方總濤，李春潤，牛虎理，胡艷華

（中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300451）

海底管道通常采用鋪管船法進(jìn)行施工[1]，對鋪設(shè)速度要求較高，因而對焊接流水作業(yè)線的速度要求也較高，國內(nèi)外逐步采用雙焊炬自動(dòng)焊技術(shù)[2]。焊接完成后，要求短時(shí)間內(nèi)即進(jìn)行探傷、補(bǔ)口等作業(yè)，但是焊后焊接接頭處于高溫狀態(tài)，無法進(jìn)行探傷工序的操作，故需要快速降溫，需增加特殊的噴淋工藝環(huán)節(jié)，以使焊接接頭迅速降溫達(dá)到超聲探傷的要求[3]。另外，由于管道服役溫度通常較低，焊接過程常常使焊接接頭的組織性能劣化及產(chǎn)生缺陷，使焊接缺陷處成為整個(gè)壓力管道中最薄弱的部位，易產(chǎn)生裂紋起裂、擴(kuò)展甚至失穩(wěn)斷裂，對此類管線的焊接質(zhì)量要求很高[4]。因此，有必要對焊接接頭的低溫韌性進(jìn)行研究。

大量試驗(yàn)研究表明，CTOD（crack tip opening displacement,裂紋尖端張開位移）斷裂韌度是評價(jià)鋼材及焊接接頭抗脆斷特性的重要參量。與傳統(tǒng)的夏比V形缺口沖擊韌性相比，CTOD更能有效準(zhǔn)確地評價(jià)鋼材的抗脆斷能力[5]。通過CTOD試驗(yàn)不僅可以進(jìn)行材料韌度選擇，還可以為評定結(jié)構(gòu)的安全可靠性提供試驗(yàn)依據(jù)。目前在國內(nèi)管線鋼的設(shè)計(jì)、建造領(lǐng)域，尚未見到有關(guān)雙焊炬自動(dòng)焊焊接接頭韌性方面的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，針對雙焊炬自動(dòng)焊焊接接頭CTOD斷裂韌性開展的試驗(yàn)研究具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)

國際上由英國焊接研究所提出的測試斷裂韌度 KIC、 CTOD值（δ）和JIC的統(tǒng)一試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)BS7448，受到國際焊接學(xué)會(huì)的重視并予以推廣應(yīng)用[6]。目前已被國際標(biāo)準(zhǔn)局 （ISO）采納，編號(hào)為ISO／TC164／SC4－N400。其中 BS7448:1991-Part1《確定金屬材料 KIC、臨界 CTOD和 J積分的方法》與BS7448:1997-Part2《確定焊縫 KIC、臨界 CTOD和J積分的方法》試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)已在工程界得到了普遍采用[7-8]。本研究依據(jù)該試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對X65鋼雙焊炬自動(dòng)焊焊接接頭的焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行低溫特征CTOD值的測試。

為確保CTOD試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，要求試驗(yàn)結(jié)果不但要符合BS7448標(biāo)準(zhǔn)，而且還要符合挪威船級(jí)社DNV-OS-C401[9]標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。

2 試樣制備

試驗(yàn)采用X65管線鋼管，開U形坡口，5點(diǎn)位置焊接，焊接方法為雙焊炬自動(dòng)焊下向焊打底、填充、蓋面[10-11]。焊接采用兩臺(tái)Fronius TPS 3200對稱施焊，層間溫度控制在200℃以下，制備帶預(yù)制疲勞裂紋的三點(diǎn)彎曲（TPB）標(biāo)準(zhǔn)試樣。

2.1 截取試樣

根據(jù)試樣尺寸為B×2B（B為試樣厚度），缺口方向?yàn)镹P的要求，在線切割機(jī)上從壁厚22.2 mm，外徑610 mm的管材上截取，再對試樣進(jìn)行分組編號(hào)登記。CTOD試樣的取樣位置及機(jī)械加工方向如圖1所示，試樣長度應(yīng)平行于管道軸線，寬度位于圓周方向。裂紋尖端線位于厚度方向，試樣厚度應(yīng)等于管壁厚度。

圖1 CTOD試樣的取樣位置及機(jī)械加工方向

2.2 機(jī)械加工缺口

確定缺口位置，參照BS7448標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)記切割加工線，并要求保證切割線所在平面與試樣切割面的垂直角度為90°±5°。焊縫試件劃在焊縫金屬區(qū)的正中間位置（WCL）；對熱影響區(qū)（HAZ）試件，由于采用U形坡口、多層焊接，故實(shí)際接頭熔合線不很規(guī)則，要保證疲勞裂紋尖端距熔合線的距離≤0.5 mm非常困難。經(jīng)過分析，最優(yōu)的方案是過B/2線與熔合線交點(diǎn)劃線。在線切割機(jī)上用0.08 mm的鉬絲加工機(jī)械缺口。在確定缺口位置時(shí)，須采用金相腐蝕劑顯現(xiàn)出焊縫輪廓，以保證預(yù)制裂紋尖端分別位于焊縫和HAZ對應(yīng)的位置。焊縫及HAZ試件缺口位置分別如圖2所示。

