X70管道環(huán)焊縫強(qiáng)度的小試樣測(cè)試技術(shù)

孫永輝, 尤景澤, 商學(xué)欣, 劉 凱, 王漢奎

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院, 北京 100029)

長(zhǎng)輸管線的安全運(yùn)行對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展具有重要意義。長(zhǎng)輸管線是由一系列平均長(zhǎng)度約為10 m的螺旋焊管或直縫管段通過對(duì)接環(huán)焊縫連接而成的[1-2]。長(zhǎng)輸管線對(duì)接環(huán)焊縫的施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、現(xiàn)場(chǎng)受多種約束條件的限制,使得環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量穩(wěn)定性較差[1-7]。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)材料

筆者以已經(jīng)投入使用的X70管線鋼焊接接頭為研究對(duì)象：首先對(duì)試樣上、下游(上游為管道某個(gè)環(huán)焊縫的石油、天然氣供給方向；下游為管道某個(gè)環(huán)焊縫的石油、天然氣接收方向)母材以及環(huán)焊縫進(jìn)行化學(xué)成分分析，確認(rèn)了材料化學(xué)成分及焊接方式與原記錄相符[4,7]；然后通過硬度試驗(yàn)測(cè)定環(huán)焊縫及周圍材料的硬度分布；再分別對(duì)試樣上、下游母材以及環(huán)焊縫材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；最后采用小拉伸試樣對(duì)環(huán)焊縫材料進(jìn)行逐層測(cè)試，為了驗(yàn)證小試樣拉伸結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)試樣母材進(jìn)行小試樣拉伸試驗(yàn)。

試樣的主體材料為X70鋼[1-2]，設(shè)計(jì)輸送壓力為10 MPa，外徑為1 016 mm，壁厚為17.5 mm，管線對(duì)接環(huán)焊縫的焊接方式為手工電弧焊(SMAW)打底，藥心焊絲焊填充(FACW)，每層焊縫金屬高度約為3 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀分析試樣上、下游母材以及環(huán)焊縫的化學(xué)成分，分析結(jié)果如表1所示。試樣上、下游母材化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中對(duì)X70鋼化學(xué)成分的要求；與母材相比，環(huán)焊縫材料中含有較多鋁元素。

表1 X70鋼試樣化學(xué)成分 %

2.2 硬度試驗(yàn)

試樣環(huán)焊縫的最大硬度為224 HV，位置為熱影響區(qū)內(nèi)的粗晶區(qū)，最小硬度為164 HV，位置為焊縫填充金屬內(nèi)。環(huán)焊縫金屬的硬度主要分布在170～190 HV，母材硬度主要為200～220 HV，環(huán)焊縫金屬硬度低于母材硬度。在環(huán)焊縫內(nèi)部，材料硬度也呈明顯的分層特征。環(huán)焊縫內(nèi)不同硬度區(qū)域所對(duì)應(yīng)的材料強(qiáng)度也有差異，為測(cè)量環(huán)焊縫內(nèi)不同層的強(qiáng)度，采用小試樣試驗(yàn)技術(shù)對(duì)環(huán)焊縫內(nèi)不同層的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

2.3 整體拉伸試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，將試樣上、下游母材制成直徑為10 mm的棒狀拉伸試樣，環(huán)焊縫材料制成直徑為5 mm的棒狀拉伸試樣，取樣方向均為環(huán)向取樣，試驗(yàn)結(jié)果分別如表2，3所示，拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。結(jié)果表明：環(huán)焊縫材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于母材20%以上，環(huán)焊縫材料的屈強(qiáng)比平均為0.78，而母材的屈強(qiáng)比平均為0.89，環(huán)焊縫材料與母材斷后伸長(zhǎng)率比較接近。

表2 試樣上、下游母材金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 試樣環(huán)焊縫金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖1 試樣上、下游母材與環(huán)焊縫金屬拉伸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.4 小試樣拉伸試驗(yàn)

管線鋼環(huán)焊縫的體積較小，僅可以取出直徑為5 mm的圓棒拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果可表征環(huán)焊縫材料的整體性能。為研究環(huán)焊縫材料內(nèi)不同層的力學(xué)性能差別，采用小拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由原始試樣先分層加工至厚度為0.9～1 mm，然后通過雙面研磨機(jī)對(duì)其表面進(jìn)行磨拋至厚度為0.75 mm，總長(zhǎng)度為50 mm的試樣，小拉伸試樣如加工過薄，可能會(huì)導(dǎo)致試樣加工形變，其取樣位置和拉伸完的試樣分別如圖2，3所示。環(huán)焊縫不同區(qū)域所對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度分布結(jié)果如圖4所示。對(duì)環(huán)焊縫區(qū)域相同層的硬度試驗(yàn)結(jié)果與小試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩種試驗(yàn)對(duì)環(huán)焊縫區(qū)域同一層所得的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果是一致的。

圖2 小拉伸試樣取樣部位

圖3 小拉伸試樣試驗(yàn)前后宏觀形貌

圖4 環(huán)焊縫不同區(qū)域?qū)?yīng)的強(qiáng)度分布

3 結(jié)論

(1) 高鋼級(jí)管道焊材和焊接工藝的不同，以及焊接工藝參數(shù)的波動(dòng)導(dǎo)致了環(huán)焊縫不同微區(qū)的性能差異較大，小試樣測(cè)試技術(shù)可以較好地揭示環(huán)焊縫的微區(qū)性能。

(2) 環(huán)焊縫金屬硬度主要分布在170～190 HV，母材硬度主要分布在200～220 HV，環(huán)焊縫金屬硬度低于母材硬度。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)焊縫金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于母材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

(3) 環(huán)焊縫金屬的小試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明：在環(huán)焊縫內(nèi)部，不同區(qū)域的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度不同，靠近根部的焊縫金屬?gòu)?qiáng)度更低，但整體焊縫金屬?gòu)?qiáng)度低于母材強(qiáng)度。環(huán)焊縫金屬的低強(qiáng)度會(huì)影響管道整體受載變形過程中的局部應(yīng)力應(yīng)變分布，小試樣技術(shù)可在高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫的斷裂行為研究中發(fā)揮重要作用。