任俊杰 ，馬衛(wèi)鋒 ，惠文穎 ，羅金恒 ，王 珂 ，馬秋榮 ，霍春勇

1.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.中國石油集團石油管工程技術研究院，陜西西安 710077

3.中國石油天然氣股份有限公司西部管道分公司，新疆烏魯木齊 830013

油氣管道長時間服役后，因為焊縫缺陷導致管道失效的案例屢見不鮮。根據(jù)美國管道安全辦公室統(tǒng)計結果，1985—1996年，因管道焊縫問題導致輸送危險液體管道和天然氣管道失效的事故率分別占12%和8%[1-3]。在我國，焊縫導致管道失效的問題顯得尤為突出，1986年10月至1996年12月，達臥線共發(fā)生30次爆管事故，其中27次發(fā)生于環(huán)焊縫，占比高達90%[4]。近10年來，隨著高鋼級大口徑管道的大量建設和投產(chǎn)，在管道試壓階段和投產(chǎn)運行初期就發(fā)生了30余起環(huán)焊縫開裂和泄漏事故，70%以上是由于環(huán)焊縫缺陷引起的。此外，油氣輸送場站內(nèi)管道及儲運設施環(huán)焊縫失效事故也多有發(fā)生[5-6]。2011年，某天然氣管道壓氣站內(nèi)壓縮機進出口工藝管道與法蘭對接環(huán)焊縫試壓時發(fā)生爆裂事故，整個車間幾乎需要重建，經(jīng)濟損失嚴重。可見，環(huán)焊縫的服役安全和失效預防控制技術已經(jīng)成為當前管道安全服役面臨的重要工程問題。

管道環(huán)焊縫的失效模式主要為斷裂，斷裂行為研究是掌握其失效機理的關鍵。目前，多數(shù)研究集中在對環(huán)焊縫不同特征區(qū)域的強韌性分布規(guī)律的精確表征和掌握，本文從研究手段和研究熱點問題兩個角度總結分析了國內(nèi)外環(huán)焊縫強韌性研究現(xiàn)狀。

1 高鋼級管道環(huán)焊縫研究手段

環(huán)焊縫研究常用的測試手段主要有強度、沖擊韌性、斷裂韌性等，由于顯微組織和硬度又與力學性能密切相關，金相檢驗和硬度測試也是常用的表征手段。此外，焊接熱模擬技術和有限元分析也在焊接接頭的理論研究上發(fā)揮了重要作用。下面對幾種常用的方法進行簡要介紹。

1.1 基礎力學性能測試

對環(huán)焊縫處基礎力學性能的檢測主要包括抗拉強度、夏比沖擊韌性（CVN）、斷裂韌性、彎曲、硬度等。檢測技術主要參考質(zhì)量控制、檢測方法的國家或者企業(yè)標準，比如GB/T9711《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》、GB/T 2652《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》、GB/T 2650《焊接接頭沖擊試驗方法》、GB/T 2653《焊接接頭彎曲試驗方法》、GB/T 2654《焊接接頭硬度試驗方法》、BS 7448“ Fracture mechanics toughness tests”等標準中，均有適用于焊接接頭的檢測方法，可以為相應檢測的實施提供依據(jù)。

1.2 焊接熱模擬技術

焊接熱模擬技術是模擬焊接熱循環(huán)及焊接應力-應變對焊接熱影響區(qū)中某個區(qū)段性能的影響，側重于熱影響區(qū)的研究[7]，利用該技術可以研究金屬的焊接熱影響區(qū)的力學性能、焊接接頭的高溫強度、焊接接頭的脆化及軟化等。同時，還可以將焊接熱影響區(qū)的范圍放大，從而為研究某特定區(qū)域的性能特征提供便利[8]。但是，焊接熱模擬技術是基于定量的熱循環(huán)模擬，而現(xiàn)場應用的環(huán)焊縫焊接參數(shù)無法精準地測量，這就使得其與現(xiàn)場根據(jù)不同焊接工藝規(guī)程焊接的環(huán)焊縫有著本質(zhì)的區(qū)別，不能完全反映現(xiàn)場實際環(huán)焊縫的性能指標。

1.3 顯微組織和斷口形貌分析

高鋼級管道環(huán)焊縫所涉及的材質(zhì)很多，包括低鋼級管道和不同焊接工藝規(guī)程規(guī)定的焊材，但從物相上劃分，均為常見的鐵碳相，例如鐵素體、粒狀貝氏體、多邊形鐵素體、珠光體等。常見的顯微組織分析手段包括金相顯微鏡觀察、掃描電鏡（SEM）觀察、電子背散射衍射（EBSD）等。

