何小東，楊耀彬，David Han，張永青，高雄雄

（1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 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；2.國際焊接研究中心，西安 710077；3.中信金屬股份有限公司，北京 10004）

0 前 言

與直縫埋弧焊管相比，由于螺旋埋弧焊管的軋制方向與鋼管軸線方向不一致，其材料的抗斷裂性能較好[1]，且具有較高的生產效率和成本優(yōu)勢，因此X70、X80 螺旋埋弧焊管在西氣東輸、中緬管線、中俄東線等國家重大管道工程中得到廣泛應用。

對于輸送高壓可燃介質的油氣管道，環(huán)焊接頭的性能對于管道可靠性至關重要。采用多種試驗方法評價焊接接頭性能作為保證管道可靠性的重要手段，可最大限度保證焊接結構在服役條件下正常運行。然而，由于油氣管道服役條件極為復雜，環(huán)焊接頭位置難免會產生缺陷，因此，當管道環(huán)焊縫受軸向載荷時，在焊接接頭缺陷位置或應力集中處極易萌生裂紋并擴展而造成管道早期斷裂失效[2-4]。同時，事故分析表明，環(huán)焊縫低強匹配是造成管道在地層運動作用下發(fā)生斷裂的重要原因之一。環(huán)焊縫強度匹配不僅是影響管道承載能力和失效行為的主要因素[5-8]，也是分析在役管道環(huán)焊縫開裂、預防新建管道環(huán)焊縫隱患的基礎性課題[9-10]。

通常，管道環(huán)焊接頭性能評價主要采用小尺寸試樣進行試驗。小尺寸試樣試驗可直接測量特定的性能，如拉伸試驗，可以測量屈服強度、抗拉強度、總伸長率或均勻伸長率等。小尺寸試樣試驗也可能是服役行為的間接度量，例如沖擊韌性，但是小尺寸試樣的結果已經不能夠全面表征高鋼級管道環(huán)焊接頭的性能。然而，寬板拉伸試驗允許的測試材料尺寸更大，試驗環(huán)境更加接近實際服役條件，從而能更直觀反映出工程中存在的問題，如材質不均勻性、焊接殘余應力和板厚對結構性能的影響等，探究管道環(huán)焊縫的失效模式。上世紀八十年代，國內外研發(fā)機構開始大量研究寬板拉伸試驗，并將其廣泛應用于管線鋼焊接接頭性能測試和應變設計中[11-13]。張宏等[14]總結了國內外關于環(huán)焊縫強韌性指標及測試方法研究與工程應用現(xiàn)狀，并從斷裂韌性的裂尖拘束效應、管道環(huán)焊接頭斷裂行為的數(shù)值模擬方法、裂紋驅動力評價技術、失效評估圖評價技術、管道環(huán)焊接頭應變承載能力預測方法、全尺寸管道環(huán)焊接頭斷裂試驗等方面探討了環(huán)焊接頭力學性能與適用性評價技術涉及的關鍵問題及其研究進展。

本研究針對含鈮X80鋼級螺旋埋弧焊管不同強度匹配的GMAW 自動環(huán)焊接頭，測試分析了其常規(guī)拉伸性能和夏比沖擊韌性，并采用寬板拉伸試驗研究了環(huán)焊接頭的拉伸性能和形變失效行為。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗鋼管為X80 鋼級Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管，管體化學成分見表1，其主要成分為C、Mn、Cr、Ni、Cu、Mo、Nb，焊接冷裂紋敏感系數(shù)為0.17%。鋼管縱向矩形拉伸試樣的性能見表2，其中試樣寬度為38.1 mm，標距為50 mm。由表2 可知，管體平均屈服強度和抗拉強度分別為632 MPa、695 MPa，平均屈強比為0.91，平均斷后伸長率為47%。管體顯微組織如圖1 所示，可以看出管體組織主要是粒狀貝氏體。

圖1 管體顯微組織

表1 試驗鋼管化學成分 %

表2 鋼管縱向拉伸性能

1.2 試驗方法

采用熔化極氣體保護焊（GMAW）對試驗鋼管進行內部根焊和外部填充焊接，試驗采用雙V形復合坡口，坡口尺寸如圖2所示。根焊和熱焊及填充蓋面焊的焊材組合見表3，其中ER70S、ER80S和ER90S三種牌號焊絲的熔敷金屬抗拉強度分別為673 MPa、716 MPa和787 MPa。

