X70管道自保護藥芯焊絲環焊接頭力學性能及影響因素

何小東， 薛如， 李為衛， 池強， 高雄雄

(1. 中國石油集團石油管工程技術研究院，西安 710077；2. 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，西安 710077；3. 中國石油西氣東輸管道公司，上海 200120)

0 前言

焊接是當今油氣長輸管道連接的唯一方式。因此，焊接效率和焊接質量不僅對管道工程施工起著關鍵作用，也決定了管道環焊縫接頭本質安全。目前，國內外長輸管道常用的焊接方法主要有藥皮焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、熔化極氣體保護半自動焊、自保護藥芯焊絲電弧焊、熔化極活性氣體保護自動焊、自動埋弧焊和閃光對焊等[1]。藥芯焊絲自保護焊(Self-shielded flux-cored arc welding，FCAW-S)和熔化極活性氣體保護自動焊(Gas metal arc welding, GMAW)效率高、勞動強度低，在高強度、大口徑、厚壁管道環焊縫的填充、蓋面焊接中得到廣泛應用。但這兩種焊接工藝也有局限性。隋永莉等人[2]從焊接原理、焊接材料、焊接設備、焊接坡口、管口組對、焊接施工及施工組織、焊接質量控制、經濟效益等幾個方面總結分析了半自動焊工藝和自動焊工藝的適用性及其優缺點。

為了滿足高強度油氣管道現場焊接需要，國內相關單位和機構開展了自保護藥芯焊絲研制。有研究者[3]通過提高熔渣的堿度以及在藥粉中加入多種氟化物提高脫氫能力；再增加Mn含量來提高強度，通過降低熔敷金屬中的鋁含量和硅含量，并加入微量合金元素和提高鎳含量，獲得了X80管道焊接用高強韌性自保護藥芯焊絲。張敏等人[4]基于成分匹配與組織匹配的設計原則，設計并制成了X100管線鋼匹配用自保護藥芯焊絲，并選用合適的焊接工藝參數試焊，得到強度、韌性和組織與母材相匹配的焊接接頭。但是，近年來X80管道環焊縫發生多起失效事故[5]，業界相關人士對高鋼級管道現場焊接能否使用自保護藥芯焊絲焊接持懷疑態度，甚至在相關技術文件中禁止使用此焊接工藝。

針對某管道工程焊接工藝適用性評定，文中測試了焊接接頭關鍵力學性能，并分析了其主要影響因素。研究結果有助于自保護藥芯焊絲焊接工藝在高強度管道現場環焊縫焊接中的合理應用和焊接接頭質量控制。

1 試驗材料及方法

1.1 試樣制備

環焊縫試樣制備采用直徑為813 mm，鋼級為X70的鋼管，組對壁厚為14.3～14.3 mm，17.5～17.5 mm和17.5～19.1 mm，焊接坡口形式為V形，坡口角度為25°。焊接工藝采用表面張力過渡(Surface tension transfer,STT)根焊，焊絲牌號為Bohler SG3-P(ER70S-G)，直徑為1.2 mm。FCAW-S熱焊、填充焊和蓋面焊的焊絲牌號為JC-30(E551T8-K2)，直徑為2.0 mm。環焊縫焊接分別由5組焊工完成，焊接工藝參數見表1。

表1 焊接工藝參數

1.2 試驗方法

樣品完成焊接后，采用HR-90A/3093-1634型X射線探傷機對環焊縫進行無損檢測。對探傷合格的焊縫依據GB/T 31032—2014《鋼質管道焊接及驗收》進行評價。采用KB30BVZ-FA 維氏硬度計了測試了焊接接頭內外表面附近的硬度分布。用SHT4106 材料試驗機測試了不同焊接位置的焊接接頭在室溫下的拉伸性能和塑性變形能力；截取55 mm×10 mm×10 mm夏比沖擊試樣，缺口類型為V形(Charpy V-Notch，CVN)，深度為2 mm，用PSW750 沖擊試驗機測試了焊縫和熱影響區在管道設計溫度-5 ℃下的夏比沖擊吸收能量。在環焊縫接頭的平焊、立焊和仰焊位置分別截取并制備金相試樣，采用MEF4M 金相顯微鏡及圖像分析系統分析了焊接接頭的宏觀組織和微觀組織。利用VEGA掃描電鏡和NSS-300型能譜儀分析了斷口形貌和成分組成。

2 試驗結果與討論

2.1 試驗結果

圖1是環焊縫接頭的抗拉強度分布。統計結果表明，三種壁厚的環焊接頭抗拉強度Rm分布范圍為590～670 MPa，均大于標準要求的最小抗拉強度570 MPa，且服從正態分布，其平均值約為628 MPa，標準差約為16 MPa。拉伸試驗中86.5%的試樣均斷于母材(BM)，只有13.5%的焊接接頭拉伸試樣斷于熱影響區(HAZ)，但斷于熱影響區的焊接接頭其抗拉強度也大于標準要求的最小抗拉強度570 MPa。由于焊接接頭拉伸試樣絕大多數斷于母材，其抗拉強度體現的是管材的縱向拉伸性能。