斷口形貌分析可以在破壞性測試過后對環(huán)焊縫的斷裂行為進行分析，斷口形貌分析根據(jù)觀察尺度的不同分為宏觀形貌分析和微觀形貌分析，宏觀形貌照片往往包含整個斷裂面，反映與力學測試曲線對應的不同破壞階段，而微觀形貌照片可以反映晶粒尺寸大小、物相和韌窩等微觀斷裂形貌。

1.4 沖擊韌性試驗研究

對于管道而言，要避免脆性斷裂。夏比沖擊（CVN） 和落錘撕裂試驗（DWTT） 是考察材料韌、脆性斷裂較常用的手段。參考標準有ISO 148-1“Metallic materials—Charpy pendulum impact test— Part 1:Test method”、ASTMA370“Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products”、SY/T 6476《輸送鋼管落錘撕裂試驗方法》等。CVN和DWTT測試具有實施方便快捷的特點，而且低溫試驗也較容易實現(xiàn)。但是CVN和DWTT測試前需要確定刻槽位置，按照GB/T9711[9]的要求，對于管體焊接接頭，僅對熔合線處刻槽驗證整個焊接接頭的夏比沖擊性能，GB/T 2650給出了刻槽的實施標準方法，并沒有給出需要重點關注的區(qū)域[10]，事實上環(huán)焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)又細分了多個不同的組織結構區(qū)域，這就給試驗方案的制訂和實施提出了更高的要求，而且對于結構和材質(zhì)不同的焊接接頭，其薄弱區(qū)域的位置并不相同。

1.5 裂紋尖端張開位移試驗研究

裂紋尖端張開位移（CTOD）試驗主要是用于考察管道啟裂時的韌性和斷裂行為，可以獲得定量的抗斷裂能力。參考標準有ISO 12135“Metallic materials—Unified method oftest for the determination of quasistatic fracture toughness”、 ASTM E1290“Standard test method for crack-tip opening displacement （CTOD） fracture toughness measurement”、GB/T 21143《金屬材料準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》等。相比夏比沖擊韌性，CTOD更能有效準確地評價材料的抗脆斷能力，并且可以為結構的安全評定提供試驗依據(jù)。CTOD試樣的缺口位置也面臨與夏比沖擊類似的問題，即環(huán)焊縫熱影響區(qū)內(nèi)的刻槽位置需要充分考慮組織結構的分布。

1.6 有限元仿真

有限元仿真是環(huán)焊縫斷裂行為基礎理論研究的另一個有效方法，試驗成本低，可以在實物試驗前預測結構材料的力學性能。目前，有限元計算主要用于高鋼級管道環(huán)焊縫的應力-應變研究，如董俊慧等人[11]利用ADINA軟件研究了環(huán)焊縫及附近的殘余應力，帥健等人[12]模擬了裂紋尖端的應力分布及撕裂過程。也有學者利用有限元方法對管道環(huán)焊縫的缺陷進行了模擬，如羅福強等人[13]利用有限元仿真模型研究了不同尺寸缺陷的漏磁特征。Paredes等人[14]對帶缺陷的強度錯配環(huán)焊縫在彎曲載荷下進行了數(shù)值模擬。有限元計算的要點是合適的仿真建模與合適的計算模型，其中，由于環(huán)焊縫處微區(qū)范圍內(nèi)，尤其是熱影響區(qū)的組織結構和力學性能的巨大差異，使得仿真建模的難度有所提高，并且對于各種不同組織結構材料的性能測定也是難點，所以目前鮮有將有限元仿真用于環(huán)焊縫韌性分布的研究。

2 高鋼級管道環(huán)焊縫性能研究重點

2.1 高鋼級管道環(huán)焊縫的性能設計

在進行焊接接頭設計時，焊縫的承載能力是倍受關注的問題，近年來，已經(jīng)有學者對高鋼級管道環(huán)焊縫應力-應變能力進行了大量研究。帥健等[12]為了評價高鋼級管道環(huán)焊縫的應變能力，建立了整個環(huán)焊縫的有限元模型，依據(jù)斷裂韌性準則，研究了材料性能等因素與管道應變能力之間的關系。莊傳晶等[15]研究了高強度管線鋼環(huán)焊縫強度匹配對管道性能的影響。Hiroyuki等[16]研究了強度錯配和應變強化容量對X80管線鋼環(huán)焊縫斷裂性能的影響。馬朝暉[17]研究了基于應變設計X70管線鋼管高強匹配環(huán)縫焊接性。性能設計研究多以環(huán)焊縫整體為研究對象，重點關注環(huán)焊縫區(qū)域的承載能力，為基于應力-應變的高鋼級管道的設計和安全評價提供技術依據(jù)。

