FCAW-S 工藝條件下X80 環(huán)焊接頭性能及安全運(yùn)行影響因素研究*

齊麗華， 王 磊， 高雄雄， 王 磊， 陳越峰， 楊耀斌

（1. 中國(guó)石油集團(tuán)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710077； 3. 國(guó)家管網(wǎng)西部管道公司， 烏魯木齊 830013）

0 前 言

2013 年底， 我國(guó)建設(shè)的石油天然氣長(zhǎng)輸管道總里程已達(dá)10 萬(wàn)km。 近20 年來(lái)， 隨著天然氣消費(fèi)量的快速增長(zhǎng)， 我國(guó)管道建設(shè)高速發(fā)展，油氣輸送管線(xiàn)用鋼的強(qiáng)度等級(jí)和管徑逐漸增大，管道輸送壓力逐漸提高， 這些都對(duì)管道現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)[1-3]。 目前， 國(guó)內(nèi)X80 在役管道工程主要采用自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊接方法[4-6]， 根焊一般采用堿性低氫E7016 或STT/RMD ER70S 焊材， 填充和蓋面焊接采用E81T8-Ni2 焊材。 這種焊接方法的特點(diǎn)是熱輸入大， 半自動(dòng)焊接人為因素影響較多， 焊縫性能離散度大， 較易出現(xiàn)焊縫低韌性的脆性斷口[7-8]， 且藥芯焊絲的焊縫金屬?gòu)?qiáng)度低于同級(jí)別的管材強(qiáng)度。 因此， 在整個(gè)環(huán)焊接頭匹配和焊材匹配方面需要慎重考慮和選擇。 天然氣管道運(yùn)行過(guò)程中， 環(huán)焊接頭需要承受工作應(yīng)力、 焊后殘余應(yīng)力、 土壤約束應(yīng)力、 組對(duì)應(yīng)力以及山體滑坡、 地陷、 凍脹或水域引起的外部載荷等， 環(huán)焊接頭運(yùn)行的安全性和韌性要求一直是油氣管道建設(shè)單位和運(yùn)行單位重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。 本研究從FCAW-S 焊接工藝的環(huán)焊接頭性能特點(diǎn)、 土壤約束應(yīng)力測(cè)試和管道服役受力建模等方面綜合分析， 得到該工藝條件下管道服役安全性的影響因素， 對(duì)提高管道工程環(huán)焊縫質(zhì)量及管道建設(shè)和安全運(yùn)營(yíng)具有重要的意義[9-10]。

1 環(huán)焊工藝和環(huán)焊接頭性能分析

1.1 環(huán)焊工藝

實(shí)驗(yàn)室中環(huán)焊接頭采用Φ3.2 mm 堿性低氫焊材E7016 進(jìn)行根焊， 填充和蓋面采用Φ2.0 mm自保護(hù)藥芯焊絲E81T8-Ni2 焊接， 試驗(yàn)采用X80 鋼級(jí)Φ1 016 mm×15.3 mm 管線(xiàn)鋼管， 鋼管和填充焊絲的合金成分見(jiàn)表1。

表1 X80 鋼管和E81T8-Ni2 藥芯焊絲的化學(xué)成分

針對(duì)服役X80 管道工程的環(huán)焊接頭進(jìn)行破壞性檢測(cè)， 并從微觀組織特點(diǎn)和力學(xué)性能分布趨勢(shì)進(jìn)行分析， 結(jié)合組對(duì)應(yīng)力測(cè)試、 環(huán)焊接頭的微區(qū)性能特點(diǎn)進(jìn)行環(huán)焊接頭的服役安全性綜合影響因素分析。

