返修次數(shù)對(duì)X80 管道環(huán)焊縫性能的影響

賈海東，朱麗霞，李麗鋒,3，羅金恒，余文昌

(1.管網(wǎng)集團(tuán)(新疆)聯(lián)合管道有限責(zé)任公司，烏魯木齊 830013；2.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，西安 710077；3.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島 266580)

0 前言

現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展大幅提高了油氣管道現(xiàn)場(chǎng)焊接的施工質(zhì)量和效率，但因焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致的環(huán)焊縫返修依然不可避免。近年來(lái)，油氣管道由于環(huán)焊縫問(wèn)題引發(fā)的失效事故頻發(fā)[1-5]，西氣東輸二線、漠大線、陜京三線等高鋼級(jí)管道建成試壓和投產(chǎn)運(yùn)行初期發(fā)生的30 余起管道失效案例顯示，70%以上失效是由于環(huán)焊縫缺陷引起的[6]。楊鋒平等學(xué)者[7]對(duì)2011—2013 年的8 起環(huán)焊縫失效案例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中5 起有焊縫返修痕跡；羅金恒等學(xué)者[8]收集并分析2011—2015 年的10 起環(huán)焊縫失效案例，發(fā)現(xiàn)其中6 起存在焊縫返修記錄；王海濤等學(xué)者[9]通過(guò)梳理國(guó)內(nèi)具有代表性的X70 和X80 鋼管環(huán)焊縫脆性開(kāi)裂案例，發(fā)現(xiàn)焊縫返修是與失效關(guān)聯(lián)度最高的4 個(gè)關(guān)鍵因素之一?？梢?jiàn)，返修焊后環(huán)焊縫的質(zhì)量對(duì)管道的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外油氣管道標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫返修提出了具體要求：API Standard 1104《Welding of pipelines and related facilities》要求使用合格的焊接工藝進(jìn)行焊接返修，2次返修需經(jīng)過(guò)業(yè)主同意；DNV-OS-F101《Submarine pipeline systems》附錄C 對(duì)管道焊縫返修次數(shù)提出“焊縫只能在同一區(qū)域補(bǔ)焊2 次”的規(guī)定；GB/T 50369《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定焊縫在同一部位的返修不應(yīng)超過(guò)2 次，且根部焊縫只應(yīng)返修1 次；西氣東輸二線管道標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定同一焊縫位置允許返修1 次；西氣東輸三線及中俄東線管道標(biāo)準(zhǔn)則規(guī)定同一位置返修的次數(shù)不應(yīng)超過(guò)2 次且根部焊縫只可返修1 次?？梢?jiàn)，各標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)焊縫返修次數(shù)的要求并不統(tǒng)一，中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)根部焊縫返修次數(shù)的要求更加嚴(yán)苛。各國(guó)學(xué)者也針對(duì)焊縫返修次數(shù)開(kāi)展了研究，宮平等學(xué)者[10]研究認(rèn)為返修焊對(duì)焊縫表層和底層的金相組織無(wú)明顯影響，焊縫進(jìn)行6 次返修后，力學(xué)性能仍在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)[11]；傅利斌等學(xué)者[12]及萬(wàn)里鵬等學(xué)者[13]分別研究了多次補(bǔ)焊對(duì)不同強(qiáng)度焊接接頭組織和疲勞性能的影響，認(rèn)為補(bǔ)焊次數(shù)對(duì)顯微組織影響較小，但3 次及以上補(bǔ)焊次數(shù)會(huì)降低疲勞強(qiáng)度；Vega 等學(xué)者[14]發(fā)現(xiàn)多次補(bǔ)焊可影響X52 無(wú)縫鋼管的力學(xué)性能；Moeinifar 等學(xué)者[15]研究了實(shí)際和Gleeble 模擬的雙道次熱循環(huán)對(duì)X80 鋼熱影響區(qū)性能的影響，認(rèn)為M-A 組元的大小是影響熱模擬臨界再熱影響區(qū)力學(xué)性能的重要因素；Vitasek[16]研究了對(duì)油氣管道環(huán)焊接頭的多次返修，發(fā)現(xiàn)隨著返修次數(shù)的增加，焊接接頭的質(zhì)量降低。此外，焊縫返修中的大多數(shù)研究集中在基于有限元模擬研究殘余應(yīng)力的影響或分布[17-21]，涉及管線管環(huán)焊縫多次返修的研究較少。該研究結(jié)合焊接熱模擬及有限元數(shù)值模擬，探尋多次返修對(duì)高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫的組織、強(qiáng)韌性和承壓能力的影響，為管道施工建設(shè)提供指導(dǎo)，為返修環(huán)焊縫的完整性管理提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用?1 219 mm、壁厚為18.4 mm 的X80 直縫埋弧焊管環(huán)焊縫，在環(huán)焊縫中心打磨V 形坡口后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)手工焊工藝進(jìn)行返修，根焊采用?3.2 mm 的E7016焊條，填充和蓋面焊采用?4.0 mm 的E10018-G 焊條。返修過(guò)程中采用K 型NiCr-NiSi 測(cè)定熱循環(huán)曲線，如圖1 所示，將其作為熱模擬焊接溫度控制曲線。在初始X80 環(huán)焊縫取樣加工環(huán)焊縫熱模擬試樣，采用Gleeble 3500 熱力學(xué)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，基于實(shí)際返修焊測(cè)得的熱循環(huán)對(duì)焊縫進(jìn)行1 次、2 次和3 次熱輸入，每道次升溫速率146 ℃/s，峰值溫度1 150 ℃，峰值溫度保溫1 s，t8/5時(shí)間為10 s，控制層間溫度為100 ℃。針對(duì)不同次數(shù)熱輸入后的試樣，觀察焊縫區(qū)域不同位置的顯微組織，進(jìn)行維氏硬度和-15 ℃夏比V 形缺口沖擊試驗(yàn)。模擬返修后焊接接頭形貌如圖2 所示，焊縫寬度6～7 mm，熱影響區(qū)寬度2.5～4.0 mm。沖擊試樣的缺口分別開(kāi)在焊縫中心、熔合線、熔合線+1 mm、熔合線+2 mm 和熔合線+3 mm 處。其中，熔合線+1 mm 位于粗晶熱影響區(qū)與細(xì)晶熱影響區(qū)的交界，熔合線+2 mm 位于細(xì)晶熱影響區(qū)，熔合線+3 mm位于母材。