圖2 焊縫及HAZ試件的缺口位置

2.3 預(yù)制疲勞裂紋

采用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)在室溫下預(yù)制疲勞裂紋。在預(yù)制疲勞裂紋過程中，應(yīng)隨時(shí)觀測、監(jiān)控疲勞裂紋的擴(kuò)展長度與方向，應(yīng)控制裂紋不要擴(kuò)展太快，在最后的1.3 mm內(nèi)，可以適當(dāng)增大疲勞載荷比，以避免使試件表面裂紋擴(kuò)展量大于試樣內(nèi)部擴(kuò)展量太多。同時(shí)應(yīng)保證最終的預(yù)制疲勞裂紋和線切割長度之和在 （0.45～0.70）W （焊縫和HAZ）范圍內(nèi)，W為試樣寬度。未噴淋試樣最終尺寸見表1，噴淋處理后試樣最終尺寸見表2。

表1 5℃下未噴淋試樣的尺寸

表2 5℃下噴淋處理后試樣的尺寸

3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)在1 000 kN電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上完成，試驗(yàn)程序遵循BS7448標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與記錄。

3.1 試驗(yàn)步驟

（1）用游標(biāo)卡尺精確測量每個(gè)試件的B，W和Z（刀口厚度），測量精度為0.02 mm。

（2）試驗(yàn)時(shí)先將試件浸在有珍珠巖填充物夾層的冷卻槽中進(jìn)行冷卻，槽內(nèi)盛有干冰、酒精低溫介質(zhì)。待溫度達(dá)到5℃后保溫，每個(gè)試件均保溫20 min以上。試驗(yàn)過程當(dāng)中低溫介質(zhì)液面超過試件上表面2～3 mm，并用溫度計(jì)進(jìn)行溫度監(jiān)控測量，溫度變化控制在±2℃。

（3）采用一次加載方式直到試樣失穩(wěn)破壞，加載速率控制在（0.5～1.0）mm/min范圍內(nèi)，并同時(shí)記錄試樣載荷-位移（P－V）曲線。

（4）試樣失穩(wěn)破壞后，從低溫箱中取出，對斷口烘干處理后在試驗(yàn)機(jī)上快速壓斷試樣。從斷裂試樣上取下斷口用工具顯微鏡測量試件的裂紋長度。具體方法為：沿試件厚度方向取9個(gè)測試位置分別測量，其中最外側(cè)的兩個(gè)點(diǎn)位于距試件表面1%B處。然后在這兩個(gè)點(diǎn)之間等間距的取7個(gè)測試位置。計(jì)算平均裂紋深度的公式為

（5）數(shù)據(jù)處理：根據(jù)P－V曲線上的最大載荷值F（N）得對應(yīng)最大載荷時(shí)的塑性張開位移VP（mm）。CTOD的計(jì)算公式為

式中：E—彈性模量，2.1×105MPa；

γ—泊松比，γ=0.3；

B—試樣厚度，mm；

W—試樣寬度，mm；

Z—刀口厚度，Z=2 mm；

S—三點(diǎn)彎曲時(shí)試樣的跨度，mm；

δys—裂紋尖端處材料的屈服強(qiáng)度。計(jì)算HAZ的CTOD時(shí)，δys取母材和焊縫中較大者，其中焊縫的δys=535 MPa，HAZ的δys=535 MPa。

f（a0/W）—試樣幾何形狀尺寸，f（a0/W）=｛3（a0/W）0.5[1.99-（a0/W）（1-a0/W）（2.15-3.93a0/W+2.7a0/W）]｝/[2(1+2a0/W)（1-2a0/W）1.5]。

3.2 有效性判別

BS7448標(biāo)準(zhǔn)對焊接接頭斷裂韌度試樣有效性的規(guī)定要求如下：

（1） 試樣平均裂紋深度 a0=（0.45～0.70）W，機(jī)械缺口寬度最大為0.065W；

（2）在斷口上測量初始裂紋深度a0時(shí)，要求任意兩個(gè)裂紋深度的差值均不大于a0的20%；

（3）在斷口上預(yù)制疲勞裂紋的最小值應(yīng)不小于1.3 mm和2.5%W兩者中的較大值；

（4）預(yù)制疲勞裂紋擴(kuò)展方向與垂直試樣長度方向的夾角應(yīng)不大于10°；

（5）對于熱影響區(qū)試件，還需對斷口晶粒進(jìn)行金相分析，從而確定裂紋尖端在粗晶區(qū)的試驗(yàn)結(jié)果才為有效；

（6） 當(dāng)出現(xiàn) “pop－in”（突躍） 時(shí)，由載荷下降導(dǎo)致的位移增加小于1%時(shí)可忽略不計(jì)，大于l%而小于5%時(shí)，進(jìn)行斷口金相分析以確定裂紋起裂的有效區(qū)域，大于5%時(shí)確定為裂紋起裂，并以此時(shí)載荷計(jì)算CTOD值。

