四絲內(nèi)焊+五絲外焊埋弧焊接頭軟化及其對(duì)焊管承載能力的影響*

0 前 言

高鋼級(jí)管線鋼為熱機(jī)械軋制鋼， 由于采用了控制軋制、 加速冷卻等工藝， 使其具有高密度位錯(cuò)和亞結(jié)構(gòu)、 細(xì)晶強(qiáng)化、 析出相強(qiáng)化及位錯(cuò)強(qiáng)化機(jī)制的良好強(qiáng)韌性

。 然而熱機(jī)械軋制鋼對(duì)后續(xù)加工過(guò)程的熱量特別敏感， 特別是焊接過(guò)程的熱輸入。 由于焊接熱量的輸入， 熱影響區(qū)中某些區(qū)域的峰值溫度一定會(huì)超過(guò)奧氏體化溫度， 發(fā)生低溫組織向奧氏體的相變， 在隨后的冷卻過(guò)程中奧氏體又重新轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏亟M織， 在這個(gè)過(guò)程中沒(méi)有控制軋制、 加速冷卻的作用， 獲得的組織一般為貝氏體、 準(zhǔn)多邊形鐵素體、 多邊形鐵素體及M-A 等。 同時(shí)由于回復(fù)再結(jié)晶等因素的作用， 使得熱影響區(qū)的晶粒變得粗大， 晶內(nèi)的位錯(cuò)密度降低， 從而導(dǎo)致熱影響區(qū)軟化

。 X70、 X80、 X90鋼級(jí)管線鋼均出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象

， 而且近些年， 國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)了多起因軟化區(qū)強(qiáng)度變低而導(dǎo)致局部應(yīng)變集中并引起管線斷裂的案例

。 X80 鋼級(jí)管材是我國(guó)大輸量、 高壓力輸氣管道的首選鋼級(jí)

， 因此對(duì)X80 管線鋼的軟化問(wèn)題進(jìn)行深入研究， 對(duì)確保管道的安全有重要意義。 本研究對(duì)X80 鋼級(jí)焊管多絲焊接頭熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象進(jìn)行了分析， 以期為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

本研究采用X80 鋼級(jí)Φ1 422 mm×38.5 mm規(guī)格焊管， 管段長(zhǎng)度為500 mm， 焊接工藝為內(nèi)焊四絲＋外焊五絲的埋弧焊， 坡口為帶有鈍邊的X 型坡口， 實(shí)際的焊接接頭尺寸如圖1所示。

焊接接頭經(jīng)過(guò)砂紙打磨、 拋光、 腐蝕后， 根據(jù)GB/T 2654—2008 《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》和GB/T 4340—2009 《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》使用HVST-1000ZA 顯微硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)量， 測(cè)量點(diǎn)間隔1 mm， 載荷為200 g ， 保載時(shí)間為15 s。

根據(jù)GB/T 228—2010 《金屬材料拉伸試驗(yàn)》制備拉伸試樣， 試樣加工尺寸及取樣位置如圖2及圖3 所示。 在MTS model64 型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)， 加載速率為0.5 mm/min。 從X80 管線鋼焊接接頭部位取樣， 展平后制成拉伸試樣， 采用ARAMIS 設(shè)備利用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)（digital image correlation， DIC） 對(duì)拉伸過(guò)程厚度方向的變形行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 試驗(yàn)前在待監(jiān)測(cè)表面噴上黑白斑點(diǎn)， 圖像采集速度設(shè)置為0.5 s/張。

采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)多絲埋弧焊接頭進(jìn)行數(shù)值模擬分析， 結(jié)果如圖4 所示。 由于直縫管段具有對(duì)稱性， 因此建立1/2 管段模型， 如圖4 （a） 所示， 圖中紅色為焊縫區(qū)、 黃色為熱影響區(qū)、 藍(lán)色為母材區(qū)。 按照實(shí)際焊接接頭尺寸設(shè)置外焊縫寬度為14.8 mm， 內(nèi)焊縫寬度為13.3 mm，熱影響區(qū)寬度為6.8 mm， 內(nèi)外焊道為1.5 mm。通過(guò)拉伸試驗(yàn)確定母材及焊縫的強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率，熱影響區(qū)的性能根據(jù)硬度分布規(guī)律， 以母材強(qiáng)度為基礎(chǔ)進(jìn)行折算， 密度、 彈性模量、 泊松比采用一般鋼材的參數(shù)， 見(jiàn)表1。

