武 剛 ， 王 楠， 馮 菁， 李 娜 ， 李麗鋒 ， 朱麗霞

（1. 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室， 西安710077；2. 中國石油集團(tuán)石油管工程技術(shù)研究院， 西安710077； 3. 長安大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安710061； 4. 中國石油寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司， 陜西 寶雞721002）

0 前 言

管道運輸被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)、 安全、 環(huán)保的天然氣運輸方式。 高強(qiáng)度、 高韌性的X70 管線鋼管在西氣東輸工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。 然而在實際應(yīng)用中， 由于地震、 滑坡、 地面沉降等地質(zhì)因素， 管線鋼管容易發(fā)生不同程度的塑性變形， 造成失效事故[3-4]。 焊接接頭是管線鋼管相對薄弱的部分。 孔德軍等[5]分析了管線鋼管母材及其焊接接頭的拉伸性能， 結(jié)果表明： 母材具有比焊接接頭更高的延伸率和斷面收縮率， 并且為韌性斷口， 焊接接頭則呈現(xiàn)出韌斷和脆斷的分層現(xiàn)象。 潘川等[6]通過對X70 管線鋼焊接接頭組織的觀察發(fā)現(xiàn)， 焊縫區(qū)主要以針狀鐵素體和粒狀貝氏體為主， 其中貝氏體組織形態(tài)不一， 呈現(xiàn)短桿狀或長條狀， 熱影響區(qū)以粗晶為主， 存在大量塊狀鐵素體。 BAI F 等[7]認(rèn)為， 熱影響區(qū)中的塊狀鐵素體是由于焊接過程中熱輸入影響， 晶粒發(fā)生了一定程度的生長所致， 由于母材、 焊縫和熱影響區(qū)的組織形貌不同， 因此其發(fā)生的力學(xué)響應(yīng)也不同。 CHEN H Y 等[8]和NI D R 等[9]分別研究了X70管線鋼管 “近縫帶” 焊縫的拉伸應(yīng)變能力和應(yīng)變硬化性能， 并發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)域具有較高的應(yīng)變硬化速率和應(yīng)變能力， 而母材具有較強(qiáng)的抗斷裂性能和應(yīng)變硬化指數(shù)。 LIN S 等[10]研究發(fā)現(xiàn)， 在相同的應(yīng)變條件下， 中心焊縫區(qū)具有更高的位錯密度，更容易形成位錯胞和位錯墻等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)， 而兩邊熱影響區(qū)塑性變形較小， 發(fā)生的位錯滑移有限，意味著焊縫區(qū)的應(yīng)變響應(yīng)更高。 綜上所述， 焊接接頭各區(qū)域具有不同的應(yīng)變硬化能力， 在發(fā)生塑性變形時， 所發(fā)生的應(yīng)變響應(yīng)也是不均勻的， 如應(yīng)變優(yōu)先在那個區(qū)域集中， 應(yīng)變?nèi)绾无D(zhuǎn)移， 相對應(yīng)變量有多大， 這些在實際應(yīng)用中均具有重要的指導(dǎo)意義。

本研究通過對X70 螺旋埋弧焊管管體焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗， 分析了母材、 焊縫和熱影響區(qū)組織形貌與應(yīng)變響應(yīng)的內(nèi)在聯(lián)系。 采用三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng) （XTDIC） 測量拉伸過程中焊接接頭母材、 焊縫和熱影響區(qū)的實時應(yīng)變響應(yīng)情況， 并通過粘貼應(yīng)變片以獲得各區(qū)域相對應(yīng)變的分布曲線， 以此來模擬管線鋼管焊接接頭在服役環(huán)境中發(fā)生塑性變形時的應(yīng)變規(guī)律。 研究結(jié)果對高通量管線鋼管實際應(yīng)用中的安全評價具有十分重要的意義。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用X70 螺旋埋弧焊管， 規(guī)格為Φ1 016 mm×14.6 mm， 其主要化學(xué)成分見表1。

表1 X70 螺旋埋弧焊管主要化學(xué)成分

1.2 試驗方法

從試驗材料X70 螺旋埋弧焊管焊接接頭位置截取試樣， 并加工成全壁厚板狀拉伸試樣 （如圖1 所示）。 該試樣分為3 個區(qū)域， 分別為母材區(qū) （BM）、 焊縫區(qū) （WM） 和熱影響區(qū) （HAZ）。試樣截面尺寸為22 mm×14.6 mm， 標(biāo)距L0=90 mm，試樣總長度為190 mm。

