圖 1取樣位置示意
近年來，中國的長輸管線建設取得了前所未有的發(fā)展，西氣東輸、中亞管線、中俄東線等重大管道工程相繼建設。長輸管線材料主要采用X70、X80管線鋼，其口徑大、壓力高，因此管道的安全性能尤為重要。
長輸管道現(xiàn)在唯一的連接方式是焊接，環(huán)焊縫接頭的性能和質(zhì)量對管道運行期間的穩(wěn)定性和安全性有決定作用[1-6]。國家管網(wǎng)標準DEC-OGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術規(guī)定》對油氣管道的焊接方法、焊接材料、焊接工藝評定，以及現(xiàn)場焊接質(zhì)量進行了規(guī)定，要求對L485（X70）及以上鋼級管道環(huán)焊縫焊接接頭進行CTOD（裂紋尖端張開位移）試驗。有許多文獻[7-11]也對高鋼級管線鋼進行了CTOD試驗。
筆者對某管道工程焊接工藝進行評定，觀察了焊縫的宏觀形貌和顯微組織，測試了焊接接頭的關鍵力學性能，并對試驗結(jié)果進行了分析，為提升長輸管線環(huán)焊縫接頭質(zhì)量提供了試驗依據(jù)。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗對象為1 219 mm×22.0 mm（外徑×壁厚）的X80M鋼對接環(huán)焊縫接頭。取樣位置如圖1所示。平焊位取樣位置為0點方向，立焊位取樣位置為3點方向，仰焊位取樣位置為6點方向。
在環(huán)焊縫接頭平焊位、立焊位和仰焊位焊縫橫截面上截取金相試樣，用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡觀察焊縫的宏觀形貌和顯微組織。
在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限取焊接接頭板狀拉伸試樣，試樣平行段寬度為19 mm。在平焊位和仰焊位截取全焊縫棒狀拉伸試樣，試樣平行段直徑為10 mm，標距為50 mm，分別采用SHT4106型和UTM5305型材料試驗機進行拉伸試驗。在平焊位、立焊位和仰焊位焊縫中心和熔合線的內(nèi)表面、外表面截取沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm（長度×寬度×高度），采用PIT752D-2型沖擊試驗機進行沖擊試驗。試驗溫度為－10 ℃，每組測3個試樣，取平均值。采用KB30BVZ-FA型維氏硬度計在立焊位和仰焊位截取焊接接頭硬度試樣，進行維氏硬度測試，壓痕位置如圖2所示。
圖 2維氏硬度試驗壓痕位置示意
分別在焊口平焊位、立焊位和仰焊位的焊縫和熔合線處各取1件CTOD試樣，試樣為三點彎曲試樣，試樣公稱寬度為32 mm，厚度為16 mm。采用整體刀口試樣。依據(jù)標準GB/T 21143—2014《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》，GB/T 28896—2013《金屬材料 焊接接頭準靜態(tài)斷裂韌度測定的試驗方法》，加載速率為1 mm/min；采用斷口分析儀對裂紋長度進行測量，測量精度為0.001 mm。
2. 試驗結(jié)果與討論
2.1 宏觀形貌和顯微組織
不同焊接位置處焊接接頭的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：平焊位，立焊位和仰焊位焊接接頭均無氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷，焊接層數(shù)均為10層11道。焊接接頭的顯微組織形貌如圖4所示。母材組織由粒狀貝氏體組成，焊縫組織由晶內(nèi)成核針狀鐵素體加少量的粒狀貝氏體和多邊鐵素體組成，粗晶區(qū)組織由粒狀貝氏體組成，細晶區(qū)組織由多邊鐵素體和少量的馬氏體、奧氏體島狀組織組成。
圖 3不同焊接位置處焊接接頭的宏觀形貌
圖 4焊接接頭的顯微組織形貌
2.2 力學性能
2.2.1 拉伸性能
焊接接頭的拉伸試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知：4個象限焊接接頭的抗拉強度基本相同，且都在母材區(qū)斷裂。
Table 1.焊接接頭的拉伸試驗結(jié)果
平焊位和仰焊位全焊縫拉伸應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可知：兩個全焊縫拉伸試樣的屈服強度和抗拉強度也很接近，說明環(huán)焊縫接頭在各個象限的強度比較均勻。
圖 5平焊位和仰焊位全焊縫拉伸應力-應變曲線
2.2.2 沖擊性能
焊接接頭的夏比沖擊試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知：立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量比平焊位和仰焊位低。平焊位和仰焊位焊縫和熱影響區(qū)的韌性更好。平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的沖擊吸收能量低于熱影響區(qū)。
Table 2.焊接接頭的夏比沖擊試驗結(jié)果
2.2.3 硬度
焊接接頭的維氏硬度測試結(jié)果如表3所示。由表3可知：立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均硬度高于仰焊位。立焊位焊縫的硬度比熱影響區(qū)高，仰焊位焊縫和熱影響區(qū)的硬度基本相同。
Table 3.焊接接頭的維氏硬度測試結(jié)果
2.2.4 CTOD試驗
焊接接頭的CTOD試驗結(jié)果如表4所示（按GB/T 21143—2014標準計算的CTOD值為δm1，按ISO 15653—2018《金屬材料 焊接的準靜態(tài)斷裂測定用試驗方法》標準計算的CTOD值為δm2，Vg為總?cè)笨趶堥_位移，V為缺口張開位移）。由表4可知：按照ISO 15653—2018計算的CTOD值比按照GB/T 21143—2014計算的值高35%左右；平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的CTOD值均低于熱影響區(qū)，這與沖擊試驗結(jié)果一致。在管線鋼領域，夏比沖擊試驗與CTOD試驗通常用來測試評價材料的韌性。沖擊吸收能量與CTOD值越高，材料的韌性越好。
Table 4.焊接接頭的CTOD試驗結(jié)果
CTOD試樣斷口宏觀形貌如圖6所示。由圖6可知：斷口由4部分組成，分別是黑色的機械加工缺口、灰色的預制疲勞裂紋區(qū)、較深色的裂紋擴展區(qū)和壓斷區(qū)。
圖 6CTOD試樣斷口宏觀形貌
3. 結(jié)論
（1）平焊位，立焊位和仰焊位焊接接頭均無氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷。母材組織由粒狀貝氏體組成，焊縫組織由晶內(nèi)成核針狀鐵素體加少量的粒狀貝氏體、多邊鐵素體組成，粗晶區(qū)組織由粒狀貝氏體組成，細晶區(qū)組織由多邊鐵素體和少量的馬氏體、奧氏體島狀組織組成。
（2）環(huán)焊縫焊接接頭在4個象限的抗拉強度基本相同，平焊位和仰焊位全焊縫拉伸試樣的屈服強度和抗拉強度也很接近，說明環(huán)焊縫接頭在各個象限的強度比較均勻。
（3）立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量比平焊位和仰焊位低。立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均硬度高于仰焊位。平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的CTOD值均低于熱影響區(qū)，這與沖擊試驗結(jié)果一致。在管線鋼領域，通常用夏比沖擊試驗與CTOD試驗來評價材料的韌性。沖擊吸收能量與CTOD值越高，材料的韌性越好。
文章來源——材料與測試網(wǎng)