齊麗華， 王 磊， 高雄雄， 王 磊， 陳越峰， 楊耀斌

（1. 中國石油集團石油管工程技術研究院， 西安 710077； 2. 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， 西安 710077； 3. 國家管網(wǎng)西部管道公司， 烏魯木齊 830013）

0 前 言

2013 年底， 我國建設的石油天然氣長輸管道總里程已達10 萬km。 近20 年來， 隨著天然氣消費量的快速增長， 我國管道建設高速發(fā)展，油氣輸送管線用鋼的強度等級和管徑逐漸增大，管道輸送壓力逐漸提高， 這些都對管道現(xiàn)場焊接技術提出了新的挑戰(zhàn)[1-3]。 目前， 國內(nèi)X80 在役管道工程主要采用自保護藥芯焊絲半自動下向焊接方法[4-6]， 根焊一般采用堿性低氫E7016 或STT/RMD ER70S 焊材， 填充和蓋面焊接采用E81T8-Ni2 焊材。 這種焊接方法的特點是熱輸入大， 半自動焊接人為因素影響較多， 焊縫性能離散度大， 較易出現(xiàn)焊縫低韌性的脆性斷口[7-8]， 且藥芯焊絲的焊縫金屬強度低于同級別的管材強度。 因此， 在整個環(huán)焊接頭匹配和焊材匹配方面需要慎重考慮和選擇。 天然氣管道運行過程中， 環(huán)焊接頭需要承受工作應力、 焊后殘余應力、 土壤約束應力、 組對應力以及山體滑坡、 地陷、 凍脹或水域引起的外部載荷等， 環(huán)焊接頭運行的安全性和韌性要求一直是油氣管道建設單位和運行單位重點關注的問題。 本研究從FCAW-S 焊接工藝的環(huán)焊接頭性能特點、 土壤約束應力測試和管道服役受力建模等方面綜合分析， 得到該工藝條件下管道服役安全性的影響因素， 對提高管道工程環(huán)焊縫質量及管道建設和安全運營具有重要的意義[9-10]。

1 環(huán)焊工藝和環(huán)焊接頭性能分析

1.1 環(huán)焊工藝

實驗室中環(huán)焊接頭采用Φ3.2 mm 堿性低氫焊材E7016 進行根焊， 填充和蓋面采用Φ2.0 mm自保護藥芯焊絲E81T8-Ni2 焊接， 試驗采用X80 鋼級Φ1 016 mm×15.3 mm 管線鋼管， 鋼管和填充焊絲的合金成分見表1。

表1 X80 鋼管和E81T8-Ni2 藥芯焊絲的化學成分

針對服役X80 管道工程的環(huán)焊接頭進行破壞性檢測， 并從微觀組織特點和力學性能分布趨勢進行分析， 結合組對應力測試、 環(huán)焊接頭的微區(qū)性能特點進行環(huán)焊接頭的服役安全性綜合影響因素分析。

1.2 力學性能分析

圖1 為該管道項目工程服役環(huán)焊接頭破壞性檢測的拉伸性能數(shù)據(jù)分布， 橫坐標為抽查的環(huán)焊接頭數(shù)量， 縱坐標為同一環(huán)焊接頭不同區(qū)域的拉伸性能分布情況。 由圖1 可見， 在未去除余高情況下， FCAW-S 環(huán)焊接頭拉伸性能在610～740 MPa波動， 基本滿足油氣管道標準GB/T 31032 和API 1104 中環(huán)焊接頭強度要求。 標準要求， 如果斷裂位置在焊縫上， 其強度需大于公稱強度625 MPa，若低于公稱強度的環(huán)焊接頭， 其斷裂位置應在母材上， 且大于95%的公稱強度。 經(jīng)分析可知， 直縫埋弧焊鋼管的縱向拉伸強度較橫向拉伸強度略低， 但高于95%的公稱強度值， 也可滿足標準要求。 同一環(huán)焊接頭不同部位的強度波動最大值為40 MPa， 說明不同焊接位置焊接工藝參數(shù)的波動對環(huán)焊接頭強度影響較小。