在經(jīng)濟(jì)上，要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，要尊重自然、愛(ài)護(hù)自然，確保經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的合理性。通過(guò)加強(qiáng)環(huán)保工程運(yùn)行的管理和控制，必須要積極推進(jìn)工程項(xiàng)目，嚴(yán)格監(jiān)管整個(gè)環(huán)保工程的實(shí)施過(guò)程，確保良好的工程成效。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 母材及焊接接頭力學(xué)性能分析

通過(guò)顯微硬度分析了五絲＋四絲埋弧焊接頭內(nèi)表面的硬度變化， 硬度分布規(guī)律如圖5 所示。

從圖5 可以看出， 整個(gè)焊接接頭的硬度分布不均勻， 硬度變化呈現(xiàn) “W” 形。 其中焊縫區(qū)（W） 硬度高且分布均勻， 平均硬度值為245HV

； 母材 （B） 硬度在230HV

左右； 熱影響區(qū)（HAZ） 硬度變化范圍為197HV

～240HV

， 而距離熔合線 （FL） 約6.8 mm 左右的區(qū)域， 硬度較于母材下降了14%， 出現(xiàn)了較為明顯的軟化現(xiàn)象。 材料及模型的力學(xué)性能見(jiàn)表2 及表3。

當(dāng)天，云南世博旅游集團(tuán)與老撾方面簽訂《合作備忘錄》，云南世博旅游集團(tuán)與南京旅游集團(tuán)簽訂《戰(zhàn)略合作框架協(xié)議》，云南文投集團(tuán)與云南泡魯達(dá)文化旅游投資管理有限公司簽訂《合作意向協(xié)議》。

2.2 軟化對(duì)焊接接頭單向拉伸過(guò)程中應(yīng)變分布規(guī)律的影響

通過(guò)梳理現(xiàn)有的主要研究文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)文獻(xiàn)的研究都限于探討金融發(fā)展對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的影響，或是針對(duì)金融發(fā)展、人力資本及經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)三者之間的線性關(guān)系研究，而將人力資本作為金融發(fā)展影響經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的門檻因素的文獻(xiàn)確實(shí)鳳毛麟角。因此，本文利用Hasen(1999)提出的非線性回歸技術(shù)——門檻回歸模型，以西部12個(gè)省(區(qū)市)為研究對(duì)象，采用2003—2016年的省級(jí)面板數(shù)據(jù)，將人力資本作為門檻變量，建立面板門檻回歸模型，研究西部地區(qū)人力資本在金融發(fā)展影響經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)中的中介作用。

2.3 軟化對(duì)焊管內(nèi)壓承載能力的影響

焊管承載能力分析結(jié)果如圖11 所示， 其中圖11 （a） 為12 MPa、 36.3 MPa 內(nèi)壓下管段的應(yīng)力分布， 可以看出實(shí)際工況12 MPa 內(nèi)壓下管段母材應(yīng)力水平約194 MPa， 接頭局部有應(yīng)力不均勻的現(xiàn)象； 內(nèi)壓增加到36.3 MPa 時(shí)， 內(nèi)焊、 外焊焊趾部位等效應(yīng)力分別為640 MPa 和609 MPa，已經(jīng)達(dá)到軟化區(qū)材料屈服強(qiáng)度。 分別在12 MPa、20 MPa、 30 MPa、 36.3 MPa 內(nèi)壓時(shí)對(duì)管道接頭局部的應(yīng)力分布進(jìn)行分析， 結(jié)果如圖11 （b）所示， 可以看出， 12 MPa 內(nèi)壓下焊趾部位有少量的應(yīng)力集中； 20 MPa 時(shí)管道接頭整體應(yīng)力水平提高； 管內(nèi)壓力繼續(xù)增大到30 MPa 時(shí)， 焊趾部位出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中， 其中內(nèi)焊焊趾部位的應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)高于外焊焊趾部位。 所以，雖然采用本研究焊接工藝焊接的接頭存在明顯軟化， 但其承載能力仍然遠(yuǎn)高于12 MPa 的工作壓力， 不影響管段的承載能力。

