凸臺焊接對HFW焊管性能影響的模擬研究

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(1.中國石油集團石油管工程技術研究院，石油管材及裝備材料服役行為與結構安全國家重點實驗室　陜西　西安　710077； 2.中石油管道聯合有限公司西部分公司　新疆　烏魯木齊　830013)

0　引　言

高頻電阻焊(high-frequency electric welding，HFW)管由于生產效率和尺寸精度高、易于防腐涂覆等優(yōu)點廣泛應用于西氣東輸二線站場/閥室的管道建設中[1,2]。為了滿足閥門、儀表和法蘭等的安裝需要，站場/閥室建設工程中經常會遇到在主管上開孔、焊接凸臺(支管座)連接支管的情況[3-6]。在實際操作中，由于HFW高頻電阻焊管焊縫肉眼難以辨別，部分凸臺安裝位置距離焊管焊縫很近甚至重合，存在安全隱患。

物理模擬技術通過對小型金屬試樣在不同受熱、受力條件下變形(或變態(tài))行為的模擬實驗，為金屬材料的物理冶金研究及科研開發(fā)提供既揭示微觀機理，又指導實際工藝的分析資料。本文以站場/閥室高頻電阻焊管上的凸臺焊接為研究對象，根據焊接時實時測量的熱循環(huán)曲線，利用Gleeble3 500熱-力學模擬試驗機，通過物理模擬方法研究凸臺焊接對HFW焊管管體和直焊縫拉伸、沖擊性能的影響規(guī)律。

1　試驗材料與試驗方法

1.1　試驗材料

試驗用鋼管選用西氣東輸二線站場/閥室中常用的HFW高頻電阻焊管，鋼級L415MB、規(guī)格Φ406.4 mm×12.5 mm，化學成分見表1。表1中同時列出計算所得的CEⅡw、Ceq和Pcm值。材料的拉伸和沖擊性能見表2。凸臺選用工作壓力為12 MPa、材料A350 LF2，規(guī)格DN400 mm×25 mm的焊接式凸臺。

1.2　試驗方法

利用熱切割的方法在HFW高頻電阻焊管焊縫中心開直徑為Φ25 mm的小孔。根據西氣東輸二線管道規(guī)程站場/閥室焊接工藝規(guī)程，采用鎢極氬弧焊(GTAW)打底、焊條電弧焊(SMAW)填充蓋面的焊接方法焊接凸臺，具體的焊接工藝參數見表3。

利用儲能焊機將K型熱電偶固定在焊管表面距離凸臺角焊縫0.89 mm和3.01 mm位置(焊接后實測位置)。測試設備采用日本基恩士TR-TH08高精度溫度/電壓測量儀，可同步查看和記錄不同位置的溫度變化情況[7,8]，如圖1所示。

制備HFW高頻電阻焊管管體和縱焊縫的Φ6 mm×71 mm、10.5 mm×10.5 mm×71mm的熱模擬試樣。利用Gleeble3 500熱-力學模擬試驗機，如圖2所示。將前文測得的焊接熱循環(huán)曲線溫度加載在制備的熱模擬試樣上。熱模擬試驗后將試樣加工成標準的拉伸試樣和沖擊試樣。

表1　L415MB高頻電阻焊管化學成分(質量分數)　%

注: 1) CEⅡw=C+Mn/6+(Cu+Ni )/15 +(Cr + Mo +V)/5 2) Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2 3) Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