1.2 力學(xué)性能分析

圖1 為該管道項(xiàng)目工程服役環(huán)焊接頭破壞性檢測(cè)的拉伸性能數(shù)據(jù)分布， 橫坐標(biāo)為抽查的環(huán)焊接頭數(shù)量， 縱坐標(biāo)為同一環(huán)焊接頭不同區(qū)域的拉伸性能分布情況。 由圖1 可見(jiàn)， 在未去除余高情況下， FCAW-S 環(huán)焊接頭拉伸性能在610～740 MPa波動(dòng)， 基本滿(mǎn)足油氣管道標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31032 和API 1104 中環(huán)焊接頭強(qiáng)度要求。 標(biāo)準(zhǔn)要求， 如果斷裂位置在焊縫上， 其強(qiáng)度需大于公稱(chēng)強(qiáng)度625 MPa，若低于公稱(chēng)強(qiáng)度的環(huán)焊接頭， 其斷裂位置應(yīng)在母材上， 且大于95%的公稱(chēng)強(qiáng)度。 經(jīng)分析可知， 直縫埋弧焊鋼管的縱向拉伸強(qiáng)度較橫向拉伸強(qiáng)度略低， 但高于95%的公稱(chēng)強(qiáng)度值， 也可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。 同一環(huán)焊接頭不同部位的強(qiáng)度波動(dòng)最大值為40 MPa， 說(shuō)明不同焊接位置焊接工藝參數(shù)的波動(dòng)對(duì)環(huán)焊接頭強(qiáng)度影響較小。

圖1 FCAW-S 環(huán)焊接頭的拉伸性能

圖2 所示為實(shí)驗(yàn)室該種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭焊縫中心、 熔合線(xiàn)、 熔合線(xiàn)+1 mm 和熔合線(xiàn)+2 mm 不同位置的沖擊性能分布。 由圖2 可知， 焊縫中心的沖擊韌性波動(dòng)在50～175 J， 且存在低于標(biāo)準(zhǔn)要求單值60 J 的情況。

圖2 FCAW-S 環(huán)焊接頭的沖擊性能

圖3 所示為環(huán)焊接頭的金相照片， 可見(jiàn)該焊縫的每層金屬厚度分布均勻， 但得到的焊縫金屬韌性波動(dòng)依然很大， 這與自保藥芯焊絲的焊接特點(diǎn)和焊縫中含有較多的AlN 脆性組織有關(guān)[11]。 出現(xiàn)少層少道數(shù)， 則可能得到較低的接頭韌性， 不利于管道環(huán)焊縫的安全服役。

圖3 FCAW-S 環(huán)焊接頭金相照片

2 環(huán)焊接頭受力分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試

為科學(xué)測(cè)量和評(píng)估環(huán)焊縫服役過(guò)程的土壤約束應(yīng)力， 獲得管段覆土開(kāi)挖及切割前后環(huán)焊接頭截面的應(yīng)變變化規(guī)律， 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖測(cè)試如圖4 所示。 沿管段待取環(huán)焊接頭位置附近布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)（圖4 （a））， 截面共設(shè)置8 個(gè)等間距分布的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)， 其中1 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于管頂， 其余各測(cè)點(diǎn)編號(hào)按順時(shí)針?lè)较蛑鸫卧黾印?各測(cè)點(diǎn)位置分別布置軸向應(yīng)變計(jì)及三向應(yīng)變花， 相鄰應(yīng)變片間夾角為45°。 先將環(huán)焊周?chē)寥廊コ?取環(huán)焊接頭附近30 mm 進(jìn)行初次應(yīng)力測(cè)試。 然后保持一側(cè)土壤不動(dòng)， 在另一側(cè)開(kāi)挖不同位置， 測(cè)試焊縫及管體應(yīng)力變化， 再挖開(kāi)焊縫另一側(cè)土壤， 進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試觀察， 見(jiàn)圖4 （b）。 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試獲得了土體開(kāi)挖及截面切斷后試件測(cè)試斷面的應(yīng)變分布規(guī)律，統(tǒng)計(jì)分析后獲得了試件截面的荷載分布情況。