2.2 高鋼級管道環(huán)焊縫的缺陷安全評估

在缺陷安全評估方面，國外已經(jīng)建立了管道完整性管理體系和相關技術標準和做法，如ASME B31G、CEGB R6、CEGB R5、API 579、BS 7910等。但是上述安全評估方法和標準主要是針對管道的體積型缺陷和裂紋型缺陷，對于焊縫缺陷，API 579[18]和BS 7910[19]給出了部分缺陷的評價方法，如環(huán)焊縫錯邊、直焊縫噘嘴等。也有國外學者進行了基于缺陷的安全計算研究，Hiroyuki等人[16]使用有限元方法對X80管線鋼環(huán)焊縫錯配進行了分析。Carlucci等人[20]也使用有限元方法對環(huán)焊縫裂紋的萌生和擴展進行模擬。

國內(nèi)學者也對高鋼級環(huán)焊縫的安全評估進行了大量研究。武明明等人[21]對西氣東輸X80管道環(huán)焊縫缺陷進行了研究，選擇GB/T 19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》標準中的失效評定圖法和U因子工程評定法進行對比分析。張世濤[22]根據(jù)BS 7910對國產(chǎn)高鈮X80管線鋼焊接接頭焊趾處的表面裂紋、埋藏裂紋進行了二級安全評定。李明等人[23]基于BS 7910對X70鋼環(huán)焊縫缺陷進行了了安全評定。熊慶人等人[24]對X80高鋼級管道環(huán)焊縫的氣孔和裂紋型缺陷容限尺寸進行了數(shù)值計算和失效評定研究。從目前研究可以看出，數(shù)值分析和失效評估圖方法已經(jīng)在環(huán)焊縫的適用性評價中獲得了廣泛認可。

但是，失效評估圖和數(shù)值分析計算均基于環(huán)焊縫的力學性能指標，尤其是韌性指標。由于環(huán)焊縫內(nèi)部存在根焊、填充焊、蓋面焊、粗晶區(qū)、細晶區(qū)和熔合區(qū)等多種不同的組織結構，而且不同管道、管件的焊接工藝規(guī)程不同，使得環(huán)焊區(qū)域的性能特征復雜多樣，給材料性能的獲取造成了困難。例如Hiroyuki等[16]在對環(huán)焊縫性能進行賦值時，直接使用母材強度和錯配比例來設定，沒有考慮環(huán)焊縫處的性能不均勻分布和薄弱區(qū)域；CARLUCC A I等[20]在對材料性能進行賦值時指出，材料性能有很大的分散性。因此，為了環(huán)焊縫失效評定圖和數(shù)值分析計算的可靠性，對環(huán)焊縫性能進行精確表征和掌握成為研究重點。

2.3 高鋼級管道環(huán)焊縫的失效機理

從材料內(nèi)因的角度看，焊接接頭失效機理研究是對焊縫薄弱區(qū)域強韌性分布規(guī)律的研究，精確表征焊接接頭內(nèi)部各區(qū)域性能是研究重點，這方面的研究已經(jīng)非常廣泛。何沛[25]對摩擦焊鉆桿的焊縫及其熱影響區(qū)的沖擊韌性分布規(guī)律進行了研究，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)的晶粒度變化導致了沖擊韌性、脆性轉(zhuǎn)變溫度的變化。王元良等[26]運用夏比沖擊試驗對62CF鋼管焊接接頭的焊縫區(qū)、熔合區(qū)、熱影響區(qū)的韌性水平進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)的韌性較低。Kenji等[27]采用夏比沖擊試驗和斷口分析方法，研究了低碳鋼焊接接頭熱影響區(qū)的沖擊韌性。安麗君等[28]分析了焊接熱循環(huán)對焊接接頭熱影響區(qū)組織和維氏硬度分布的影響，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)內(nèi)維氏硬度分布變化梯度很大，維氏硬度峰值基本都出現(xiàn)在距熔合線約0.5 mm以內(nèi)的過熱區(qū)內(nèi)。

近年來，對高鋼級管道環(huán)焊縫的研究也逐漸開展。徐學利等[29]對X80管線鋼及接頭距離焊縫中心不同距離處的低溫沖擊韌性、硬度和金相組織進行了表征。翟戰(zhàn)江等[30]、郝瑞輝等[31]、呂統(tǒng)全[32]、隋永莉[33]等利用熱模擬技術分析了X80管線鋼焊接HAZ的顯微組織和沖擊韌性分布規(guī)律。李為衛(wèi)等[34]和熊慶人等[35]利用焊接熱模擬技術研究了X80管線鋼焊接HAZ的沖擊韌性和CTOD性能分布規(guī)律。