圖1 環焊縫接頭抗拉強度分布

圖2所示是環焊縫接頭夏比沖擊吸收能量分布。圖2表明，環焊縫中心的夏比沖擊吸收能量單個值分布為80～260 J，標準差約為35 J；每組焊縫(WM)沖擊吸收能量平均值范圍為107～245 J，標準差為29 J。熱影響區夏比沖擊吸收能量單個值和組平均值的分布范圍分別是77～325 J,134～302 J，其標準差分別約為49 J和33 J。因此，不管是焊縫還是熱影響區的單個值和夏比沖擊吸收能量值均滿足標準規定的38 J和50 J要求。但是，從圖2也可以看出，相比于焊縫，熱影響區的沖擊吸收能量離散程度略大。這主要是由于焊接熱影響區的組織和結構不均勻性所致。一般地，油氣管道環焊接頭熱影響區沖擊試樣取至壁厚中心，缺口位置為焊縫金屬和熱影響區母材金屬各占50%。但由于焊接熱影響區較窄，在沖擊試樣缺口加工過程中，難以完全保證焊縫金屬和熱影響區的母材所占比例完全一致。因此，熱影響區的夏比沖擊吸收能量值波動較大。從總體上看，在合理的焊接工藝下，雖然自保護藥芯焊絲焊接的X70管道環焊縫接頭夏比沖擊吸收能量有一定的波動，但是焊縫和熱影響區的沖擊吸收能量單個值和平均值均滿足標準要求。

圖2 環焊縫接頭夏比沖擊吸收能量分布

對環焊縫接頭取樣，按標準要求進行側彎試驗，彎軸直徑為90 mm，彎曲角度180°。圖3是側彎后試樣拉伸面形貌和缺陷統計。圖3表明，約76%的彎曲試樣拉伸面無缺陷，而有缺陷或斷裂的試樣占24%。按驗收標準判定試樣上缺陷性質或尺寸超出要求的僅有2%。因此，整體環焊縫而言，自保護藥芯焊絲焊接的X70管道環焊縫接頭具有較好的塑性變形能力。

圖4是環焊縫接頭的維氏硬度統計分布。圖4表明，自保護藥芯焊絲焊接的X70管道環焊縫接頭維氏硬度呈正態分布，無論內表面還是外表面附近的維氏硬度均小于標準規定的275 HV10。但從圖4也可以看出，管體和熱影響區的硬度值分布穩定，變化相對較小，而外表面的蓋面焊縫和內表面的根焊焊縫硬度值波動較大，分布范圍也相對較寬；而且根焊焊縫的硬度低于熱影響區和母材的硬度，而填充和蓋面焊縫的硬度略高于熱影響區和母材的硬度。

2.2 討論與分析

雖然，自保護藥芯焊絲焊接的X70管道環焊縫接頭表現出較好的拉伸性能、夏比沖擊韌性和塑性變形能力，但彎曲試樣的拉伸面上仍出現較多的缺陷甚至發生斷裂。究其原因主要是藥芯自保護焊接焊縫上容易產生較多的焊接缺陷，而且通過射線探傷對這些缺陷難以判定或判定為合格。圖5是X70自保護藥芯焊絲環焊接頭典型焊接缺陷。由于自保護藥芯焊絲焊接自身的工藝特點所致[6]，這些焊接缺陷包括氣孔、夾渣、未熔合等，而且夾渣的數量最多，其形貌及能譜分析如圖6所示。自保護藥芯焊絲焊接主要的是通過在藥芯中加入造渣、造氣、脫氧、脫氮的礦物粉來保證焊縫金屬的組織、力學性能及成形性。從圖6的能譜分析可以看出氧、鋁、鎂、鋇等元素是自保護藥芯焊絲熔渣主要成分[7]。因此，自保護藥芯焊絲焊接缺陷與工藝自身特點密切相關。

圖4 環焊接頭維氏硬度分布

這些焊接缺陷一方面可能位于沖擊試樣缺口根部啟裂或裂紋擴展面上，對沖擊韌性不利[8]，從而導致沖擊韌性值離散，另一方面對焊接接頭的抗載荷能力和彎曲變形能力也有影響，甚至會成為裂紋擴展源導致管道環焊縫接頭失效。圖7為金相橫截面上宏觀可見缺陷的數量與拉伸斷于熱影響區或彎曲拉伸面開裂數量的關系。從圖7可以看出，二者呈線性相關，即自保護藥芯焊絲焊接環焊接頭中，缺陷數量越多，拉伸試樣越有可能斷于焊縫或熱影響區，而且彎曲試樣的拉伸面也容易出現較多的裂紋甚至斷裂。實際上，自保護藥芯焊絲環焊縫接頭的焊接缺陷數量與焊工操作水平也密切相關，如圖8所示。因此，為了保證管道安全，提升藥芯自保護焊接環焊縫接頭質量，焊接操作者的水平和質量意識起著至關重要的作用。

圖5 X70藥芯自保護焊接環焊縫接頭典型焊接缺陷

圖6 藥芯焊絲自保護焊接夾渣形貌及其能譜分析

圖7 缺陷與拉伸斷裂位置和彎曲開裂的關系

圖8 焊工組合與焊接缺陷出現概率的關系

3 結論

(1)采用ER70S-G STT根焊與E551T8-K2自保護藥芯焊絲進行熱焊、填充和蓋面焊接X70高強度管道，環焊縫接頭具有較好的力學性能。

(2)影響自保護藥芯焊絲環焊接頭力學性能的主要因素是焊縫中的夾渣、氣孔和未熔合等焊接缺陷。

(3)焊接缺陷不僅與自保護藥芯焊絲焊接的工藝特點有關，還與焊接操作水平和質量意識密切相關。