圖2 環(huán)焊坡口型式及尺寸

表3 試驗鋼管環(huán)焊縫采用的焊絲強度組合

環(huán)焊完成后，在GMAW 環(huán)焊接頭立焊位置制取常規(guī)接頭拉伸試樣、熱影響區(qū)夏比沖擊試樣和寬板拉伸試樣。常規(guī)拉伸試樣采用帶肩部的全壁厚板狀試樣，拉伸試樣平行段寬度為25 mm，用銑削加工方法去除根焊和蓋面焊余高。在壁厚中心位置制備焊縫和熱影響區(qū)夏比沖擊試樣，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口分別位于焊縫中心、熔合線（FL）處和FL+0.5 mm 處（FL 定義為50%焊縫金屬和50%熱影響區(qū)，F(xiàn)L+0.5 mm表示靠母材側熱影響區(qū)距熔合線0.5 mm 位置）。寬板拉伸試樣及尺寸如圖3所示，其中，寬板拉伸試樣平行段寬度W=300 mm，平行段長度為2W，試樣總長度≥ 4W。將試樣中心根部焊縫余高打磨至與母材平齊后，用硝酸酒精腐蝕根部焊縫，并在根焊熔合線處劃線標記，再采用電火花（EDM）加工方式預制缺口模擬焊接裂紋缺陷，缺口尺寸為50 mm×3 mm，缺口寬度 ≥ 0.3 mm，然后焊接試樣夾持端，并保證試樣中心位于夾持端中心線上。

圖3 寬板拉伸試樣形狀及尺寸

將制備的寬板拉伸試樣安裝在2 500 t復合加載試驗機上，并在試樣上安裝四個位移傳感器（LVDT）來測量位移變化，如圖3 所示。其中LVDT1 和LVDT2 安裝在距寬板試樣邊緣40 mm處。LVDT3 和LVDT4 安裝在寬板試樣焊縫兩側母材寬度方向的中心位置。LVDT1 和 LVDT2 的標距長度（l0）為 2W，用于測量整體位移Δl0，LVDT3 和 LVDT4 的標距長度lA和lB均為0.5W，分別用于測量母材A和母材B的位移ΔlA和ΔlB。

通過刃口夾持裝置將裂紋口張開位移CMOD雙引伸計安裝在圖3所示的位置，并保證在試驗過程中刃口夾持裝置能夠支撐引伸計且不發(fā)生移動，缺口兩側刃口平行度偏差應在±1°之內。

試驗前測量寬板試樣和缺口尺寸，同時記錄試驗環(huán)境條件，再參照SY/T 7318.1《油氣輸送管特殊性能試驗方法 第1 部分：寬板拉伸試驗》在位移控制模式下以恒定速率進行拉伸試驗。當寬板拉伸試樣斷裂、裂紋貫穿壁厚或載荷開始減小至95%最大載荷時，停止試驗。

2 試驗結果及討論

2.1 環(huán)焊接頭常規(guī)拉伸及沖擊性能

圖4 為環(huán)焊接頭拉伸強度和試樣斷裂形貌，由圖4 可知，采用ER80S（根焊）+ER90S（熱焊和填充蓋面焊）的GMAW 環(huán)焊接頭抗拉強度為709 MPa，與ER70S（根焊）+ER80S（熱焊和填充蓋面焊）的GMAW環(huán)焊接頭抗拉強度接近，且拉伸試樣均在母材處斷裂。不同強度環(huán)焊接頭焊縫和熔合線FL處的夏比沖擊功如圖5所示，由圖5可知，等強+高強匹配組合環(huán)焊接頭熔合線FL處-20 ℃的平均夏比沖擊功為72 J，低于低強+等強匹配組合環(huán)焊接頭的FL處的平均夏比沖擊功（174 J），這主要是因為ER90S焊絲填充焊縫金屬（FL-0.5 mm）和熱影響區(qū)（FL+0.5 mm）的夏比沖擊功均低于ER80S 焊絲填充焊縫金屬的夏比沖擊功。

