螺旋埋弧焊管焊接接頭導(dǎo)向彎曲不合格原因分析

蔡文利，趙紅波，2，張 君，2，張德瑞

（1.中國(guó)石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008；2.中油國(guó)家石油天然氣管材工程技術(shù)研究中心有限公司，西安 710018）

螺旋埋弧焊管因抗止裂性能優(yōu)異、承壓性能良好被廣泛的應(yīng)用于油氣管道工程建設(shè)。國(guó)家近年發(fā)布的《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》表示，到2025 年，中國(guó)油氣管網(wǎng)規(guī)模將達(dá)2.4×105km，并逐步推進(jìn)油氣干線管道全面實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，逐步形成“全國(guó)一張網(wǎng)”[1-2]。由此可見(jiàn)，油氣能源輸送用管道方面仍然有較大發(fā)展?jié)摿Γ瑖?guó)內(nèi)對(duì)埋弧焊管的需求仍將持續(xù)增長(zhǎng)。

然而，在制管過(guò)程中時(shí)常有焊接接頭導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格的情況發(fā)生。本研究對(duì)不同規(guī)格螺旋埋弧焊管焊接接頭導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)樣本進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出了導(dǎo)向彎曲不合格的主要原因和影響因素，以期為螺旋埋弧焊管生產(chǎn)提供參考。

1 導(dǎo)向彎曲試樣統(tǒng)計(jì)

導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)是采用規(guī)定直徑的彎模對(duì)內(nèi)外焊縫彎曲180°后，檢測(cè)焊接接頭區(qū)域暴露出的體積狀缺陷長(zhǎng)度、深度的一種力學(xué)性能檢測(cè)方法，是評(píng)判焊接工藝性能是否達(dá)標(biāo)的一項(xiàng)重要指標(biāo)[3-5]。本研究抽取2 910 件壁厚7～18 mm、不同規(guī)格的埋弧焊管導(dǎo)向彎曲檢測(cè)結(jié)果組成樣本，對(duì)不合格試樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格樣本統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由不合格試樣分類統(tǒng)計(jì)可知，制管生產(chǎn)中焊接接頭導(dǎo)向彎曲不合格以反向?qū)驈澢鸀橹?，存在缺陷的區(qū)域主要集中在焊接接頭熔合區(qū)，且以7～14 mm 薄壁鋼管為主。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)焊接工藝，初步分析采集樣本中存在不合格主要與焊趾處存在缺欠、焊縫形貌控制不良、焊接工藝出現(xiàn)異常因素相關(guān)。因此，從焊接缺欠、熱影響區(qū)性能、焊縫形貌方面對(duì)導(dǎo)向彎曲不合的原因進(jìn)行了探討分析。

2 影響因素分析

2.1 焊接缺欠

焊接缺欠是焊接工藝不穩(wěn)定、出現(xiàn)異常產(chǎn)生的，易導(dǎo)致焊接接頭金屬不連續(xù)、不致密或連接不良等現(xiàn)象，在一定程度上會(huì)造成焊接接頭質(zhì)量和性能下降，但實(shí)際生產(chǎn)中焊接缺欠無(wú)法完全避免[6]。焊接缺欠未超出規(guī)定限值的情況下，不影響鋼管使用，不會(huì)對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的運(yùn)行產(chǎn)生危害，一般允許其在焊縫中存在。微咬邊、氣孔、夾渣是缺欠在焊接接頭中存在的主要形式。焊接接頭進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)時(shí)由于受較大應(yīng)力作用，缺欠處極易形成裂紋源，隨著應(yīng)力的增大，裂紋逐漸發(fā)生擴(kuò)展延伸，表現(xiàn)為焊接接頭表面開裂及斷裂失效，被判定為不合格[7]。為了探究造成焊接接頭導(dǎo)向彎曲不合格的原因，需對(duì)本研究采集的不合格試樣中的焊接缺欠進(jìn)行深入分析。

