HFW管線鋼管焊縫的高可靠性技術

孫 宏，王志太，劉振偉 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

HFW管線鋼管焊縫的高可靠性技術

孫 宏，王志太，劉振偉 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

為了解決HFW管線鋼管焊縫可靠性問題，通過使用高速攝像機實現了HFW焊接過程的動態可視化，并構建了一個HFW數值分析模型，從而優化HFW焊接條件并實現焊縫區域的均勻加熱。試驗結果表明，焊接條件優化后開發出的HFW鋼管焊縫金屬的夏比韌脆轉變溫度達到-90℃，且具有較高的低溫吸收能量值。此外，開發的點融合串列束超聲波檢驗方法實現了焊縫區氧化物的實時連續檢測，其靈敏度為常規方法的10倍以上。

HFW；管線鋼管；焊接；低溫韌性；視覺技術；超聲波檢測

HFW鋼管具有表面質量好和外形尺寸精度高等優點，被廣泛應用于能源領域、機械結構和常規管線。近年來，寒冷地區天然氣田的增加促使了低溫韌性HFW焊管的需求。為了提高焊縫韌性，本研究通過對HFW焊接現象的直接觀測和數值模擬明晰了HFW焊管的焊接行為。通過研究，明確了熔融態鋼中的金屬氧化物的運動行為和氧化物的形態。通過均勻加熱和熔化技術，消除了高頻焊接過程中產生的氧化物，從而將HFW焊管的夏比沖擊韌脆轉變溫度降至低于-90℃。

為了保證整根HFW焊管焊縫的韌性，開發了焊縫留存氧化物的連續實時檢測技術。生產過程中的在線檢測是通過新研制的超聲波缺陷檢測系統來實現的，該技術能夠對全管長焊縫實現質量檢測。此外，全管體評估試驗證明鋼管達到了優異的低溫韌性。

1 HFW技術的發展

1.1 HFW焊接現象的可視化

HFW焊管的制造采用的是輥彎成型技術。首先通過成型輥將熱軋鋼板輥彎成型為圓形，隨后，通過高頻電阻焊機將熱軋鋼板的兩個板邊加熱熔化，再擠壓結合，生產工藝如圖1所示。為了使焊接現象可視化并明晰HFW焊管的加熱和焊接行為，采用高頻感應加熱設備在實驗室生產了HFW焊管，并對焊接現象進行了觀察分析。圖2為高速攝像機拍攝的焊接過程照片。圖2中擠壓輥的中心距V形收斂點大約42 mm，端面完全熔化，沿著焊接點往下，由于擠壓輥的壓力，多余熔化的鋼上浮并堆積在焊縫上，形成熔池，在距離擠壓輥中心大約15 mm處鋼液凝固。

圖1 高頻電阻焊鋼管的生產工藝

圖2 高速攝像機拍攝的焊縫成形照片

HFW焊接現象的可視化表明：鋼先熔化然后在加壓的過程中凝固。在此基礎上，開發出了HFW數值分析模型，該模型涉及V形收斂點前的加熱行為及焊接點后加壓鋼液的運動現象。

1.2 HFW焊接現象的數值分析

HFW工藝可以大致分為高頻感應電阻焊和高頻接觸電阻焊。分別采用分析模型對這兩種焊接工藝的HFW焊接現象進行研究。

1.2.1 高頻感應電阻焊

采用有限元數值模型，分析HFW焊縫的溫度分布。圖3給出了高頻感應電阻焊的HFW焊縫數值分析模型框圖。通過電磁分析計算焊管的電流密度分布，而HFW焊管的溫度分布通過熱傳導分析獲得。

圖3 電磁和熱傳導有限元分析（FEA）流程圖

假設焊接過程中電磁場的分布與靜態相同，渦流密度分布通過頻率響應分析法則計算。圖4給出了電磁有限分析元模型的概況，該分析模型為三維模型，由于焊管的對稱性，圖4僅給出了工作線圈和焊管的完整圓周。

圖4 電磁有限元分析模型

根據頻率300 kHz和焊接速度100 m/min計算出的渦流密度實例如圖5所示。從圖5可以看出，渦流密度在工作線圈下方和端面集中。在工作線圈下方位置，根據估計，鋼管沿圓周方向的渦流密度大約為107A/m2。端面渦流的集中始于工作線圈的入口側，在工作線圈出口側達到大約108A/m2。從線圈的出口側到焊接點區間渦流密度繼續提高，并在焊接點達到其峰值，經過焊接點后迅速下降，在距離焊接點0.2 mm的位置降到了不超過107A/m2。根據圖5所示的電磁分析結果進行了傳熱分析，對邊緣的溫度進行了分析，結果如圖6所示。該分析表明了HFW焊接具有以下熱行為：通過工作線圈中心時邊緣開始加熱，從工作線圈的末端到焊接點的入口側溫度線性上升，然后在焊接點之前到焊接點的區間溫度急劇上升，過了焊接點后逐漸下降。