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

典型的P－V曲線如圖3所示。

5℃下焊縫和HAZ的CTOD計(jì)算結(jié)果分別見表3和表4。典型試樣的宏觀斷口形狀如圖4所示。

試驗(yàn)中的12件試樣都獲得很好的裂紋前緣形狀，全部試樣裂紋前緣任意兩個(gè)裂紋深度的差值都小于a0的20%，a/W均小于0.7，完全符合BS7448標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。按照國際通用的海洋結(jié)構(gòu)物建造和試驗(yàn)規(guī)范DNV-OS-C401[5]的規(guī)定，若3個(gè)有效試樣的CTOD值都不小于0.15 mm為合格，則由表3和表4可知，無論噴淋還是未噴淋試樣，3個(gè)有效HAZ試樣的CTOD值都大于0.15 mm，故符合規(guī)范要求；3個(gè)有效焊縫試樣的CTOD值都大于0.15mm，因此均符合規(guī)范要求。同時(shí)對比自然空冷和噴淋冷卻的焊接接頭CTOD值后發(fā)現(xiàn)噴淋對CTOD值沒有顯著影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，X65鋼雙焊炬自動(dòng)焊焊接接頭的CTOD值較大，斷口呈現(xiàn)韌性斷裂。這表明焊接接頭具有良好的低溫韌性，能較好地滿足海洋管線服役性能的要求，選用的焊接方法和工藝可用于海底管線的建造施工。

圖3 典型的P－V曲線

表3 5℃下未噴淋試樣斷裂韌度結(jié)果

表4 5℃下噴淋試樣斷裂韌度結(jié)果

圖4 典型試樣的宏觀斷口

海底管線焊接的關(guān)鍵之一是保證焊接接頭有足夠的低溫韌性，嚴(yán)格控制焊接熱輸入。用CTOD試驗(yàn)評價(jià)焊接接頭韌性，效果良好，CTOD試驗(yàn)可以指導(dǎo)焊接材料、母材的選擇及焊接工藝的制訂，為結(jié)構(gòu)安全可靠性的評定提供試驗(yàn)依據(jù)?？傊瑧?yīng)用CTOD試驗(yàn)評價(jià)焊接接頭的韌度具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

（1）X65鋼雙焊炬自動(dòng)焊焊接接頭的CTOD值較大，斷口呈現(xiàn)韌性斷裂。選用的焊接方法和工藝可用于海底管線的建造施工。

（2）焊后噴淋冷卻對CTOD值沒有顯著影響。從總體上看，HAZ的CTOD值一般大于焊縫區(qū)的值，即HAZ的低溫?cái)嗔秧g性要好于焊縫，因此焊縫是結(jié)構(gòu)最薄弱的部位。

（3）應(yīng)用英國BS7448斷裂韌度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對X65鋼雙焊炬自動(dòng)焊焊接接頭焊縫和HAZ的CTOD斷裂韌性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，該試驗(yàn)結(jié)果為焊接方法和焊接規(guī)范參數(shù)的選擇提供了重要依據(jù)。

［1］葉瑋.海底管道新型鋪管方法［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006：3-8.

［2］李國興，牛益民，王營.大口徑海底管道工程焊接工藝［J］.焊接技術(shù)，2013，42（08）：25-28.

［3］牛虎理，李春潤，王志堅(jiān)，等.渤海灣海底管道焊接及安全性控制技術(shù)研究［J］.石油工程建設(shè)，2010，36（05）：25-28.

［4］FANG Zongtao，SUN Bo，LI Chunrun.Experimental Study on CTOD Fracture Toughness of Welded Joints of Low Temperature Steel ［J］.Advanced Materials Research，2011（328-330）：1272-1276.

［5］霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評定［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000：46-77.

［6］鄧彩艷，張玉鳳，霍立興，等.X65管線鋼焊接接頭CTOD斷裂韌度［J］.焊接學(xué)報(bào)，2003，24（03）：13-16.

［7］BS 7448：Part 1：1991，F(xiàn)racture Mechanics Toughness Tests.Part 1，Method for Determination of KIC，Critical CTOD and Critical J Values of Metallic Materials［S］.

［8］BS 7448：Part 2：1997，F(xiàn)racture Mechanics Toughness Tests.Part 1，Method for Determination of KIC，Critical CTOD and Critical J Values of Welds in Metallic Materials［S］.

［9］DNV-OS-C401：2001，F(xiàn)abrication and Testing of Offshore Structures［S］.

［10］API STANDARD 1104—2008，Welding of Pipelines and Related Facilities［S］.

［11］DNV-OS-F101：2010，Submarine Pipeline Systems［S］.