表2　L415MB電阻焊管力學性能

表3　凸臺焊接工藝參數

注：DCEN-表示與焊接材料相連的電極與電源的負極相關聯；DCEP-表示焊條與電源的正極相關聯。

圖1　TR-TH08型熱循環(huán)測量儀

圖2　Gleeble 3500熱-力學模擬試驗機

2　試驗結果和分析

凸臺焊接總共為四道次，第一道次為打底焊接、第二、三道次為填充焊接，第四道次為蓋面焊接。圖3為凸臺焊接時距離角焊縫0.89 mm、3.01 mm(焊接結束后實測距離)處熱電偶測得的熱循環(huán)曲線。凸臺打底焊接采用的是鎢極氬弧焊接，通過對距離角焊縫0.89 mm處的焊接熱循環(huán)曲線分析可知，第一道次焊接的加熱階段可以分為三個階段：0～600 ℃，加熱速度為150 ℃/s；600～850 ℃的加熱速度增加為256 ℃；850～915 ℃則加熱速度降為50 ℃/s。熱循環(huán)峰值溫度達到了915 ℃后緩慢冷卻，從915 ℃降低到800、700、650和400 ℃的冷卻速度依次為82、52、32和23 ℃/s。凸臺填充和蓋面焊接采用焊條電弧焊。三道次的平均加熱速度依次為：59、278和414 ℃/s，峰值溫度則依次為：586、1 355和1 372 ℃。在蓋面焊接時，測點在1 372 ℃的停留時間約為2 s。測點在高溫的停留時間(1 000 ℃)依次為9.2和6 s。焊接后800 ℃到500 ℃的停留時間依次為：10、9、8.5 s。通過上述統(tǒng)計可知，隨著焊接道次的增加，凸臺角焊縫附近區(qū)域的加熱速度、峰值溫度、高溫停留時間以及冷卻速度都逐漸增加。在每個道次的焊接中，加熱速度在焊接溫度快速達到高溫后(1 000 ℃)、峰值溫度前，存在快速降低的情況，而焊后冷卻速度則隨著溫度的降低而逐漸小。距離凸臺角焊縫3.01 mm處的焊接熱循環(huán)的規(guī)律同上述一致，峰值溫度在最后焊接道次也達到了約1 004 ℃。

圖3　凸臺焊接后ERW焊管外表面焊接熱循環(huán)曲線

HFW焊管管體和直焊縫橫向拉伸試樣經過圖3所示峰值溫度高達1 372 ℃和1 004 ℃的焊接熱循環(huán)后，測得的拉伸試驗結果如圖4所示。由圖4可知，HFW焊管直焊縫的抗拉強度最低，為524.5 MPa，約為HFW管體的88%。通過凸臺焊接的熱模擬試驗后，HFW管體粗晶區(qū)(1 372 ℃)和細晶區(qū)(1 004 ℃)的抗拉強度相對于管體降低，其中細晶區(qū)抗拉強度降低為535 MPa，約為HFW管體的90%。ERW焊管直焊縫橫向拉伸試樣經過焊接熱循環(huán)后，模擬焊接粗晶區(qū)(1 372 ℃)和細晶區(qū)(1 004 ℃)的抗拉強度則稍有上升，粗晶區(qū)和細晶區(qū)抗拉強度分別增加為564、551.5 MPa，約為ERW管體的94.8%和92.7%。

HFW管體和直焊縫沖擊試樣經過峰值溫度高達1 372 ℃和1 004 ℃的焊接熱循環(huán)后，測得在0 ℃和-40 ℃的沖擊試驗結果如圖5所示：在0 ℃時，管體和縱焊縫的沖擊韌性值分別為207 J和365 J，都遠遠高于標準要求。通過凸臺焊接熱模擬試驗后，粗晶區(qū)和細晶區(qū)試樣的沖擊韌性都遠高于ERW焊管原始性能。在-40 ℃，管體和縱焊縫的沖擊韌性值稍有降低，分別為191 J和344 J，凸臺焊接熱模擬后，粗晶區(qū)組織韌性低于焊縫而高于管體，約為249 J，細晶區(qū)組織則高于管體和縱焊縫，在-40 ℃仍然高達379 J。

圖5　HFW焊管管體和直焊縫沖擊性能

3　結　論

以站場/閥室高頻電阻焊管上的凸臺焊接為研究對象，根據焊接時實時測量的熱循環(huán)曲線，通過物理模擬方法研究凸臺焊接對HFW焊管管體和直焊縫拉伸、沖擊性能的影響規(guī)律，結論如下：

1)凸臺焊接時焊縫附近HFW焊管外表面距離角焊縫0.89 mm和3.01 mm處峰值溫度分別高達1 372 ℃和1 004 ℃。

2)凸臺焊接后HFW焊管管體和直焊縫模擬粗晶區(qū)和細晶區(qū)的抗拉強度高于HFW焊管直焊縫。

3)凸臺焊接后HFW焊管管體和直焊縫模擬粗晶區(qū)和細晶區(qū)的沖擊韌性高于HFW焊管管體。

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