HFW 焊管焊縫沖擊韌性影響因素分析及改進措施

楊中娜，莊傳晶，蔣曉斌，金 磊

（中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300452）

0 前 言

隨著石油天然氣工業的迅速發展，油氣管線輸送壓力也不斷提高，對輸送管線中的焊管質量提出了更高的要求。目前，HFW焊管因焊縫窄、生產效率高等優點得到廣泛應用［1］。但HFW焊管也曾發生過一些事故。1992年，我國西部塔里木地區輪南-庫爾勒的輸油管線發生管道爆裂和泄漏事故13起；1996年美國Transwstern公司的一條X56鋼級的762 mm輸氣管線破裂，長達13 km。經失效分析表明，主要是焊縫處沖擊韌性差而導致的脆性斷裂［2］。沖擊韌性作為評價焊接質量至關重要的一個因素，是保證高質量焊管生產的關鍵因素［3］。本研究主要針對HFW焊管焊縫沖擊韌性的影響因素進行分析，并提出改善方法，對提高焊縫質量和增加經濟效益具有重要意義。

1 HFW焊管生產工藝

HFW焊管主要采用高頻電流產生的熱能把成型卷板邊緣加熱至熔化狀態，再通過機械加壓方法進行焊接，焊接時焊縫中心會出現一條白色熔合線，熔合線兩側的熱影響區會產生由中部向內外表面方向延伸的金屬流線［4］。某鋼管廠的HFW焊管生產工藝流程如圖1所示。

圖1 HFW焊管生產工藝流程圖

2 HFW鋼管焊縫沖擊韌性影響因素

沖擊韌性是反映材料抵抗沖擊載荷的能力，沖擊韌性指標的實際意義在于揭示材料的變脆傾向，一般通過沖擊試驗來測定。結合HFW焊管生產工藝及其生產實踐分析，影響HFW焊管焊縫沖擊韌性的主要因素有以下幾個方面。

2.1 原材料

由于HFW鋼管是采用母材作為焊接材料，因此其焊縫的性能與母材的性能有較大關系［4］。影響原材料沖擊韌性的因素主要有以下幾個方面。

（1）成分。鋼中常出現的Fe，C和合金元素外，還存在S和P等雜質元素，其中尤以C和S對沖擊韌性的影響最大［4-6］。隨著C含量增加，鋼中珠光體含量相應增加，由于珠光體含有大量脆性的片層狀滲碳體，因而沖擊韌性較差。S在鋼中常以化合物FeS的形式存在，晶界上的低熔點共晶體在較高溫度下熔化，從而使鋼材沿晶界開裂。P在鋼中部分溶入鐵素體中，使鐵素體的強度、硬度提高，塑性、韌性下降；Si大部分溶于鐵素體中，使其強化，從而提高了鋼的強度、硬度，降低了塑性、韌性。

（2）夾雜物。夾雜物的存在會降低鋼的沖擊韌性，焊縫處出現的灰斑含有大量的氧化物，這些氧化物在高溫下多呈復合夾雜形式存在，如FeO-MnO-SiO2-Al2O3中的兩種以上氧化物的復合夾雜；當焊縫金屬的熔點低于氧化物夾雜的熔點時，氧化物就難于排出而殘留于焊縫中［4］，從而降低了鋼的沖擊韌性。

在HFW焊管實際生產中，經檢驗發現焊縫橫向沖擊斷口經常出現灰斑，如圖2所示，通常也稱為 “氧化物夾雜”。這種缺陷對焊縫韌性影響較大，無論是否經過熱處理，焊縫中仍然存在這類缺陷，它的存在是HFW焊管質量難以得到提高的一個重要原因。

圖2 HFW焊管出現的灰斑缺陷

（3）晶粒度。晶粒越細，外力引起的變形就會均勻地分散在較多的晶粒內［7］，減少了應力過分集中。同時，晶粒越細，越不利于裂紋的傳播，所以晶粒越細，材料本身的沖擊韌性越好。加入微量的Nb，N，Ti等碳化物形成元素可提高鋼板的強韌性，因為這些元素不僅有細化晶粒的作用［8］，而且有較強的沉淀效果。