圖1 FCAW-S 環(huán)焊接頭的拉伸性能

圖2 所示為實驗室該種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭焊縫中心、 熔合線、 熔合線+1 mm 和熔合線+2 mm 不同位置的沖擊性能分布。 由圖2 可知， 焊縫中心的沖擊韌性波動在50～175 J， 且存在低于標準要求單值60 J 的情況。

圖2 FCAW-S 環(huán)焊接頭的沖擊性能

圖3 所示為環(huán)焊接頭的金相照片， 可見該焊縫的每層金屬厚度分布均勻， 但得到的焊縫金屬韌性波動依然很大， 這與自保藥芯焊絲的焊接特點和焊縫中含有較多的AlN 脆性組織有關[11]。 出現(xiàn)少層少道數(shù)， 則可能得到較低的接頭韌性， 不利于管道環(huán)焊縫的安全服役。

圖3 FCAW-S 環(huán)焊接頭金相照片

2 環(huán)焊接頭受力分析

2.1 現(xiàn)場應力測試

為科學測量和評估環(huán)焊縫服役過程的土壤約束應力， 獲得管段覆土開挖及切割前后環(huán)焊接頭截面的應變變化規(guī)律， 現(xiàn)場開挖測試如圖4 所示。 沿管段待取環(huán)焊接頭位置附近布置應變測點（圖4 （a））， 截面共設置8 個等間距分布的應變測點， 其中1 號測點位于管頂， 其余各測點編號按順時針方向逐次增加。 各測點位置分別布置軸向應變計及三向應變花， 相鄰應變片間夾角為45°。 先將環(huán)焊周圍土壤去除， 取環(huán)焊接頭附近30 mm 進行初次應力測試。 然后保持一側土壤不動， 在另一側開挖不同位置， 測試焊縫及管體應力變化， 再挖開焊縫另一側土壤， 進行應力測試觀察， 見圖4 （b）。 通過現(xiàn)場測試獲得了土體開挖及截面切斷后試件測試斷面的應變分布規(guī)律，統(tǒng)計分析后獲得了試件截面的荷載分布情況。

圖4 服役環(huán)焊接頭現(xiàn)場開挖測試示意圖

通過現(xiàn)場測試直管-直管、 直管-冷彎管和直管-熱煨彎管獲得不同環(huán)焊接頭受力情況， 其中熱煨彎管-直管連接的應力最大， 軸向應力為120～140 MPa， 同時環(huán)焊接頭還受剪切應力和扭轉應力的共同作用。 圖5 所示為土體開挖及截面切斷后環(huán)焊接頭現(xiàn)場測試及應變片分布以及分析后獲得的試件截面的荷載分布情況， 截面所受軸向力21.9 kN、 彎矩128.6 kN·m、 剪力107.7 kN、扭矩12.8 kN·m。

圖5 服役環(huán)焊接頭現(xiàn)場應力測試示意圖

2.2 微拉伸測試分析

為準確表征環(huán)焊接頭的各區(qū)域性能， 進行了數(shù)值模擬分析， 采用微拉伸測試方法對環(huán)焊接頭不同部位進行拉伸性能測試分析， 如圖6 所示，得到各區(qū)域的拉伸應力-應變曲線。 圖6 （a） 為微拉伸試樣的分布示意圖， 分別測試根焊、 熱焊、 填充和蓋面焊及熔合線和熱影響區(qū)拉伸性能變化； 圖6 （b） 為焊縫中心不同位置拉伸曲線，根焊采用E7016 堿性低氫焊材， 得到的最大拉伸強度僅為450～550 MPa， 較母材實際強度低100～200 MPa， 其均勻延伸率達到了17%。 填蓋部位拉伸強度為630～710 MPa， 均勻延伸率為0.06%～0.10%； 圖6 （c） 為熔合線及熱影響區(qū)不同位置拉伸曲線， 可見熔合線處的拉伸強度約600 MPa， 遠低于母材管體650 MPa 的縱向拉伸強度， 出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。 微拉伸測試表明， 根焊為明顯的低強度匹配， 是環(huán)焊接頭最薄弱位置。