圖1 焊縫返修熱輸入曲線

圖2 返修后焊接接頭形貌

采用Abaqus 模擬不同返修次數(shù)下環(huán)焊縫的應(yīng)力場(chǎng)并分析承壓能力。首先，根據(jù)環(huán)焊接頭宏觀形貌建立環(huán)焊縫模型，賦予各區(qū)域?qū)?yīng)的材料屬性，利用熱源模型和Fortran 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)埋弧焊熱源的加載，獲得熱源作用過(guò)程的溫度場(chǎng)及其熱循環(huán)。焊接應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算主要通過(guò)導(dǎo)入溫度場(chǎng)完成，網(wǎng)格屬性變更為三維應(yīng)力單元，保證溫度場(chǎng)的網(wǎng)格與應(yīng)力場(chǎng)網(wǎng)格同單元同節(jié)點(diǎn)，避免由于網(wǎng)格不一致造成的節(jié)點(diǎn)插值計(jì)算。對(duì)環(huán)焊縫模型進(jìn)行補(bǔ)焊，重新加熱1 次、2 次、3 次后得到不同返修次數(shù)下的應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)含不同次數(shù)返修環(huán)焊縫的管道施加內(nèi)壓，分析不同內(nèi)壓條件下環(huán)焊接頭不同位置的應(yīng)力場(chǎng)變化，進(jìn)而分析環(huán)焊接頭的極限承載能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 返修次數(shù)對(duì)接頭顯微組織的影響

0 次、1 次、2 次和3 次返修后焊縫組織如圖3 所示?？梢钥闯觯煌敌薮螖?shù)下，組織類(lèi)型并未發(fā)生變化。焊縫組織以晶內(nèi)成核針狀鐵素體和塊狀先共析鐵素體為主。返修前，焊縫柱狀晶形狀明顯，塊狀先共析鐵素體沿柱狀晶晶界析出，少量魏氏組織鐵素體由晶界向晶內(nèi)生長(zhǎng)；隨著返修次數(shù)增加，焊縫組織中的先共析鐵素體含量略有增加，3 次返修后先共析鐵素體明顯增多、晶粒尺寸明顯增大，且伴有較多的魏氏組織鐵素體。