圖4 不同強度組合環(huán)焊接頭拉伸強度及斷后形貌

圖5 不同強度組合環(huán)焊接頭熔合線FL附近的沖擊韌性

2.2 寬板拉伸試驗結果

圖6為不同強度匹配GMAW環(huán)焊接頭寬板拉伸試樣失效位置。圖6表明，ER80S+ER90S匹配的GMAW 環(huán)焊接頭在管體母材一側（試樣A 端）發(fā)生頸縮失效。失效端頸縮處最小壁厚17.29 mm，最大壁厚17.38 mm，試樣減薄率最大為19.21%；頸縮處最小寬度為281 mm，寬度減小9.0 mm；失效端未發(fā)生頸縮處壁厚為20.59 mm，減薄率僅為3.79%。母材另一側（試樣B 端）未發(fā)生明顯變形，其最小壁厚為21.46 mm，寬度為298 mm。環(huán)焊縫處寬度為298.5 mm，表明環(huán)焊縫及附近未發(fā)生明顯變形。而對于ER70S+ER80S匹配的GMAW環(huán)焊接頭，寬板拉伸試樣在根焊熱影響區(qū)（HAZ）沿熔合線發(fā)生開裂失效，開裂長度為105 mm。環(huán)焊縫附近試樣寬度約為300 mm，開裂處焊縫厚度為19.44 mm，表明環(huán)焊縫金屬發(fā)生明顯變形，而焊縫附近母材未發(fā)生明顯變形。環(huán)焊縫兩側母材試樣最小厚度分別為21.13 mm和20.68 mm，最大厚度分別為21.58 mm和21.69 mm，母材寬度分別為298.5 mm 和296.5 mm。因此，在低強+等強組合匹配下，環(huán)焊縫金屬有明顯塑性變形，而接頭兩側遠端母材僅發(fā)生了較小的均勻變形。

圖6 不同強度組合的環(huán)焊接頭寬板拉伸失效位置

分別從寬板試樣上截取預制的人工缺陷和撕裂斷口，制備金相試樣，在低倍和高倍下觀察預制的人工缺陷裂紋尖端擴展方向和撕裂斷口形貌。不同強度匹配GMAW環(huán)焊接頭預制缺口位置及裂紋尖端形貌分別如圖7和圖8所示。從圖7可看出，等強+高強匹配寬板試樣預制缺口根部位于根焊HAZ的粗晶區(qū)，在拉伸載荷下缺口根部未發(fā)生明顯擴展，如圖7（b）所示；雖然低強+等強匹配寬板試樣預制缺口根部位于根焊HAZ的細晶區(qū)，但缺口根部在拉伸載荷下未發(fā)生擴展，如圖8（b）所示。低強+等強匹配根焊熱影響區(qū)處發(fā)生撕裂并沿粗晶區(qū)向外壁側擴展，斷口形貌如圖9所示。

圖7 等強+高強匹配環(huán)焊接頭缺口形貌及裂紋尖端形貌

圖8 低強+等強匹配環(huán)焊接頭缺口形貌及裂紋尖端形貌

圖9 低強+等強匹配環(huán)焊接頭寬板拉伸根部HAZ撕裂斷口形貌

不同強度匹配的環(huán)焊接頭寬板拉伸應力-應變曲線和載荷與裂紋口張開位移（CMOD）曲線如圖10 和圖11 所示。由圖10、圖11 可知，對于ER80S+ER90S 組合的高強匹配環(huán)焊縫接頭，最大載荷下焊縫兩側管體的遠端應變（即位移傳感器LVDT3 和LVDT4 的應變）εA、εB分別為8.67%和2.93%，總應變（即試樣兩側跨焊縫的位移傳感器LVDT1 和LVDT2的應變）ε01、ε02分別為4.43%和4.93%，缺口張開位移（CMOD）為1.49 mm。遠端應變主要集中在環(huán)焊縫一側的母材上，管體發(fā)生遠端屈服失效，頸縮處與寬板拉伸試樣軸線呈45°，說明環(huán)焊縫兩側管體的強度存在較大的差別，這與螺旋埋弧焊管特性有關。對于ER70S+ER80S 組合的等強匹配環(huán)焊縫接頭，最大載荷下焊縫兩側管體的遠端應變εA、εB分別為4.08%和5.38%，總應變ε01、ε02分別為4.20% 和4.16%，缺口張開位移（CMOD）為1.26 mm，寬板試樣沿根部焊縫HAZ 發(fā)生撕裂失效。因此，根焊采用ER70SS 焊絲，焊縫強度較低，在拉伸載荷下根焊部位及其兩側的熱影響區(qū)容易產生應變集中而導致斷裂失效。