利用DIC 技術(shù)對(duì)焊接接頭拉伸過(guò)程進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試， 應(yīng)變分布如圖6 所示。 彈性變形階段的應(yīng)變分布如圖6 （a） 所示， 此時(shí)試樣的應(yīng)變基本均勻， 且在整個(gè)彈性階段中應(yīng)變分布規(guī)律變化不大， 并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中。 試樣屈服后某一時(shí)刻的應(yīng)變分布如圖6 （b） 所示， 此時(shí)拉伸應(yīng)變集中于軟化區(qū)， 焊接熱影響區(qū)的應(yīng)變最高值為11.2%， 而母材及焊縫中的應(yīng)變明顯低于該水平。 隨著應(yīng)變水平的進(jìn)一步提高， 應(yīng)變集中程度也進(jìn)一步加劇， 導(dǎo)致頸縮出現(xiàn)在接頭下部， 并且在軟化區(qū)發(fā)生開(kāi)裂， 如圖6 （c） 所示， 進(jìn)而發(fā)展到整個(gè)試樣的斷裂。 最終測(cè)得接頭抗拉強(qiáng)度為675 MPa， 由于軟化區(qū)的存在使得接頭的強(qiáng)度相較于母材的抗拉強(qiáng)度降低了7.5%。

圖8 所示為不同軟化區(qū)寬度對(duì)焊管內(nèi)外焊趾部位的等效應(yīng)力水平的影響， 可以看出， 隨著軟化寬度的增加， 管內(nèi)外焊趾部位等效應(yīng)力均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)， 且管內(nèi)焊趾部位應(yīng)力增加的幅度更大。 隨著軟化寬度的增大， 管道承載能力下降，當(dāng)軟化寬度為20 mm 時(shí)， 管內(nèi)外焊趾部位應(yīng)力仍在材料的屈服強(qiáng)度以內(nèi)。

全部患者28 d內(nèi)出現(xiàn)的嚴(yán)重并發(fā)癥依次為細(xì)菌感染（293 例，48.3%），急性腎損傷（AKI，237 例，39.1%），肝性腦?。℉E，199 例，32.8%）和上消化道出血（48例，7.9%）。常見(jiàn)感染部位為腹腔（232例，38.3%）、肺部（43例，7.1%）、血液（33 例，5.4%）和其他（包括泌尿系、胸腔和膽囊等，49例，8.1%）。

為分析軟化程度對(duì)焊縫軟化區(qū)承載能力的影響， 軟化程度分別設(shè)置為5%、 14% （實(shí)際軟化程度）、 15%、 20%、 25%、 30%、 35%、 40%、 45%及50%。 熱影響區(qū)材料屬性根據(jù)母材的硬度、強(qiáng)度及均勻伸長(zhǎng)率進(jìn)行折算， 如軟化程度為5%時(shí)， 取母材強(qiáng)度的95%作為熱影響區(qū)的強(qiáng)度， 取母材伸長(zhǎng)率的105%作為軟化區(qū)的伸長(zhǎng)率， 以此類推建立其他軟化程度的強(qiáng)度及塑性指標(biāo)。

根據(jù)模型的對(duì)稱性， 分別在xoz 平面、 yoz平面設(shè)置對(duì)稱邊界條件， 同時(shí)在管段最下部外表面上的節(jié)點(diǎn)設(shè)置z 向固定約束， 并在管段內(nèi)表面施加不同程度內(nèi)壓， 如圖4 （b） 所示。 采用C3D8R 網(wǎng)格類型對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分， 單元尺寸為1～2 mm， 由于焊趾部位應(yīng)力集中程度嚴(yán)重， 對(duì)焊趾部位網(wǎng)格尺寸進(jìn)行細(xì)化， 尺寸設(shè)置為0.8 mm， 如圖4 （c） 所示。