拉伸試驗在WAW－600C 型伺服萬能試驗機(jī)上進(jìn)行， 拉伸速率2 mm/min。 通過微機(jī)系統(tǒng)得出力－位移圖像數(shù)據(jù)， 利用Origin8.0 繪圖轉(zhuǎn)化為應(yīng)力－應(yīng)變曲線做后續(xù)分析。 拉伸試驗重復(fù)3 次， 取其平均值作為最終力學(xué)性能數(shù)據(jù)。 試樣經(jīng)拋光后， 用2%硝酸酒精溶液浸蝕待測試樣表面， 通過光學(xué)顯微鏡觀察其組織形貌。

圖1 X70 管線鋼管焊接接頭拉伸試樣示意圖

1.3 焊縫區(qū)域應(yīng)變測定

焊接接頭不同區(qū)域在拉伸過程中的變形行為存在差異， 為了明確拉伸過程中3 個區(qū)域在所研究的變形條件下各自的變形情況， 采用XTDIC 系統(tǒng)用于測量和分析拉伸過程中焊接接頭位移以及應(yīng)變等特征。 XTDIC 系統(tǒng)是一種光學(xué)非接觸式變形測量系統(tǒng)， 用于物體表面形貌、 位移以及應(yīng)變的測量和分析， 并得到三維應(yīng)變場以及位移場數(shù)據(jù)， 測量結(jié)果能直觀顯示。 同時， 試驗采用電測法， 分別在焊縫區(qū)、 熱影響區(qū)和母材區(qū)粘貼應(yīng)變片， 以此獲得各區(qū)的應(yīng)變曲線。 單臂電橋線路及應(yīng)變片如圖2 所示。 在拉伸過程中， 通過調(diào)節(jié)單臂電橋電路測量應(yīng)變片R1電阻的大小， 從而獲得粘貼位置的應(yīng)變值。 應(yīng)變片電阻120 Ω， 靈敏系數(shù)2.0±1%， 柵長×柵寬為20.0 mm×3.5 mm。

圖2 單臂電橋線路及應(yīng)變片

圖3 X70 管線鋼管焊接接頭的顯微組織形貌

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 X70 焊管焊接接頭的顯微組織

X70 焊管焊接接頭的顯微組織形貌如圖3所示。 由圖3 可見， 母材區(qū)由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成 （見圖3 （b））， 這種以鐵素體為主的組織形貌， 具有一定的塑性變形能力； 焊縫區(qū)主要由針狀貝氏體和針狀鐵素體組成 （見圖3 （c））， 組織細(xì)小且緊密排列， 這種大小不一的晶粒彼此咬合， 互相交錯分布， 形成細(xì)小片條狀結(jié)構(gòu)， 可以有效抵抗塑性變形，從而提高焊縫的強(qiáng)韌性； 焊縫區(qū)與母材區(qū)之間的熱影響區(qū)組織以粗晶為主 （見圖3 （d））， 如板條狀貝氏體和粗大的塊狀鐵素體晶粒， 并分布著具有脆硬性組織的M/A 島狀結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)會顯著降低熱影響區(qū)的塑韌性， 也是拉伸過程中裂紋的起點[11]。

M/A 島狀結(jié)構(gòu)作為第二相粒子， 在外加載荷下將阻礙變形組織中位錯的運動， 從而引起位錯的塞積， 導(dǎo)致應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋[6]。 與此同時，M/A 島狀結(jié)構(gòu)與鐵素體基體組織之間在外力作用下具有不同的變形能力， 內(nèi)部應(yīng)力和位錯塞積的相互作用可能導(dǎo)致M/A 島狀結(jié)構(gòu)破碎或形成微裂紋， 在外力的進(jìn)一步作用下， 微裂紋擴(kuò)展， 最終導(dǎo)致管線鋼失效[11]。