因此，原材料應盡量保證夾雜物少，晶粒細化，在制管過程中也應對金屬流線上升角進行合理控制。

2.2 成型質量

在HFW焊接過程中，管材邊緣成型狀況決定焊接的穩定性。在成型過程中容易出現波紋、折皺、鼓包及加工硬化等現象，均會影響韌性質量。鋼帶兩邊緣在進入擠壓輥前盡量平行，保證兩板邊具有較高平行度進行高頻焊接，便于焊接時氧化物及夾雜物排出，減少灰斑形成。對焊表面局部凸出點焊接溫度較高，使板邊熔化不均勻，會增加局部氧化程度，容易產生缺陷［9］。若帶鋼邊緣有毛刺，在焊接時會導致提前接觸并產生火花現象，造成局部冷焊缺陷。帶鋼邊緣彎曲或邊部厚度減小，會使邊部呈現波浪形，致使灰斑形成，影響韌性。

2.3 焊接工藝

焊接工藝與焊接質量有著密切關系，主要參數有：熱輸入、焊接擠壓力、焊接擠壓量、焊接速度、開口角、焊接溫度。HFW焊管焊縫金屬流線（如圖3所示）形態能直接反映焊接工藝的好壞［10］，實際生產也是根據其流線形貌來進行焊接工藝調試的。

圖3 焊縫金屬流線形貌

其中，fn，fo，fi為熔合線在幾何中心線、管外、管內壁處測量的寬度；t為壁厚；α為流線角，是外壁t/4（t為壁厚）處金屬流線切線與水平線的夾角；hn，ho，hi為熱影響區（腰鼓形）在上述相應位置上的寬度。HFW主要焊接工藝參數的改變可以從擠壓量上體現，如圖4所示。

圖4 HFW焊接工藝的主要參數關系圖

某管廠生產的HFW鋼管規格為φ 406.4mm×1 3.5 mm，焊接速度12 m/min，開口角控制開口寬度（12±2）mm，焊接功率950 kW，熱處理溫度為950℃。根據實際情況分析，不同擠壓量與對應的焊接接頭熔合線寬度的關系見表1，焊接接頭的沖擊韌性見表2，擠壓量與沖擊功的關系如圖5所示。

表1 擠壓量與熔合線寬度的關系

表2 沖擊韌性結果

圖5 擠壓量與沖擊功的關系圖

擠壓量為5~6 mm時，熔合線很寬，沖擊功異常不穩定；擠壓量為7~8 mm時，熔合線較寬，沖擊功值基本符合要求；擠壓量為9~10 mm（即2/3倍壁厚）時，熔合線窄，沖擊功趨于穩定，韌性好。

根據生產經驗：焊接工藝參數選取應按管坯壁厚，合理設置開口角的大?。?°~4°），保證有足夠焊接功率的條件下，逐步提高焊接速度，施以適當的擠壓力（保證熔合線和熱影響區窄，金屬流線角60°~70°），使擠壓量達到2/3倍壁厚時，可適當提高焊縫沖擊韌性。

2.4 熱處理工藝的影響

HFW焊縫剛經過焊接形成的組織較粗大，熱處理后晶粒得到細化，組織分布更加均勻，提高了焊縫處的沖擊韌性，同時，焊縫處金相組織也直接影響沖擊韌性的好壞。焊縫經過熱處理加熱后，要經過一段長距離的空冷，在進入定徑前要對鋼管進行水冷。如果水冷開始溫度過高，就會產生貝氏體組織，降低焊縫的沖擊韌性。

某管廠生產的N80套管，管徑為244.5mm，壁厚為10.03 mm，焊接速度為15 m/min，焊接功率580kW，焊接溫度（1550±20）℃。焊管采用4種不同加熱溫度進行正火熱處理，得到不同的焊縫沖擊功值，見表3，幾種熱處理溫度下的沖擊功值的變化趨勢如圖6所示。