圖6 FCAW-S 環(huán)焊接頭不同部位的微拉伸性能

2.3 數(shù)值模擬分析

考慮環(huán)焊接頭各部分本構特點建模， 進行環(huán)焊接頭的受力分析。 使用等應變條件下的裂紋驅動力曲線與實際裂紋擴展的阻力曲線， 獲得失穩(wěn)擴展點的應變水平， 模擬環(huán)境工作壓力為10 MPa，鋼管直徑1 016 mm， 壁厚15.3 mm。 考慮焊趾、錯邊等結構應力條件下， 進行等應變條件下驅動力曲線模擬計算， 數(shù)值模型網(wǎng)格和驅動力與阻力關系如圖7 所示。 圖7 中等應變的裂紋深度a0、a1、 a2、 a3分別為2 mm、 3 mm、 4 mm 和5 mm。

圖7 FCAW-S 環(huán)焊接頭建立含缺陷的有限元模型進行驅動力計算

圖8 所示為根據(jù)微測試獲得的簡化環(huán)焊接頭模型進行數(shù)值建模起裂韌性計算。 圖8 （a） 為不同缺陷深度條件下， 測試的低強匹配的環(huán)焊接頭的裂紋驅動力曲線， 由圖8 （a） 可見， 在低匹配條件下， 考慮殘余應力、 工作運行壓力時，隨著缺陷深度的增加， 裂紋起裂的驅動力曲線顯著左移， 表明開口型缺陷的深度對環(huán)焊起裂的影響顯著。 當裂紋深度為3 mm 即約為根焊層深度時， 環(huán)焊接頭起裂韌性CTOD 值小于0.042 mm，通過BS7910 標準換算沖擊韌性約為50 J 時， 發(fā)生起裂失效； 當裂紋深度超過5 mm 即鋼管壁厚的30%時， 環(huán)焊接頭的起裂韌性CTOD 值小于0.067 mm， 通過BS7910 標準換算沖擊韌性約為80 J 時， 發(fā)生起裂失效。

圖8 不同強度匹配條件下環(huán)焊縫的起裂韌性和CTOD 曲線

圖8 （b） 為不同強度匹配條件下， 相同缺陷深度的環(huán)焊接頭的裂紋驅動力的對比分析。 低強匹配條件下， 起裂韌性CTOD 值為0.067 mm， 換算為沖擊韌性約為80 J， 起裂擴展失效； 等強匹配條件下， 當裂紋深度達到30%壁厚時， 起裂韌性CTOD 值為0.054 mm，換算為沖擊韌性約為66 J， 起裂擴展失效； 高強匹配條件下， 裂紋深度達到30%壁厚時， 起裂韌性CTOD 值僅為0.046 mm， 換算為沖擊韌性約為56 J， 起裂擴展失效。 可見， 相同缺陷深度條件下， 高強匹配環(huán)焊接頭要求的起裂韌性值最低， 環(huán)焊接頭的強度匹配形式是保證環(huán)焊接頭安全服役的首要條件。 考慮管線服役的各種復雜地勢的影響和管道運營安全性， 建議今后的高鋼級管道施工盡量選取等強匹配或高強匹配的環(huán)焊工藝施焊。

3 結 論

（1） X80 管道FCAW-S 環(huán)焊工藝， 焊接熱輸入量變化較大， 對接環(huán)焊接頭沖擊韌性不穩(wěn)定， 存在韌性較低值。

（2） 通過微拉伸測試觀察得到， FCAW-S 環(huán)焊接頭的根焊強度和硬度遠低于管體母材的強度和硬度， 為整個環(huán)焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

（3） 在役管道受組對應力和土壤約束應力共同作用， 熱煨彎管-直管連接的環(huán)焊接頭軸向應力最大， 同時還受剪切應力和扭轉應力的共同作用。

（4） 不同缺陷深度對裂紋驅動力有顯著的影響。 低強匹配條件下， 隨著缺陷深度的增加， 起裂韌性顯著增加， 當深度達到壁厚的30%時，起裂韌性約為80 J。

（5） 缺陷深度相同時， 不同強度匹配對裂紋驅動力的影響不同， 低強匹配條件下， 缺陷深度為5 mm 時起裂韌性的CTOD 值約為0.067 mm，而高強匹配條件下的起裂韌性CTOD 值約為0.046 mm。

（6） 建議高鋼級管道施工時， 環(huán)焊工藝采用等強匹配或高強匹配的焊接材料和焊接工藝， 可提高高鋼級油氣管道的安全運營。