2.2 X70 焊管焊接接頭的力學(xué)性能

X70 焊管母材 （BM） 和焊接接頭 （BM+WM+HAZ） 應(yīng)力－應(yīng)變曲線如圖4 所示。 由圖4 可見，相較于母材， 焊接接頭在屈服階段強(qiáng)度更高， 屈服后產(chǎn)生的應(yīng)變增量則小于母材， 表明焊接接頭應(yīng)變硬化速率更強(qiáng)。 加工硬化階段， 母材應(yīng)變量顯著大于焊接接頭， 而焊接接頭產(chǎn)生的載荷增量更大。 頸縮后， 焊接接頭發(fā)生斷裂所需的應(yīng)變量更小， 表明經(jīng)加工硬化后， 其脆性遠(yuǎn)大于母材。

圖4 X70 焊管母材和焊接接頭的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

X70 焊管母材 （BM） 和焊接接頭 （BM+WM+HAZ） 的拉伸試驗結(jié)果見表2。 由表2 可見， 焊接接頭具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度， 分別為606 MPa 和682 MPa。 延伸率和斷面收縮率較低，表明焊接接頭的塑性變形能力低于母材， 也就意味著焊接接頭一旦發(fā)生頸縮， 便會快速斷裂， 塑性變形容量較小。 同時， 3 次拉伸試驗均表明，焊接接頭的熱影響區(qū)為薄弱區(qū)， 裂紋易于擴(kuò)展。這是由于熱影響區(qū)粗大的組織結(jié)構(gòu)， 并且伴隨著脆性M/A 島狀結(jié)構(gòu)， 使得在拉伸過程中， 位錯大量塞積在脆性M/A 島周圍， 導(dǎo)致應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂紋， 這些裂紋快速擴(kuò)展并斷裂[11]。

表2 X70 焊管母材和焊接接頭的拉伸試驗結(jié)果

2.3 X70 焊管焊接接頭應(yīng)變響應(yīng)機(jī)理

為了進(jìn)一步研究不同組織形態(tài)對拉伸性能的影響規(guī)律， 對拉應(yīng)力作用下X70 焊管焊接接頭進(jìn)行了應(yīng)變云圖分析， 結(jié)果如圖5 所示。 由圖5可見， 隨著應(yīng)力的增加， 各區(qū)域的應(yīng)變響應(yīng)明顯不同。 為了方便研究， 可以將該應(yīng)變過程劃分為典型的4 個階段， 即均勻變形階段 （Ⅰ）、 焊縫區(qū)變形快速增長階段 （Ⅱ）、 熱影響區(qū)變形增長階段 （Ⅲ） 和斷裂階段 （Ⅳ）。 在均勻變形階段內(nèi)， 焊縫區(qū)、 熱影響區(qū)和母材區(qū)的應(yīng)變基本相同， 并且應(yīng)變量都相對較小， 表現(xiàn)為各區(qū)域均勻伸長。 隨著拉應(yīng)力的增大， 為了抵抗這種增大的應(yīng)力狀態(tài)， 流動應(yīng)力開始向應(yīng)變硬化能力較強(qiáng)的焊縫區(qū)聚集， 進(jìn)入第Ⅱ階段焊縫區(qū)變形快速增長期。 由于焊縫區(qū)內(nèi)部的組織形態(tài)能夠抵抗不斷增大的應(yīng)力需求， 因此， 隨后的變形主要集中在焊縫區(qū)域， 而焊縫區(qū)域的應(yīng)變響應(yīng)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于母材區(qū)和熱影響區(qū)。 隨著應(yīng)力的持續(xù)增大， 應(yīng)變開始向熱影響區(qū)擴(kuò)散， 并最終在熱影響區(qū)斷裂。 同時可以觀察到， 母材的應(yīng)變增幅較為緩慢。