2.1.1 夾渣

夾渣是殘留于焊縫金屬中無(wú)法溢出、溶解或參與反應(yīng)的非金屬固體物質(zhì)，在埋弧焊管制造中通常是因焊接參數(shù)選擇不當(dāng)、焊劑脫渣性能不佳、焊接區(qū)域清理不徹底混入焊劑、氧化鐵、毛刺等雜質(zhì)及焊后在焊縫中殘留氧化物熔渣引起的。夾渣會(huì)降低焊縫的塑性和韌性，影響焊接接頭的性能。不規(guī)則夾渣其尖角會(huì)引起較大應(yīng)力集中，從而造成表面開裂、彎曲面凸起等現(xiàn)象[8]。通過(guò)對(duì)統(tǒng)計(jì)樣本中的不合格試樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)由夾渣引起導(dǎo)向彎曲不合格存在兩種典型情況。

一是由于焊趾處存在夾渣造成導(dǎo)向彎曲沿熔合線開裂。從圖2 可以看出，在Q235B 鋼級(jí)Φ820 mm×11 mm 螺旋埋弧焊管反向?qū)驈澢_裂的鋼管上取金相試樣進(jìn)行微觀分析，內(nèi)焊焊趾處存在長(zhǎng)條狀?yuàn)A渣缺欠，長(zhǎng)度為66.968 μm。

圖2 熔合線處存在夾渣（200×）

二是由于熔合區(qū)存在大面積氧化物夾渣造成導(dǎo)向彎曲斷裂。Q235B 鋼級(jí)Φ478 mm×10 mm螺旋埋弧焊管反向?qū)驈澢嚇訌娜酆暇€處斷裂，在試樣斷口位置進(jìn)行掃描電鏡分析，分析結(jié)果如圖3 所示。圖3（a）為試樣斷口低倍宏觀形貌，試樣斷口起裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)清晰可辨；距試樣表面0.5 mm 的起始斷裂區(qū)較光滑，且沒(méi)有明顯的塑性變形，見(jiàn)圖3（a）上方位置；擴(kuò)展區(qū)呈浪花狀延伸至斷口底部，較為粗糙。起裂區(qū)主要由Al、Si、Ca 等化合物構(gòu)成，且質(zhì)地較為疏松（圖3（b））。對(duì)疏松面進(jìn)一步放大發(fā)現(xiàn)該區(qū)域上有較多塊狀?yuàn)A渣物（圖3（c））。采用X 射線能譜儀對(duì)缺陷部位進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)這些夾渣物中含F(xiàn)e、Al、Si、Ti、Ca、Mn 等元素，分析結(jié)果如圖3（d）所示。

圖3 導(dǎo)向彎曲熔合線處斷裂試樣斷口位置掃描電鏡分析

根據(jù)以上分析可知，引起導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)開裂的主要原因是由于焊接工藝或焊材的選擇不當(dāng)，造成在焊接過(guò)程中形成夾渣未能完全上浮[9]，留在焊接接頭中，最終形成裂紋源，在外力作用下誘發(fā)開裂。生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)原料化學(xué)成分合理匹配焊接材料，有效清除焊接區(qū)域雜質(zhì)，提高鋼管合縫質(zhì)量，避免焊劑夾雜。

2.1.2 微咬邊

咬邊是焊接電弧將母材熔化后，焊縫邊緣沒(méi)有得到填充金屬的補(bǔ)充而留下的缺口或溝槽。咬邊會(huì)使母材金屬的有效截面減少，減弱焊接接頭的強(qiáng)度，同時(shí)咬邊處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，承載后有可能在咬邊處產(chǎn)生裂紋，甚至引起結(jié)構(gòu)的破壞[10]。小于一定尺寸的咬邊缺陷在管線標(biāo)準(zhǔn)中是允許存在的，例如API SPEC 5L 中規(guī)定埋弧焊管上深度≤ 0.4 mm的咬邊允許存在。在L415M鋼級(jí)Φ559 mm×9.5 mm 螺旋埋弧焊管反向?qū)驈澢_裂試樣上取金相樣，放大100倍觀察焊趾微觀形態(tài)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)焊焊趾處存在微咬邊缺欠，如圖4所示。焊縫邊緣存在微咬邊，局部應(yīng)力集中，在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)中受拉應(yīng)力作用，焊趾處極易形成裂紋，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)就被判定為不合格。

