大壁厚窄間隙焊接接頭低溫CTOD性能研究

李文艷，劉濤，劉貴超

（渤海卡麥龍流體控制設(shè)備（天津）有限公司，天津 300280）

1 概述

近年來(lái)，隨著石油、天然氣長(zhǎng)輸管線(xiàn)、儲(chǔ)氣庫(kù)的大力發(fā)展，越來(lái)越多的輸油、輸氣管線(xiàn)使用高壓全焊接球閥作為切斷閥。作為管線(xiàn)上的關(guān)鍵設(shè)備之一，全焊接球閥使用介質(zhì)復(fù)雜多樣、環(huán)境惡劣且輸送壓力高，要求全焊接球閥必須具有較高的可靠性、密封性和強(qiáng)度，保證球閥投入使用后可連續(xù)運(yùn)行30年以上。由于全焊接閥體內(nèi)部橡膠等密封材料的限制，閥體環(huán)焊縫焊后不能進(jìn)行熱處理，作為全焊接閥門(mén)的關(guān)鍵工序，必須采用有效的評(píng)定準(zhǔn)則保證焊縫的可靠性和安全性。

英國(guó)焊接學(xué)會(huì)提出的CTOD斷裂韌度能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)焊接接頭抗脆斷裂的能力，且能夠評(píng)定接頭的安全可靠性而得到了廣泛的應(yīng)用。全焊接球閥閥體環(huán)焊縫采用多層多道焊接方式，在焊接過(guò)程中后一道焊接的高溫焊珠加熱前一道焊接的焊縫從而引起焊縫及熱影響區(qū)組織的不均勻性，產(chǎn)生較高的焊口熱應(yīng)力，甚至產(chǎn)生裂紋、氣孔或夾渣等缺陷，使材料的韌性明顯降低。通過(guò)研究分析，材料韌性不足、微小裂紋引發(fā)的疲勞裂紋擴(kuò)展是造成事故產(chǎn)生的主要原因。如果焊縫存在裂紋、氣孔等缺陷，需要采用斷裂力學(xué)理論來(lái)判斷材料是否有足夠的韌性阻止疲勞裂紋的擴(kuò)展，具有均勻性、連續(xù)性和各向同性的彈性力學(xué)將不能用于焊縫的評(píng)定。

2 材料和焊接工藝

全焊接球閥閥體最大焊縫厚度大于130mm，按照標(biāo)準(zhǔn)要求該焊縫需進(jìn)行焊后熱處理，由于閥門(mén)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性，無(wú)法進(jìn)行焊后熱處理。為此，本文依據(jù)英國(guó)BS7448斷裂韌性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)大壁厚的A350LF2和A350LF6焊接接頭，在-46℃環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行斷裂韌性CTOD 試驗(yàn)，同時(shí)研究焊接參數(shù)對(duì)焊接接頭焊縫及熱影響區(qū)CTOD 性能的影響，為指導(dǎo)全焊接球閥閥體環(huán)焊縫焊接提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 母材

本次試驗(yàn)材料為A350LF2低溫鋼鍛件，屈服強(qiáng)度σsmin=275MPa，抗拉強(qiáng)度σy=485-655MPa。其主要化學(xué)成分如表1所示。A350LF6 CL2屈服強(qiáng)度σsmin=415MPa，抗拉強(qiáng)度σy=515-690MPa，其主要化學(xué)成分如表2所示。

表1 A350LF2合金化學(xué)成分（%max）

表2 A350LF6 CL2合金化學(xué)成分（%max）

2.2 焊接工藝

采用窄間隙焊縫結(jié)構(gòu)，坡口角度2~7°，大壁厚試件模擬生產(chǎn)的最大規(guī)格球閥厚度，單層1~3道焊縫，窄間隙焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 埋弧自動(dòng)焊坡口形式示意圖

焊接前采用火焰加熱的方式進(jìn)行預(yù)熱，初始預(yù)熱溫度為90℃；為了防止焊接過(guò)程中閥體溫度升高造成密封件失效，層間溫度最大控制在200℃以?xún)?nèi)；另外，全焊接球閥在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生橫向收縮，該收縮量需控制在1.2mm以?xún)?nèi)，減小閥體內(nèi)部各零部件裝配位置對(duì)閥門(mén)開(kāi)關(guān)扭矩產(chǎn)生的影響，保證閥門(mén)的正常運(yùn)行。鑒于上述情況，采用單絲埋弧自動(dòng)焊對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊接時(shí)需合理匹配焊接參數(shù)，控制熱輸入量，減少焊縫及其附近區(qū)域由于不均勻的溫度場(chǎng)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試樣制備

