管焊接接頭形貌如圖3 所示， 熔深為10.5 mm， 這種不合理的熱輸入造成形貌上所謂的“釘扎” 現(xiàn)象， 這是產(chǎn)生焊縫Ⅰ型缺陷可能原因之一。

圖3 X65 鋼級(jí)Φ813 mm×15.9 mm 焊管焊接接頭形貌

表4 為某工程壁厚15.9 mm 管線鋼管三絲和四絲兩種焊接工藝參數(shù)， 采用兩種工藝焊接的同項(xiàng)目、 同規(guī)格、 同材質(zhì)鋼管的導(dǎo)向彎曲性能有明顯差異， 采用四絲工藝的相對(duì)較大熱輸入時(shí)出現(xiàn)圖4 所示焊縫Ⅰ型缺陷， 采用三絲工藝后彎曲性能明顯改善， 如圖5 所示。

表4 某工程壁厚15.9 mm 管線鋼管焊接工藝參數(shù)

圖4 四絲工藝焊接接頭背彎試樣

圖5 三絲工藝焊接接頭背彎試樣

3.2 塑性變形不均對(duì)背彎試驗(yàn)的影響

導(dǎo)向彎曲試樣宏觀形貌如圖6 所示。 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)過程中， 試樣接觸面與凸模應(yīng)時(shí)刻貼合，在整個(gè)彎曲面上， 試樣的變形率應(yīng)基本一致（如圖6 （a） 所示）， 不會(huì)在焊縫區(qū)出現(xiàn) “徑縮” 和“折彎” （如圖6 （b） 所示）。 當(dāng)出現(xiàn)上述現(xiàn)象會(huì)在彎曲外表面產(chǎn)生焊縫Ⅱ型缺陷， 這時(shí)背彎拉伸面超出塑性變形極限在焊縫中心產(chǎn)生缺陷或缺欠，該缺陷是從外到內(nèi)變形超限產(chǎn)生的， 因而有顯著的表面和位置特征； 再者是在焊趾處開裂甚至出現(xiàn)斷裂， 這種開裂伴隨著熱影響區(qū)的嚴(yán)重塑性變形， 會(huì)出現(xiàn)折彎現(xiàn)象甚至?xí)嗔选?這種現(xiàn)象產(chǎn)生的根源是不管采取多低的熱輸入總會(huì)有不同程度的熱影響區(qū)軟化， 但這種軟化如果伴隨有不合理的母材強(qiáng)度， 過高的母材抗拉強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)產(chǎn)生表面缺陷， 嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)折斷（裂） 現(xiàn)象[10-12]。

圖6 焊接接頭導(dǎo)向彎曲試樣宏觀形貌

3.3 試樣制備對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果的影響

試樣制備是影響導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果的重要因素之一， 實(shí)際工作中往往忽略壓平和去除焊縫余高的先后順序（ASTM E190 亦未說(shuō)明去除焊縫余高的時(shí)機(jī)）， 特別是在焊縫余高偏大或不規(guī)則（噘嘴、 錯(cuò)邊等） 的情況下。 圖7 所示為試樣壓平前后的宏觀形貌， Φ813 mm×14.3 mm 規(guī)格鋼管焊后內(nèi)焊縫余高2.5 mm， 壓平前焊趾夾角約155°， 壓平后約171°， 發(fā)生了約16°的角度變化， 先壓平過程因余高還未去除， 造成試樣展平過程中焊趾處與臨近母材變形量不一致， 焊趾處相對(duì)于整個(gè)內(nèi)外曲面變形嚴(yán)重； 而先去除焊縫余高后壓平過程，因整個(gè)變形面經(jīng)過打磨為基本均勻的曲面， 原焊趾和其他部位在壓平過程中變形并沒有不同， 故先壓平后去除焊縫余高和先去除余焊縫高后壓平的兩種做法就產(chǎn)生了差別。 這種“折彎效應(yīng)” 產(chǎn)生局部應(yīng)力集中， 從應(yīng)力分布來(lái)說(shuō)這種變形造成內(nèi)焊縫焊趾形成拉應(yīng)力， 且與導(dǎo)向彎曲應(yīng)力方向一致， 這可能是造成試樣失效的原因之一， 這種失效反映在宏觀上就是焊趾Ⅱ型缺陷， 具有淺而長(zhǎng)的特征， 當(dāng)然偏載也是原因之一， 這里不做討論[13-15]。