圖5 渦流密度的等高線圖

圖6 邊緣溫度和時間的關系

1.2.2 高頻接觸電阻焊

圖7 給出了高頻接觸電阻焊焊縫數值分析模型。在該數值分析中，結合使用了二維模型，即連續電磁和熱傳導分析將包含電極和焊接點的橫截面細分為大量的二維模型。首先，產生一個電極橫截面的二維模型，并執行電磁和熱傳導有限元分析（FEA）；第二，再產生一個附加的二維模型，并執行類似的電磁和熱導電有限元分析。通過重復這個過程計算出每個焊接點前位置的溫度分布。在焊接點，彈塑性有限元分析開始，在保持焊接點溫度分布的同時，水平移動兩根鋼管的網格，對焊接部分的變形行為進行了分析。

圖7 高頻接觸電阻焊焊縫數值分析模型示意圖

該分析采用了瞬態響應分析的彈塑性結構分析方法。開發出了結合電磁、熱傳導和彈塑性有限元分析方法的HFW仿真系統，理清了HFW焊縫的變形行為。相對滲透率、比熱容、電阻、熱焓、熱導率、應力及鋼管的楊氏模量被用作溫度的函數。

使用該分析方法研究了成型條件和焊接條件對HFW焊接現象的影響。圖8和圖9分別給出了焊接速度對焊接部位擠壓后的等效塑性應變分布和應力分布的影響。從圖8可以看出，隨著焊接速度的提高，鋼管內側和外側多余的金屬從寬且緩坡的形狀變為狹窄且陡峭的形狀。焊速為0.1 m/s時，應變沿鋼管圓周方向呈較寬分布，搭接面的最大應變值為1.2。隨著焊速的提高，鋼管圓周方向的應變變窄，變為局部分布，與之伴隨的是搭接面的最大應變值提高到1.8。從圖9可以看出，低焊速時，焊接邊緣附近的應力較低，隨著焊速的提高，焊接邊緣附近的應力明顯提高。當焊速較低時，加熱寬度較寬，整個焊接區均被加熱到較高的溫度。因此可以推斷，當焊接區的變形抗力降低時，整個焊接區擠壓的應力也較低，搭接面的應變也降低；相反地，焊接速度提高，加熱寬度變窄，熔融的量也減少，焊接邊緣附近區域的變形抗力提高。這種情況下，可以假設大應變產生于焊接邊緣的局部。此外，焊接區的應變率也隨著焊接速度的提高而升高。由于這些因素影響，可以估計邊緣鋼液和鋼液中的氧化物更容易被擠出。因此可以推斷，從防止金屬氧化物的角度看，提高焊接速度是有效的方法。

圖8 焊接速度對應變分布的影響

圖9 焊接速度對應力分布的影響

1.2.3 HFW熔融金屬和氧化物的行為

為了理清高頻焊接擠壓過程中熔融金屬中氧化物的運動，開發出了數值分析系統。將圖7中獲得的焊接區溫度分布作為初始值，進行了結合熱傳導和塑性流變分析的二維模型分析。作為初始條件，假設焊接邊緣鋼液表面的氧化膜厚度均勻，為100 μm，圖10給出了擠壓過程中氧化物運動的分析結果。隨著壓力的增加，鋼液向上移動，恰好在擠壓開始后，邊緣端面的氧化物膜也向上移動。0.06 s后，大多數金屬氧化物轉移到多余金屬中，隨著時間的增加，氧化物在金屬中攪拌并上升。假設初始氧化物含量是1，多余金屬中的氧化物大約為0.98。因此，該分析表明，焊接邊緣面中的大多數氧化物被擠到多余金屬中。

1.3 HFW技術的發展

圖10 焊接軋制擠壓期間的氧化物分布

基于對HFW現象的直接觀察及數值分析獲得的知識，對HFW焊接條件進行了優化，并開發了焊接區均勻加熱技術。因為焊接區生成的金屬氧化物很容易被排入多余金屬，HFW焊縫的力學性能得到了改善。圖11為開發的HFW焊縫與傳統焊縫的低溫夏比沖擊韌性對比。傳統HFW鋼管焊縫的夏比沖擊韌脆轉變溫度為-37℃，相比之下，新開發的鋼管為-90℃。

圖11 開發的HFW焊縫與傳統焊縫的低溫夏比沖擊韌性對比

2 HFW焊縫質量保證技術的發展

2.1 質量保證體系概況

通常，HFW焊管的質量是通過橫波超聲波檢測和夏比沖擊試驗等保證的。雖然通過超聲波檢測技術可以檢查整根鋼管，但是檢查的對象是毫米級的焊接缺陷和裂紋。因此，還要通過力學性能試驗評價氧化物夾雜對低溫韌性的影響。為此，開發了無損檢測和微觀氧化物夾雜的在線檢測技術。圖12為超聲檢測系統示意圖，該系統包括檢測微觀氧化物夾雜的相控陣超聲檢測系統、焊縫探測器、位置控制器及水冷裝置，可以在焊后立即進行在線檢測。