試樣尺寸為137mm×137mm×600mm。按照標(biāo)準(zhǔn)BS 7448:Part 1 的要求制作缺口形狀，并采用電火花切割如圖2所示的焊縫及熱影響區(qū)位置的CTOD試樣。

圖2 焊接接頭CTOD 試樣示意圖

3.2 試驗(yàn)程序

本文按照標(biāo)準(zhǔn)BS 7448: Part I及BS EN ISO 15653的試驗(yàn)方法開(kāi)展CTOD試驗(yàn)，采用三點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)試樣，裂紋面為N-P方向（平行于焊縫方向）。

在室溫下，采用（GPS200）200kN高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)每一個(gè)試樣預(yù)制疲勞裂紋，預(yù)制疲勞裂紋波形為正弦波，預(yù)制疲勞裂紋參數(shù)f= 130 Hz，應(yīng)力比R= 0.1，預(yù)制疲勞裂紋最大載荷為160 kN，名義深度為6 mm，在預(yù)制疲勞裂紋過(guò)程中應(yīng)控制裂紋擴(kuò)展速度，在最后的1.3mm內(nèi)，適當(dāng)增大疲勞載荷比；為了獲得較好的裂紋前緣形狀，對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)壓縮處理；如圖3所示。

圖3 預(yù)制疲勞裂紋

CTOD試驗(yàn)在（YDL2000）2000kN電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，為考察該材料在低溫工作環(huán)境下的服役表現(xiàn)，測(cè)試溫度設(shè)定為-46℃。將干冰和酒精的混合液放入低溫槽內(nèi)，隨后將預(yù)制裂紋的試樣放置其中，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)溫度變化至-46℃后保溫70min，控制溫度波動(dòng)幅度在±2℃，試驗(yàn)加載速率為1.00 mm/min。直到加載載荷出現(xiàn)下降，試驗(yàn)停止。分別在焊縫中心以及熱影響區(qū)粗晶區(qū)位置預(yù)置機(jī)加工裂紋，同一位置進(jìn)行三次試驗(yàn)測(cè)試獲得平均值以探究焊接參數(shù)對(duì)不同接頭焊縫中心及熱影響區(qū)斷裂韌性值的影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)記錄載荷F和裂紋嘴張開(kāi)位移值V并繪制F-V曲線(xiàn)。當(dāng)達(dá)到最大載荷時(shí)停機(jī)，將試樣取下，記錄曲線(xiàn)上的最大載荷Fmax和其對(duì)應(yīng)的裂紋嘴張開(kāi)位移Vp。為了觀察裂紋擴(kuò)展區(qū)和測(cè)量裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度，對(duì)試樣進(jìn)行二次疲勞后打斷，將斷口烘干后在光學(xué)顯微鏡下測(cè)量初始裂紋長(zhǎng)度a0和擴(kuò)展長(zhǎng)度a。CTOD 值按照標(biāo)準(zhǔn)BS7448計(jì)算：

式中：δ為裂紋尖端張開(kāi)位移（CTOD）；μ=0.3為泊松比；E=206GPa為彈性模量；F為F-V曲線(xiàn)上所對(duì)應(yīng)的最大載荷(N)；σs為材料的屈服極限強(qiáng)度；B為試樣厚度（mm）；W為試樣寬度（mm）；Vp為F-V 曲線(xiàn)上最大載荷對(duì)應(yīng)的張開(kāi)位移，mm；z=2.0mm為刀口高度。f（a0/W）為幾何形狀因子，按下式計(jì)算：

上述兩種材質(zhì)的焊接接頭焊縫金屬和熱影響區(qū)的CTOD試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 埋弧自動(dòng)焊焊接接頭CTOD 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫和熱影響區(qū)的在低溫（-46℃）下均具有很好的CTOD斷裂韌度，焊縫中心區(qū)CTOD 特征值相對(duì)較高，焊接接頭斷裂韌度最小值為0.197mm，位于A350LF6側(cè)熱影響區(qū)位置；產(chǎn)生上述現(xiàn)象是由于在熱影響區(qū)存在局部脆性粗晶區(qū)，但并不意味著焊接接頭整體韌度低，如果該區(qū)域周?chē)牧嫌休^好的止裂特性，可以保證整體的安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）對(duì)大壁厚焊接接頭的CTOD 特征值進(jìn)行分析，焊縫金屬試樣的CTOD特征值大于熱影響區(qū)的試樣。

（2）兩種材質(zhì)的焊接接頭焊縫、熱影響區(qū)的CTOD值均大于API 1104和DNV標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明焊接接頭可以在不進(jìn)行熱處理的情況下使用，具有足夠的斷裂韌度值。