圖4 服役環(huán)焊接頭現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖測(cè)試示意圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試直管-直管、 直管-冷彎管和直管-熱煨彎管獲得不同環(huán)焊接頭受力情況， 其中熱煨彎管-直管連接的應(yīng)力最大， 軸向應(yīng)力為120～140 MPa， 同時(shí)環(huán)焊接頭還受剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的共同作用。 圖5 所示為土體開(kāi)挖及截面切斷后環(huán)焊接頭現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及應(yīng)變片分布以及分析后獲得的試件截面的荷載分布情況， 截面所受軸向力21.9 kN、 彎矩128.6 kN·m、 剪力107.7 kN、扭矩12.8 kN·m。

圖5 服役環(huán)焊接頭現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試示意圖

2.2 微拉伸測(cè)試分析

為準(zhǔn)確表征環(huán)焊接頭的各區(qū)域性能， 進(jìn)行了數(shù)值模擬分析， 采用微拉伸測(cè)試方法對(duì)環(huán)焊接頭不同部位進(jìn)行拉伸性能測(cè)試分析， 如圖6 所示，得到各區(qū)域的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。 圖6 （a） 為微拉伸試樣的分布示意圖， 分別測(cè)試根焊、 熱焊、 填充和蓋面焊及熔合線(xiàn)和熱影響區(qū)拉伸性能變化； 圖6 （b） 為焊縫中心不同位置拉伸曲線(xiàn)，根焊采用E7016 堿性低氫焊材， 得到的最大拉伸強(qiáng)度僅為450～550 MPa， 較母材實(shí)際強(qiáng)度低100～200 MPa， 其均勻延伸率達(dá)到了17%。 填蓋部位拉伸強(qiáng)度為630～710 MPa， 均勻延伸率為0.06%～0.10%； 圖6 （c） 為熔合線(xiàn)及熱影響區(qū)不同位置拉伸曲線(xiàn)， 可見(jiàn)熔合線(xiàn)處的拉伸強(qiáng)度約600 MPa， 遠(yuǎn)低于母材管體650 MPa 的縱向拉伸強(qiáng)度， 出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。 微拉伸測(cè)試表明， 根焊為明顯的低強(qiáng)度匹配， 是環(huán)焊接頭最薄弱位置。

圖6 FCAW-S 環(huán)焊接頭不同部位的微拉伸性能

2.3 數(shù)值模擬分析

考慮環(huán)焊接頭各部分本構(gòu)特點(diǎn)建模， 進(jìn)行環(huán)焊接頭的受力分析。 使用等應(yīng)變條件下的裂紋驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)與實(shí)際裂紋擴(kuò)展的阻力曲線(xiàn)， 獲得失穩(wěn)擴(kuò)展點(diǎn)的應(yīng)變水平， 模擬環(huán)境工作壓力為10 MPa，鋼管直徑1 016 mm， 壁厚15.3 mm。 考慮焊趾、錯(cuò)邊等結(jié)構(gòu)應(yīng)力條件下， 進(jìn)行等應(yīng)變條件下驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)模擬計(jì)算， 數(shù)值模型網(wǎng)格和驅(qū)動(dòng)力與阻力關(guān)系如圖7 所示。 圖7 中等應(yīng)變的裂紋深度a0、a1、 a2、 a3分別為2 mm、 3 mm、 4 mm 和5 mm。

圖7 FCAW-S 環(huán)焊接頭建立含缺陷的有限元模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力計(jì)算

圖8 所示為根據(jù)微測(cè)試獲得的簡(jiǎn)化環(huán)焊接頭模型進(jìn)行數(shù)值建模起裂韌性計(jì)算。 圖8 （a） 為不同缺陷深度條件下， 測(cè)試的低強(qiáng)匹配的環(huán)焊接頭的裂紋驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)， 由圖8 （a） 可見(jiàn)， 在低匹配條件下， 考慮殘余應(yīng)力、 工作運(yùn)行壓力時(shí)，隨著缺陷深度的增加， 裂紋起裂的驅(qū)動(dòng)力曲線(xiàn)顯著左移， 表明開(kāi)口型缺陷的深度對(duì)環(huán)焊起裂的影響顯著。 當(dāng)裂紋深度為3 mm 即約為根焊層深度時(shí)， 環(huán)焊接頭起裂韌性CTOD 值小于0.042 mm，通過(guò)BS7910 標(biāo)準(zhǔn)換算沖擊韌性約為50 J 時(shí)， 發(fā)生起裂失效； 當(dāng)裂紋深度超過(guò)5 mm 即鋼管壁厚的30%時(shí)， 環(huán)焊接頭的起裂韌性CTOD 值小于0.067 mm， 通過(guò)BS7910 標(biāo)準(zhǔn)換算沖擊韌性約為80 J 時(shí)， 發(fā)生起裂失效。