圖5 X70 焊管焊接接頭DIC （三維全場應(yīng)變測量系統(tǒng)） 應(yīng)變云圖

結(jié)合焊縫區(qū)、 熱影響區(qū)和母材區(qū)的瞬時應(yīng)變響應(yīng)曲線， 對以上4 個應(yīng)變階段做進(jìn)一步的闡述。 焊縫區(qū) （WM）、 熱影響區(qū) （HAZ） 和母材區(qū) （BM） 在拉應(yīng)力作用下的應(yīng)變分布如圖6 所示。由圖6 可見， 階段Ⅰ可能在彈性變形期， 因此各區(qū)域應(yīng)變響應(yīng)相同。 然而屈服后 （階段Ⅱ）， 大量位錯被激活而開始滑移， 焊縫區(qū)細(xì)小的組織，具有較低的臨界分切應(yīng)力， 易于開動滑移系。 因而， 位錯迅速在焊縫區(qū)增殖， 產(chǎn)生高的流動應(yīng)力， 而快速變形， 具有高的應(yīng)變硬化能力。 相比較焊縫區(qū)， 母材區(qū)和熱影響區(qū)位錯增殖較慢， 應(yīng)變響應(yīng)較低。 因此， 當(dāng)焊縫區(qū)應(yīng)變高達(dá)3.3%時，母材區(qū)和熱影響區(qū)只有0.7%左右， 應(yīng)變差為2.6%， 表明焊縫區(qū)高的應(yīng)變硬化速率， 然而這一過程是短暫的。 進(jìn)入第 Ⅲ 階段時， 焊縫區(qū)的應(yīng)變硬化能力因快速變形而不斷減弱， 直到不足以應(yīng)對持續(xù)增大的流動應(yīng)力時， 應(yīng)變開始快速下降。 這主要與內(nèi)部位錯結(jié)構(gòu)的演變有關(guān)， 在高應(yīng)變速率下， 焊縫內(nèi)部位錯纏繞程度加劇， 迅速形成了位錯墻及位錯胞等穩(wěn)定結(jié)構(gòu)， 限制了位錯的滑移[10-12]。 因此， 流動應(yīng)力開始向熱影響區(qū)轉(zhuǎn)移， 使得應(yīng)變也顯著增加， 以此分擔(dān)持續(xù)增加的流動應(yīng)力。 隨著變形的繼續(xù)， 位錯開始在M/A島附近積累， 這種脆硬性結(jié)構(gòu)不能通過自身的塑性變形來釋放流動應(yīng)力， 最后在位錯的過度塞積處產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂 （階段Ⅳ）[14-15]。 通過以上分析可知， X70 管線鋼管焊接接頭在變形過程中， 應(yīng)變更容易集中在焊縫區(qū)和熱影響區(qū)， 而母材區(qū)變形量較小， 也較為安全。 焊縫區(qū)雖然應(yīng)變響應(yīng)更大， 因具有致密的組織結(jié)構(gòu)， 可以有效防止微裂紋的形成。 熱影響區(qū)粗大的組織結(jié)構(gòu)不僅不利于變形的協(xié)調(diào)， 其中分布的M/A 島更易成為微裂紋的萌生源， 在實際應(yīng)用中， 應(yīng)作為主要的防護(hù)區(qū)域。

圖6 焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)在拉應(yīng)力作用下的應(yīng)變分布曲線

3 結(jié) 論

（1） X70 螺旋埋弧焊管焊接接頭顯微組織中，母材區(qū)由多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成， 焊縫區(qū)由針狀貝氏體和針狀鐵素體組成， 熱影響區(qū)由粗大的塊狀鐵素體、 板條狀貝氏體以及島狀M/A組成。 其中， 焊縫區(qū)組織排列緊密， 晶粒彼此咬合， 互相交錯， 形成細(xì)小片條狀結(jié)構(gòu)， 可以有效抵抗塑性變形。 相反， 由于熱影響區(qū)中島狀M/A存在， 容易引起內(nèi)部位錯塞積， 從而形成微裂紋并失效。

（2） X70 螺旋埋弧焊管焊接接頭試樣比母材試樣具有更大的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度， 但是塑性變形容量較低， 頸縮后易發(fā)生快速斷裂而失效，且斷裂主要集中在熱影響區(qū)。

（3） 在拉應(yīng)力的作用下， 母材區(qū)、 焊縫區(qū)和熱影響區(qū)具有不同的應(yīng)變響應(yīng)能力。 焊縫區(qū)具有較快的應(yīng)變硬化速率， 位錯增值較大， 應(yīng)變量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。 隨著變形的持續(xù)， 焊縫區(qū)應(yīng)變開始快速下降， 而熱影響區(qū)則緩慢增加， 承擔(dān)部分流動應(yīng)力。 最終， 在熱影響區(qū)形成應(yīng)力集中而斷裂。