圖3 不同返修次數(shù)的焊縫微觀組織

0 次、1 次、2 次和3 次返修后粗晶熱影響區(qū)組織如圖4 所示。粗晶熱影響區(qū)組織主要為粒狀貝氏體，隨著返修次數(shù)增加，粒狀貝氏體晶粒內(nèi)的M-A 組元排列有所改變，由在晶內(nèi)沿板條呈方向性分布逐漸變得均勻分布、方向性排列減弱；此外，隨著返修次數(shù)的增加，粗晶熱影響區(qū)的平均晶粒尺寸發(fā)生變化：0 次返修時(shí)平均晶粒尺寸約32 μm，總體均勻；1 次返修后平均晶粒尺寸減小至約25 μm，但晶粒度分散性增大；2 次返修后晶粒尺寸進(jìn)一步減小到約12 μm，且晶粒尺寸總體較均勻；3 次返修后平均晶粒尺寸約15 μm，局部有大晶粒出現(xiàn)。以上結(jié)果表明，多次返修對(duì)焊縫和熱影響區(qū)組織的影響具有疊加效應(yīng)，焊接熱輸入的作用使晶粒發(fā)生再結(jié)晶細(xì)化[22-23]，隨著熱循環(huán)產(chǎn)生的反復(fù)加熱和冷卻作用，逐步細(xì)化后的晶粒又開(kāi)始長(zhǎng)大，焊縫和粗晶熱影響區(qū)組織的劣化都在第3 次熱循環(huán)（3 次返修）。

圖4 不同返修次數(shù)的粗晶熱影響區(qū)組織

2.2 返修次數(shù)對(duì)焊接接頭韌性的影響

不同返修次數(shù)對(duì)焊接接頭沖擊韌性的影響如圖5 所示。對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論返修次數(shù)，焊縫處的韌性最差，其次是熔合線處。不同返修次數(shù)下，熔合線的沖擊韌性值相當(dāng)。分析原因?yàn)槿酆暇€處的粒狀貝氏體組織較為粗大，晶粒內(nèi)的M-A 組元尺寸較大且排列均具有一定方向性，對(duì)韌性不利；返修后，熔合線處的沖擊韌性并未隨返修次數(shù)表現(xiàn)出較大的波動(dòng)，僅2 次返修后，粒狀貝氏體組織細(xì)化并且晶粒較均勻，沖擊韌性稍有提高。1 次返修、2 次返修均提高了焊縫、熔合線+1 mm、熔合線+2 mm、熔合線+3 mm 處的沖擊韌性，但由于反復(fù)焊接熱循環(huán)對(duì)組織的累積影響，3 次返修后各區(qū)域組織出現(xiàn)劣化，使得焊縫、熔合線+1 mm、熔合線+2 mm、熔合線+3 mm處的沖擊韌性下降到比原始焊接接頭相應(yīng)位置更低的程度。

2.3 返修次數(shù)對(duì)硬度的影響

不同返修次數(shù)對(duì)焊縫、熱影響區(qū)及母材的硬度影響如圖6 所示，可以看出，返修使焊接接頭的硬度顯著下降，多次返修能夠在1 次返修的基礎(chǔ)上略微提高硬度，但提高程度并不明顯。無(wú)論返修次數(shù)，焊縫及熱影響區(qū)的硬度均低于母材，表明焊接接頭均存在明顯的軟化，硬度最低區(qū)出現(xiàn)在焊縫。

圖6 不同返修次數(shù)對(duì)焊接接頭硬度散點(diǎn)值及分布規(guī)律

對(duì)焊縫、熱影響區(qū)和母材硬度的分散性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯觯敌薮螖?shù)對(duì)焊縫的硬度均勻性影響不大，但焊縫返修增大了熱影響區(qū)及母材的硬度分散性。由于在焊接返修中，熱影響區(qū)和母材的顯微組織受到了熱輸入的影響，顯微組織中的相含量及晶粒尺寸發(fā)生變化，使得熱影響區(qū)及母材的不均勻性增大。