圖8 不同強(qiáng)度匹配條件下環(huán)焊縫的起裂韌性和CTOD 曲線(xiàn)

圖8 （b） 為不同強(qiáng)度匹配條件下， 相同缺陷深度的環(huán)焊接頭的裂紋驅(qū)動(dòng)力的對(duì)比分析。 低強(qiáng)匹配條件下， 起裂韌性CTOD 值為0.067 mm， 換算為沖擊韌性約為80 J， 起裂擴(kuò)展失效； 等強(qiáng)匹配條件下， 當(dāng)裂紋深度達(dá)到30%壁厚時(shí)， 起裂韌性CTOD 值為0.054 mm，換算為沖擊韌性約為66 J， 起裂擴(kuò)展失效； 高強(qiáng)匹配條件下， 裂紋深度達(dá)到30%壁厚時(shí)， 起裂韌性CTOD 值僅為0.046 mm， 換算為沖擊韌性約為56 J， 起裂擴(kuò)展失效。 可見(jiàn)， 相同缺陷深度條件下， 高強(qiáng)匹配環(huán)焊接頭要求的起裂韌性值最低， 環(huán)焊接頭的強(qiáng)度匹配形式是保證環(huán)焊接頭安全服役的首要條件。 考慮管線(xiàn)服役的各種復(fù)雜地勢(shì)的影響和管道運(yùn)營(yíng)安全性， 建議今后的高鋼級(jí)管道施工盡量選取等強(qiáng)匹配或高強(qiáng)匹配的環(huán)焊工藝施焊。

3 結(jié) 論

（1） X80 管道FCAW-S 環(huán)焊工藝， 焊接熱輸入量變化較大， 對(duì)接環(huán)焊接頭沖擊韌性不穩(wěn)定， 存在韌性較低值。

（2） 通過(guò)微拉伸測(cè)試觀察得到， FCAW-S 環(huán)焊接頭的根焊強(qiáng)度和硬度遠(yuǎn)低于管體母材的強(qiáng)度和硬度， 為整個(gè)環(huán)焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

（3） 在役管道受組對(duì)應(yīng)力和土壤約束應(yīng)力共同作用， 熱煨彎管-直管連接的環(huán)焊接頭軸向應(yīng)力最大， 同時(shí)還受剪切應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的共同作用。

（4） 不同缺陷深度對(duì)裂紋驅(qū)動(dòng)力有顯著的影響。 低強(qiáng)匹配條件下， 隨著缺陷深度的增加， 起裂韌性顯著增加， 當(dāng)深度達(dá)到壁厚的30%時(shí)，起裂韌性約為80 J。

（5） 缺陷深度相同時(shí)， 不同強(qiáng)度匹配對(duì)裂紋驅(qū)動(dòng)力的影響不同， 低強(qiáng)匹配條件下， 缺陷深度為5 mm 時(shí)起裂韌性的CTOD 值約為0.067 mm，而高強(qiáng)匹配條件下的起裂韌性CTOD 值約為0.046 mm。

（6） 建議高鋼級(jí)管道施工時(shí)， 環(huán)焊工藝采用等強(qiáng)匹配或高強(qiáng)匹配的焊接材料和焊接工藝， 可提高高鋼級(jí)油氣管道的安全運(yùn)營(yíng)。