圖10 不同強度匹配的環(huán)焊接頭寬板拉伸應力-應變曲線

圖11 不同強度匹配環(huán)焊接頭寬板拉伸載荷與CMOD曲線

同時根據(jù)圖10，在最大載荷下，等強+高強匹配的GMAW 環(huán)焊縫接頭全截面的抗拉強度為673 MPa，低強+等強匹配的GMAW 環(huán)焊縫接頭全截面的抗拉強度為681 MPa，二者均略低于環(huán)焊接頭小試樣常規(guī)拉伸的抗拉強度709 MPa 和712 MPa，這是由于小尺寸環(huán)焊接頭拉伸試樣的抗拉強度是拉伸至頸縮斷裂后的強度，管體母材的形變強化較大，而寬板拉伸測試的抗拉強度是試樣發(fā)生斷裂、裂紋貫穿壁厚，或載荷開始減小至95%最大載荷時的強度，并且寬板拉伸試樣尺寸較大，其在拉伸過程中的形變強化作用低于小尺寸拉伸試樣。

最大載荷下母材平均遠端應變εAB和寬板拉伸試樣平均總應變ε0的計算公式如下

經計算可知，等強+高強匹配的GMAW 環(huán)焊縫接頭的總應變ε0為4.68%，母材平均遠端應變εAB為5.80%；而低強+等強匹配的環(huán)焊縫接頭的總應變4.18%，母材平均遠端應變εAB為4.75%。因此，對于高強匹配環(huán)焊縫，當管道承受較大軸向載荷時，可將載荷和應變傳遞給焊縫兩側的管體，從而保護環(huán)焊縫不發(fā)生失效。

2.3 討論與分析

對于油氣輸送管道，常采用強度、沖擊韌性、斷裂韌性作為管道設計參數(shù)。根據(jù)預期的拉伸性能選擇材料和工藝是將失效風險降至最低的一種手段，焊縫強度過匹配是管道保護的方法之一。沖擊韌性作為衡量焊縫金屬性能的相對指標，通?？上却_定平均和最小允許沖擊值，再選擇焊接材料和焊接工藝，從而避免在服役溫度下焊接金屬發(fā)生脆化。

另一方面，根據(jù)寬板拉伸試驗結果可知，若焊接接頭的韌性較大且不發(fā)生脆化，則環(huán)焊接頭的拉伸性能與韌性無關，而與焊縫強度超過母管強度的程度相關。因此，通過環(huán)焊縫強度的過匹配，將載荷和變形轉移到環(huán)焊縫兩側的管體上，可使管體發(fā)生塑性變形從而釋放形變能，避免將形變能引入焊縫導致焊縫開裂失效，同時強度過匹配也降低了管道對焊縫金屬韌性的要求。

管道環(huán)焊縫大多采用的V形坡口或雙V形復合坡口，根部焊縫的寬度小于填充蓋面焊道的寬度。當管道受軸向載荷時，應變集中首先出現(xiàn)在根部焊縫和熱影響區(qū)[15]。如果根部采用較低強度的焊材，尤其是采用強度較低的纖維素焊條根焊，一旦沿管道軸向施加外部載荷，必然導致焊縫根部優(yōu)先開裂失效，因此，對于高強度管道，由于管線鋼采用了先進的冶煉工藝和控軋工藝，其冷裂紋敏感系數(shù)低，建議選用具有一定韌性的等強度焊接材料進行根焊以避免焊縫根部應變集中而發(fā)生焊縫開裂失效。

3 結 論

（1）最大載荷下，等強+高強匹配和低強+等強匹配的X80 鋼級螺旋埋弧焊管GMAW 環(huán)焊縫接頭全截面的抗拉強度均略低于環(huán)焊接頭小試樣的抗拉強度。

（2）等強+高強匹配組合和低強+等強匹配組合的X80 鋼管GMAW 自動環(huán)焊接頭均具有較好的塑性，寬板拉伸試樣的平均總應變均大于4.0%，管體平均遠端應變均大于4.5%。但相對于低強+等強匹配的環(huán)焊接頭，等強+高強匹配的環(huán)焊接頭具有更高的平均總應變、平均遠端應變和裂紋口張開量。

（3）受到拉伸載荷時，等強+高強匹配組合的GMAW 環(huán)焊接頭在管體母材發(fā)生頸縮失效；而低強+等強匹配組合的GMAW 環(huán)焊接頭根焊熱影響區(qū)沿熔合線發(fā)生開裂失效。

（4）對于采用的V 形坡口或雙V 形復合坡口的環(huán)焊接頭，當受軸向載荷時，易在低強匹配的根焊部位產生較大的應變集中。因此，建議X80 高鋼級管道優(yōu)先選用具有一定韌性的等強度焊接材料進行根焊，可以有效避免焊縫根部應變集中而發(fā)生開裂失效。