圖10 為不同軟化程度下管段焊接接頭內(nèi)外焊趾部位應(yīng)力分布關(guān)系， 總體上隨著軟化程度的增加， 管內(nèi)焊趾部位等效應(yīng)力有輕微的減小， 管外焊趾部位等效應(yīng)力呈現(xiàn)小幅增加的趨勢(shì)， 管內(nèi)外焊趾均未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。

圖9 所示為軟化程度為5%、 15%、 25%、35%及45%下接頭局部應(yīng)力分布狀態(tài)， 總體來(lái)看， 焊接接頭應(yīng)力分布規(guī)律相差不大， 均為管內(nèi)外焊趾部位有少量的應(yīng)力集中。 對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，管外焊趾部位應(yīng)力集中有增加的趨勢(shì)， 而管內(nèi)焊趾部位應(yīng)力集中程度變化不明顯。

為探究軟化對(duì)直焊縫接頭承載能力的影響， 設(shè)置軟化區(qū)寬度分別為3 mm、 6.8 mm（實(shí)際焊接接頭軟化區(qū)寬度）、 20 mm， 以工作應(yīng)力達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度為判據(jù)。 圖7 所示為軟化區(qū)寬度分別為3 mm、 6.8 mm、 20 mm 時(shí)管段接頭的等效應(yīng)力分布狀態(tài)， 管段接頭整體應(yīng)力水平均在194 MPa 左右， 3 種軟化寬度下應(yīng)力分布差別主要在焊接接頭內(nèi)外焊趾部位。3 種軟化寬度下接頭應(yīng)力分布規(guī)律較為一致，均為管內(nèi)外焊趾部位有少量應(yīng)力集中。 通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)， 軟化區(qū)寬度的增加使得管內(nèi)焊趾部位應(yīng)力集中進(jìn)一步加大。

3 結(jié) 論

（1） 焊接接頭硬度分析結(jié)果顯示， 在距離焊縫熔合線6.8 mm 左右的區(qū)域， 硬度較母材下降了14%， 該區(qū)域出現(xiàn)了較為明顯的軟化現(xiàn)象。焊接接頭拉伸過(guò)程DIC 檢測(cè)結(jié)果顯示， 焊接熱影響區(qū)的軟化區(qū)出現(xiàn)明顯的應(yīng)變集中， 且最早出現(xiàn)開(kāi)裂。

（2） 隨著焊接接頭軟化寬度的增加， 管內(nèi)外焊趾部位等效應(yīng)力均增加， 且管內(nèi)焊趾部位應(yīng)力增加的幅度更大。 但是， 當(dāng)軟化寬度達(dá)到20 mm時(shí)， 在12 MPa 內(nèi)壓作用下軟化區(qū)的應(yīng)力水平仍未達(dá)到其屈服強(qiáng)度。

（3） 隨著接頭軟化程度的增加， 在12 MPa內(nèi)壓作用下， 焊管內(nèi)焊趾部位等效應(yīng)力基本保持不變， 焊管外焊趾部位應(yīng)力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)， 但均未達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度。

廣義的長(zhǎng)白山是指長(zhǎng)白山脈的主峰與主脈，包括中國(guó)遼寧、吉林、黑龍江三省東部山地以及俄羅斯遠(yuǎn)東和朝鮮半島諸多余脈的總稱；狹義的長(zhǎng)白山則是指位于白山市東南部地區(qū)，東經(jīng)127°40'—128° 16'， 北 緯 41° 35'—42°25'之間的地帶。

（4） 采用本研究焊接工藝焊接的接頭雖然存在明顯軟化， 但預(yù)測(cè)承載能力為36.3 MPa，遠(yuǎn)高于12 MPa 的工作壓力， 不影響焊管的承載能力。

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