圖4 內(nèi)焊焊趾微咬邊照片（100×）

2.2 熱影響區(qū)性能的影響

在彎曲變形過(guò)程中，由于焊接接頭成分和組織的不均勻性，變形集中表現(xiàn)在熔合線附近，相比焊縫和母材，該區(qū)域發(fā)生大的變形就會(huì)產(chǎn)生凹陷。圖5 所示為L(zhǎng)360M 鋼級(jí)Φ813 mm×12 mm 螺旋埋弧焊管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)后焊接接頭處的照片。圖5 中焊縫兩側(cè)均出現(xiàn)了條狀凹陷，驗(yàn)證了熔合區(qū)在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)中發(fā)生了大的變形。由于熔合區(qū)很窄只有0.1～1 mm，一般統(tǒng)稱是由于熱影響區(qū)發(fā)生軟化造成的。如果軟化嚴(yán)重，就有可能在彎曲過(guò)程中由于過(guò)量變形導(dǎo)致彎曲開裂，圖5（b）下方凹陷處由于過(guò)量變形導(dǎo)致的塑性開裂集中在熱影響區(qū)熔合線附近。

圖5 L360M鋼級(jí)Φ813 mm×12 mm螺旋埋弧焊管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)焊接接頭照片

在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)后焊縫兩側(cè)出現(xiàn)條狀凹陷的3 個(gè)不同規(guī)格的焊管上取樣，進(jìn)行焊縫、母材、熱影響區(qū)硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)焊管管體及焊縫的平均硬度值均高于熱影響區(qū)的平均硬度值，具體硬度分布如圖6所示。受焊接熱循環(huán)的作用，焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)強(qiáng)度受損，硬度低于母材原始硬度，由此進(jìn)一步表明螺旋埋弧焊管在焊接過(guò)程中熱影響區(qū)存在軟化現(xiàn)象。制管過(guò)程中為了避免此類問(wèn)題的出現(xiàn)，應(yīng)適當(dāng)降低熱輸入，防止因線能量增加，焊縫熱影響區(qū)增寬，引起嚴(yán)重過(guò)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致晶粒變得粗大，塑性和韌性下降，同時(shí)，晶內(nèi)偏析程度增加，裂紋敏感性增大，增加了產(chǎn)生彎曲開裂的可能性。

圖6 焊接接頭不同區(qū)域硬度分布

2.3 焊縫形貌

螺旋埋弧焊管焊縫形貌是影響管道產(chǎn)生低周疲勞效應(yīng)的重要因素，同時(shí)也極大地影響了焊接接頭的應(yīng)力分布和大小。在制管生產(chǎn)中，坡口預(yù)設(shè)對(duì)焊縫形貌控制起著非常重要的作用，為了保證一定的鈍邊，在薄壁鋼管焊接過(guò)程中，一般預(yù)設(shè)較小坡口或無(wú)坡口，沒(méi)有坡口的調(diào)整，焊接接頭過(guò)渡角偏小的現(xiàn)象就較為明顯。螺旋埋弧焊管過(guò)渡角是焊縫與母材在焊趾處的夾角，在焊接過(guò)程中隨著焊道形貌的不同，過(guò)渡角會(huì)發(fā)生較大的變化，過(guò)渡角越小，焊趾處的應(yīng)力集中就越大。焊接接頭受力分析結(jié)果表明，當(dāng)焊接接頭受到一定的垂直載荷時(shí)，焊接接頭應(yīng)力大小分布會(huì)隨著過(guò)渡角大小變化而發(fā)生變化，過(guò)渡角小于135°時(shí)，焊接接頭應(yīng)力明顯會(huì)向焊趾處集中，且隨著過(guò)渡角不斷減小，焊趾處應(yīng)力集中越明顯[11-13]。