圖12 高頻電阻焊鋼管質量保證系統示意圖

2.2 HFW焊縫氧化物夾雜檢測技術的基礎研究

為了通過檢測氧化物夾雜保證焊縫質量，必須檢測氧化物的狀態。因此，從焊縫上切取試塊采用高靈敏度超聲波C型掃描進行研究。結果表明，HFW焊縫中存在著離散分布的微米級別的微觀氧化物，高的夾雜物密度會影響低溫韌性。此外，還對各種高靈敏度C型掃描評估范圍的夏比沖擊吸收功進行了比較。圖13給出了各種超聲評價范圍的超聲波回聲水平和吸收功之間的關系。當聚焦束大約為1 mm2時，優化的最高靈敏度超聲波回聲強度可以評價夏比沖擊功。換句話說，可以使用超聲波檢測方法成功地評價微觀氧化物夾雜的分布。

2.3 相控陣超聲波檢測技術

圖13 不同超聲評價范圍的超聲波回聲水平和-40℃吸收功之間的關系

相控陣超聲技術不用從鋼管上取樣就可以對鋼管進行檢測。其使用相位按梯度排列的多個振蕩器發射超聲波實現了1 mm2大小的聚焦束。掃查垂直表面，信號通過單向反射接收，如圖14所示。其靈敏度比傳統的超聲波橫波檢測高10倍以上。此外，通過調整發射和接收位置還可以從內表面到外表面對焊縫的厚度方向進行檢測。

圖14 高頻電阻焊相控陣超聲波檢測技術

2.4 在線應用和全管長評價實例

作為HFW鋼管生產過程中的連續掃查設備，開發了精確的焊縫跟蹤技術，使探頭能夠跟蹤沿圓周方向變動的焊縫部位。焊縫位置測量通過采用熱成像技術的焊縫跟蹤系統得到的溫度分布為基礎，通過陣列探頭來跟蹤焊縫位置，從而實現穩定的在線檢測。圖15為通過將焊接熱輸入降低到最佳值以下來惡化焊接區力學性能的實例。結果表明，微觀氧化物可以被非常可靠地檢測到。如上所述，已經可以對整個壁厚的氧化物進行實時檢測并顯示，沿縱向方向可以通過無損檢測技術保證整根鋼管焊縫的質量。

3 整管評估試驗實例

為確定所開發鋼管在低溫環境中的斷裂行為，進行了整管-20℃和-45℃低溫缺口爆破試驗。人工缺陷開在HFW焊縫上，試驗結果如圖16和圖17所示。圖17中的兩條線來自于巴特爾預測公式。所開發鋼管的破裂壓力高于估計的臨界壓力。此外，滲漏模式是源于缺口底部的韌性滲漏，證明鋼管在低溫下不會發生災難性的破裂。因此，HFW鋼管制管時產生的殘余應力對斷裂行為的影響很小，斷裂行為可以采用與UOE鋼管相同的方法評估。

圖15 高頻電阻焊實際工廠質量評價檢查

圖16 低溫整管爆破試驗示意圖

圖17 低溫整管爆破試驗結果

4 結 論

（1）開發出能夠直接觀察HFW焊接行為的可視化技術及HFW焊接數值分析模型。研究發現，提高焊接速度可以有效減少焊縫中的氧化物夾雜，通過提升均勻的溫度分布可以顯著消除邊緣的氧化物。

（2）開發的HFW鋼管低溫韌性優異，其夏比沖擊韌脆轉變溫度達-90℃。

（3）可以使用超聲波檢測方法成功地評價微觀氧化物夾雜的分布，并通過了在線整管評價。

（4）根據整管-20℃和-45℃低溫缺口爆破試驗結果，所開發鋼管的破裂壓力高于估計的臨界壓力。

譯自：OKABE Takatoshi， IIZUKA Yukinori， IGI Satoshi.High reliability technology of the weld zone of high-frequency electric resistance welding Linepipes[J].JFE Technical Report，2015（03）：125-132.

High Reliability Technology of the Weld Zone of High-Frequency Electric Resistance Welding Linepipes

Edited and Translated by SUN Hong,WANG Zhitai,LIU Zhenwei
（North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.,Qingxian 062658， Hebei,China）

To address the significant need for weld seam reliability，the HFW phenomena were visualized dynamically using a high-speed video camera，and an HFW numerical analysis model was constructed to develop optimization technology of HFW conditions and the homogeneous heating technology of the weld zone.The Charpy fracture transition temperature of the weld metal of the developed steel pipe was-90℃ showing the high absorbed energy value at cryogenic temperature.Furthermore，real-time continuous detection technology of the oxide of the weld zone was developed by a point converging tandem beam ultrasonic inspection method.This technology achieved high sensitivity 10 times or more than that of the conventional method.

HFW;linepipe;welding； low temperature toughness； vision detection technology； ultrasonic testing

TG444.9

B

1001－3938（2015）12-0063-06

孫 宏（1974—），男，高級工程師，工程碩士，主要從事石油輸送鋼管材料與試驗技術研究工作。

2015-07-06

李 超