圖7 試樣壓平前后的宏觀形貌

3.4 時(shí)效處理對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果的影響

直縫埋弧焊管殘余應(yīng)力除焊接熱應(yīng)力之外，形變應(yīng)力主要來(lái)自3 個(gè)方面： ①由于焊接后會(huì)進(jìn)行超聲波探傷， 根據(jù)季節(jié)、 鋼管規(guī)格不同， 焊后達(dá)到熱飽和以及隨后的整體均勻化需要較長(zhǎng)時(shí)間，較早冷卻探傷產(chǎn)生一定的激冷變形； ②鋼管定徑過程中因焊縫與母材強(qiáng)度的差異造成應(yīng)變差異，尤其是熱影響區(qū)軟化明顯的材料， 焊趾區(qū)產(chǎn)生相對(duì)集中塑性變形； ③試樣展平過程產(chǎn)生塑性變形。這些形變應(yīng)力的疊加在一定情況下可能造成試樣加載過程中失效， 研究表明鋼管一般通過24～48 h 自然時(shí)效處理， 導(dǎo)向彎曲缺陷的長(zhǎng)度、 深度、 數(shù)量均有所改善， 缺欠甚至?xí)耆А?必要時(shí)可依據(jù)鋼管的最終狀態(tài)， 在200 ℃下保溫5 min 模擬中頻加熱， 加速時(shí)效處理， 消除或減少殘余應(yīng)力。 時(shí)效處理前后導(dǎo)向彎曲試樣形貌如圖8 和圖9 所示。

圖8 時(shí)效處理前焊縫彎曲試樣形貌

圖9 時(shí)效處理后焊縫彎曲試樣形貌

3.5 熱影響區(qū)夾雜物對(duì)彎曲試驗(yàn)結(jié)果的影響

一般母材夾雜物最嚴(yán)重的部位為熱影響區(qū)厚度方向的1/4 處， 根據(jù)金相試驗(yàn)、 超聲波檢測(cè)和射線拍片的結(jié)果， 尺寸在150～350 μm 的夾雜物， 波幅比基準(zhǔn)靈敏度（Φ1.6 mm 豎通孔100%波高） 一般低2 dB 左右， 按照標(biāo)準(zhǔn)ASTM E45， 母材的夾雜物不可超過436 μm， 按鋼板標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定， 該類夾雜物均合格。 為此， 隨機(jī)抽檢的鋼管試樣， 如有不超標(biāo)缺欠， 特別是位于焊趾壁厚深度的1/4 以內(nèi)的淺表面， 作為彎曲試樣時(shí)應(yīng)嚴(yán)格要求或探傷做出標(biāo)識(shí)。 導(dǎo)向彎曲試樣取樣前應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

4 結(jié) 論

（1） 埋弧焊管生產(chǎn)前， 應(yīng)根據(jù)原料的化學(xué)成分、 組織及性能的差異， 分別進(jìn)行焊接工藝及焊接材料匹配工藝試驗(yàn)， 優(yōu)化焊接工藝參數(shù)， 優(yōu)選焊接材料， 對(duì)于低級(jí)別的母材采用等強(qiáng)匹配進(jìn)行焊接，解決因焊接工藝及焊材匹配造成的彎曲失效問題。

（2） 焊接熱輸入是影響焊縫及其熱影響區(qū)塑性的重要因素， 應(yīng)盡量選擇小的熱輸入并控制合理的熔合比。

（3） 應(yīng)通過成型和焊接工藝調(diào)整， 獲得合理的焊縫形狀系數(shù)， 避免在定徑及壓平過程中在焊趾處產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)力集中。

（4） 必要時(shí)， 焊接完成后應(yīng)進(jìn)行24 h 以上的時(shí)效處理以改善導(dǎo)向彎曲效果。

（5） 導(dǎo)向彎曲試樣取樣前應(yīng)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，避免母材夾雜物等缺欠對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。