可見，高鋼級管道環(huán)焊縫的研究主要是利用焊接熱模擬技術，其研究對象為距離熔合線不同距離處組織、沖擊韌性、CTOD等性能的分布規(guī)律。在對不同距離分段時，通常采用熱影響溫度或者毫米為單位的距離進行劃分，這種劃分偏重理論研究。而工程上對HAZ強韌性進行實物測試時往往是參考某個特征區(qū)域，這類理論研究對于HAZ內(nèi)特征區(qū)域的細分并沒有進行重點關注。

也有研究對熱影響內(nèi)不同特征區(qū)域進行了重點關注，將HAZ按晶粒度及焊接特征劃分為熔合線、粗晶區(qū)、細晶區(qū)和兩相區(qū)，以獲得HAZ的薄弱區(qū)域。WU X F等[36]在對核級鋼焊縫進行研究時劃分了母材、焊縫和HAZ幾個不同部位。WANG H T等[37]對異種金屬焊接接頭不同部位的組織及性能進行了系統(tǒng)研究。丁潤江[38]在研究X70管線鋼焊接接頭的硬度時進行了焊縫區(qū)、HAZ區(qū)的劃分，硬度打點以毫米為單位間隔。劉博維[39]在對S355J2W耐候鋼焊接接頭進行研究時，將HAZ劃分為過熱區(qū)、正火區(qū)和不完全正火區(qū)。胡夢佳等[40]在研究厚壁焊接接頭時將HAZ分為粗晶區(qū)、細晶區(qū)和兩相區(qū)，并發(fā)現(xiàn)不同刻槽位置的沖擊斷口主要沿粗晶區(qū)擴展。黃衛(wèi)鋒等[41]將HAZ劃分為熔合線、粗晶區(qū)、細晶區(qū)和部分組織轉(zhuǎn)變區(qū)，并研究了不同區(qū)域的金相組織和沖擊性能。可見，依照金相組織進行了劃分區(qū)域的方法在對HAZ進行研究時也被采用，但是在高鋼級管道環(huán)焊縫研究中的應用仍然較少。因此，在對高鋼級管道環(huán)焊縫強韌性分布規(guī)律進行研究時，細分特征區(qū)域并進行強韌性的精確表征和掌握應該得到重點關注。

3 結束語

本文對高鋼級管道環(huán)焊縫研究手段和研究關注點的現(xiàn)狀進行了概述，并指出了研究的一些重點問題。此外，環(huán)焊縫類型和研究手段方面還有一些問題值得關注。

首先，與管道環(huán)焊縫相同材質(zhì)、相等壁厚、單一結構對接的特點相比，油氣站場內(nèi)儲運設施環(huán)焊縫情況更加復雜，站內(nèi)對接環(huán)焊縫兩端多數(shù)存在不同材質(zhì)、不等壁厚和結構不同等特點。如某站場內(nèi)異徑三通與直管段對接時，材質(zhì)搭配為WPHY-70和L245對接、WPHY-80和L415MB對接；異徑三通（壁厚54 mm）與直管段（壁厚27.5 mm）壁厚差異近一倍；并且站場設施中多以彎頭、三通（等徑、異徑）、封頭、大小頭（偏心、同心）、法蘭（帶頸平焊、帶頸對焊、承插焊接等）與直管段的對接結構為主，對接兩端結構差別大。這就使得站場設施對接環(huán)焊縫的焊接組對條件、服役工況、承載環(huán)境等問題更加復雜。然而，相對于長輸管道對接環(huán)焊縫而言，對站場設施對接環(huán)焊縫斷裂行為和失效機理的研究較少。因此，應盡快開展針對站場設施環(huán)焊縫的損傷失效研究，特別是對不同材質(zhì)、不等壁厚對接環(huán)焊縫韌性分布規(guī)律、損傷容限和失效控制措施的研究，為站場設施環(huán)焊縫安全服役奠定理論基礎。

其次，在環(huán)焊縫研究手段方面，常規(guī)拉伸、沖擊等小試樣測試方法雖然實施方便，但只能反映某個區(qū)域材料在特定方向上的性能，并不能完全仿真環(huán)焊縫的服役工況。因此，有必要引入大尺寸實物試驗來模擬其力學行為，例如寬板拉伸試驗、整管拉伸試驗等，大尺寸實物試驗可以更真實地反映環(huán)焊縫的力學服役行為。此外，由于環(huán)焊縫存在微小區(qū)域內(nèi)組織結構變化大的特點，微觀表征手段的運用也十分重要，可以將納米壓痕測試、原位X射線應力分析、原位疲勞等微觀表征手段引入環(huán)焊縫組織結構的表征中，為其服役行為研究提供支持。