對(duì)于螺旋埋弧焊管來(lái)說(shuō)，由于內(nèi)焊施焊空間十分有限，焊縫金屬很難實(shí)現(xiàn)良好的過(guò)渡，因此其內(nèi)焊縫焊趾處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，焊接接頭抗斷裂和抗疲勞的能力大大降低，裂紋容易由此萌生[14-15]。同時(shí)，受埋弧焊接鋼管工藝制約，內(nèi)焊縫需要經(jīng)受兩次熱循環(huán)影響，內(nèi)焊組織形態(tài)出現(xiàn)異常幾率更大，因此導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)內(nèi)焊縫接頭處更易產(chǎn)生微小的開裂現(xiàn)象。L485M 鋼級(jí)Φ914 mm×12.7 mm 螺旋埋弧焊管內(nèi)坡口出現(xiàn)異常，如圖7 所示，在其他參數(shù)不變的情況下內(nèi)焊縫與母材的過(guò)渡角接近90°（圖7（a））。在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)過(guò)程中左側(cè)焊趾處出現(xiàn)撕裂。試樣酸洗后微觀形貌如圖7（b）所示，左側(cè)開裂區(qū)晶粒明顯比右側(cè)焊縫區(qū)粗大，組織形態(tài)也有較大差異，焊縫區(qū)以明顯呈塊狀及針狀交錯(cuò)分布的鐵素體為主，而熔合區(qū)和熱影響區(qū)晶粒有明顯的增大趨勢(shì)，在鐵素體及珠光體組織基礎(chǔ)上，出現(xiàn)較大比例的馬氏體組織。由于馬氏體屬于硬相組織，大比例出現(xiàn)使得熔合區(qū)及熱影響區(qū)塑韌性大幅降低，同時(shí)過(guò)渡角小焊趾處應(yīng)力集中增大，試樣在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)中產(chǎn)生微裂紋，致使導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)不合格。因此，在制管生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)增大坡口角度、調(diào)整螺旋埋弧焊接偏心距等措施，降低焊縫余高，減小焊趾處的截面突變，使焊縫邊緣與母材平滑過(guò)渡，焊縫過(guò)渡角≥ 135°。

圖7 L485M鋼級(jí)Φ914 mm×12.7 mm螺旋埋弧焊管內(nèi)坡口試樣形貌

3 結(jié) 論

（1）本研究中匯總的螺旋埋弧焊管導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)開裂樣本基本都發(fā)生在焊縫熔合線附近，熔合區(qū)晶粒粗大、組織性能不均勻是焊縫薄弱區(qū)域，也是應(yīng)力集中最大的區(qū)域，易使熔合區(qū)發(fā)生開裂引起導(dǎo)向彎曲不合格。焊縫中的缺欠，在導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)應(yīng)力作用下極易造成應(yīng)力集中導(dǎo)致試樣開裂，開裂后裂紋沿熔合區(qū)和熱影響區(qū)擴(kuò)展就可能造成試樣斷裂。

（2）焊接接頭在焊接熱循環(huán)的作用下，各區(qū)域的組織和性能都發(fā)生了變化，熱影響區(qū)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致熱影響區(qū)強(qiáng)度降低，成為焊接接頭中最薄弱的環(huán)節(jié)，致使彎曲過(guò)程中塑性變形主要集中在熱影響區(qū)，導(dǎo)致彎曲裂紋產(chǎn)生。

（3）焊縫與母材過(guò)渡角小、過(guò)渡過(guò)于尖銳，焊趾處會(huì)產(chǎn)生高的應(yīng)力集中，焊趾處在拉伸受力過(guò)程中產(chǎn)生較大應(yīng)力集中，加劇焊縫接頭最薄弱的熔合區(qū)發(fā)生開裂。