表1 不同返修次數(shù)下焊接接頭各區(qū)域硬度 HV10

2.4 返修對(duì)環(huán)焊縫應(yīng)力場(chǎng)分布及承載能力的影響

對(duì)不同次數(shù)返修后環(huán)焊縫的承壓能力進(jìn)行模擬，環(huán)焊接頭的等效應(yīng)力云圖如圖7 所示，隨著返修次數(shù)的增加，最大應(yīng)力值增大，但增幅不顯著。

圖7 不同次數(shù)返修的環(huán)焊接頭的應(yīng)力云圖

環(huán)焊縫不同位置（如圖8 所示）的最大等效應(yīng)力隨內(nèi)壓的變化如圖8～圖12 所示。可以看出，未返修狀態(tài)下，等效應(yīng)力由外表面蓋面焊層向內(nèi)表面根焊層逐漸增大，根焊層的等效應(yīng)力高于其他焊層，最高值位于根焊層的焊趾位置；1 次、2 次和3 次返修后，填充焊焊層的等效應(yīng)力高于根焊層，整個(gè)環(huán)焊接頭的應(yīng)力最高值位于填充焊焊層。一般應(yīng)力狀態(tài)下，基于強(qiáng)度失效準(zhǔn)則，環(huán)焊縫在整個(gè)壁厚截面的應(yīng)力最高值達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，可認(rèn)為開(kāi)始發(fā)生失效。因此，未返修環(huán)焊縫在一般應(yīng)力狀態(tài)下的承載能力取決于根焊層，而返修后環(huán)焊縫的承載能力則取決于填充焊焊層。隨著內(nèi)壓增大，環(huán)焊接頭承受的等效應(yīng)力隨之增大，當(dāng)環(huán)焊接頭最大等效應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，隨著內(nèi)壓進(jìn)一步增大，焊接接頭將發(fā)生變形，當(dāng)環(huán)焊接頭的最大等效應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)，焊接接頭將發(fā)生斷裂失效。將等效應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)的內(nèi)壓定義為管道的極限承壓能力。

圖8 自動(dòng)焊焊接接頭各焊層位置

圖9 0 次返修時(shí)各位置的等效應(yīng)力

圖10 1 次返修時(shí)各位置的等效應(yīng)力

圖11 2 次返修時(shí)各位置的等效應(yīng)力

不同次數(shù)返修后環(huán)焊縫的承壓能力變化如圖13所示。與未返修的環(huán)焊縫相比較，1 次返修使環(huán)焊縫極限承壓能力下降12.1%，2 次返修下降15.3%，3 次返修下降16.7%?？梢钥闯?，1 次返修使環(huán)焊縫承壓能力下降明顯，此后隨著返修次數(shù)增加，承壓能力降幅較小。

圖13 不同次數(shù)返修的環(huán)焊接頭承壓能力

3 結(jié)論

（1）不同返修次數(shù)下，焊接接頭組織類(lèi)型未發(fā)生變化；多次返修對(duì)組織的影響具有疊加效應(yīng)，焊接熱輸入的作用使晶粒發(fā)生再結(jié)晶細(xì)化，且改變了晶內(nèi)M-A 組元的尺寸和排列，對(duì)韌性具有優(yōu)化作用，但隨著熱循環(huán)的反復(fù)作用，細(xì)化后的晶粒又開(kāi)始長(zhǎng)大，并在3 次返修后發(fā)生劣化，使得韌性反而低于初始環(huán)焊縫。

（2）焊縫返修使焊接接頭的硬度顯著下降，同時(shí)增大了硬度分布的分散性，多次返修能夠在首次返修的基礎(chǔ)上略微提高硬度，但提高程度并不明顯。

（3）在內(nèi)壓作用下，返修后環(huán)焊縫的等效應(yīng)力最高值分布在填充焊焊層，且應(yīng)力值隨返修次數(shù)的增加而增大；返修后環(huán)焊縫的承載能力主要取決于填充焊焊層，1 次返修使環(huán)焊縫承壓能力下降明顯，隨著返修次數(shù)增加，承壓能力降幅較小。

（4）綜合考慮強(qiáng)韌性及承壓能力，建議X80 管道環(huán)焊縫返修次數(shù)不應(yīng)超過(guò)2 次。