從圖6可以看出：對于壁厚為10.03 mm的N80焊管，沖擊功隨著熱處理溫度的升高先增加后降低，950~980℃之間的焊縫沖擊韌性最好；超過1 050℃后，沖擊韌性明顯下降。對于大壁厚焊管，其實際正火溫度要比理論值（920~940℃）高30℃左右時韌性最好。主要原因是HFW焊管加熱時間短，實際生產中加熱溫度要比理論值高，為 890℃+（60～80）℃， 即 950~980℃， 從而使大壁厚焊管內部溫度達到預定值。

表3 不同熱處理溫度對應的焊縫沖擊功

圖6 不同加熱溫度與沖擊功的關系圖

所以，在實際生產中，熱處理溫度選在Ac3+（30～50）℃，根據壁厚適當升高溫度，通過評價晶粒度來確定最終正火溫度。

2.5 試樣缺口位置對沖擊韌性的影響

在加工HFW焊縫夏比沖擊試樣時，缺口位置與焊縫熔合線的對中情況，對試驗數據有決定性的影響：缺口根部稍微的偏離會使試驗數據發生很大的突變，這時所得的數據已非焊縫而基本為鋼管母材的沖擊吸收功。如果出現焊縫亮線不直的情況，缺口位置的選取對沖擊功值的影響更加顯著，下面具體分析幾種典型缺口位置對沖擊功的影響，如圖7所示。

圖7（a）為第一種缺口形態，斷面腐蝕后的焊縫亮線較直，缺口根部位于焊縫中心，這是較為常見的缺口正確取法。沖擊過程中，裂紋沿著試樣缺口根部開始擴展直至斷裂，此時測得的沖擊功為焊縫處實際沖擊值。而當焊縫亮線有偏移時，在試樣加工過程中可能存在如圖7（b）、圖7（c）和圖7（d）的情況。圖7（b）為缺口根部位于焊縫左邊緣，試樣在沖擊過程中，除了缺口根部位于焊縫外，裂紋擴展基本沿著母材進行，所以這種缺口形式下測得的沖擊功趨近于母材沖擊值，會導致測試值不準。圖7（c）缺口根部位于焊縫中心，試樣起裂于焊縫，沿著焊縫擴展一小部分后即轉入母材區，這種情況下測得的值同樣也不太準確，但稍微優于圖7（b）。圖7（d）缺口根部位于焊縫右邊緣，雖然起裂點位于焊縫邊緣，但其擴展路徑完全處于焊縫區，所測值應正確反映了焊縫處真實的沖擊韌性。所以，在焊縫亮線不直的情況下，圖7（d）取樣方法是最合理的。由以上分析可以看出：焊縫缺口位置的選取對沖擊韌性的測量值有較大影響，而且對于HFW焊管窄焊縫來說，缺口試樣加工需要先根據實際焊縫形貌來估計裂紋擴展路徑，然后確定缺口位置再進行取樣。

圖7 不同缺口根部位置取樣方法

3 提高HFW焊管焊縫沖擊韌性的措施

以上分析結果表明，在實際生產中提高沖擊韌性可以采取以下措施：

（1）原材料應選擇晶粒均勻細小，純凈度高的鋼材。

（2）成型過程中，板邊要保持平行，擠壓力要均勻。

（3）焊接工藝控制：開口角的大小在3°~4°為佳，綜合調整焊接功率、焊接速度和擠壓力，以使擠壓量達到2/3倍的壁厚，并形成合理的金屬流線形態。

（4）對于不同鋼級的鋼種，其熱處理溫度應根據含碳量和壁厚，對應鐵碳相圖來確定Ac3和加熱溫度，并進行適當調整以優化組織。

（5）為準確評價焊縫沖擊功測試值，應結合金相表面侵蝕技術，精確確定缺口位置以使斷裂路徑盡量多的落在焊縫區。

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