文學，汪宏輝，李熙巖，錢建康，畢思源，雷正龍

(1.中石化江蘇油建工程有限公司,揚州,225009；2.哈爾濱工業(yè)大學,材料結構精密焊接與連接全國重點實驗室,哈爾濱,150001)

0 序言

作為低碳微合金管線鋼的X80管線鋼具有強度高、韌性好、焊接性能良好等優(yōu)點，在國內油氣管線建設中，如西氣東輸工程、中俄東線天然氣運輸?shù)葢脧V泛[1-4].在長輸管道鋪設過程中，焊接是必不可少的重要施工環(huán)節(jié).然而，X80管線鋼的強度級別較高，且長輸管道具有較大的厚度，導致大直徑X80鋼管焊接接頭具有較大的冷裂敏感性，易在馬氏體轉變溫度MS點附近或更低溫度區(qū)間產生焊接冷裂紋[5-7].因此，實際施工過程有必要通過焊前預熱工藝，來延長焊接接頭冷卻時間而促進氫的逸出，降低焊接接頭冷裂敏感性[8-9].

預熱溫度是焊前預熱的關鍵因素，不同預熱溫度對焊接接頭的斷裂韌性有較大影響[10].為確定預熱溫度，有必要對不同預熱溫度下焊接接頭的斷裂韌性進行測試[11-13].CTOD為外加張開型載荷作用下原始裂紋尖端附近的張開位移，可通過CTOD測試并依據相關標準計算獲得.與傳統(tǒng)的J積分、KIC相比，CTOD在實際工程結構斷裂韌性評定中有著更好的應用效果，可對焊接接頭的斷裂韌性進行準確的評價[14-15].然而，現(xiàn)行的CTOD測試標準中，采用國家標準GB/T 21143-2014的計算公式與國際標準ISO 15653-2018的計算公式計算所得的CTOD值存在明顯差異，導致實際施工檢驗或第三方仲裁過程產生矛盾[16].該文針對不同預熱條件下X80鋼管道全自動焊接接頭，開展了裂紋尖端張開位移的差異性研究.采用單邊缺口3點彎曲試樣進行CTOD試驗，按照GB/T21143-2014和ISO 15653-2018推薦的公式分別進行CTOD值的計算，對兩者的差異性進行分析，確定預熱溫度.

1 試驗方法

采用焊接方法為內焊機根焊+雙焊炬外焊機熱焊、填充、蓋面的熔化極氣體保護焊(GMAW)，其中根焊用焊接設備為A-808內焊機，熱焊、填充、蓋面用焊接設備為A-610全位置管道自動外焊系統(tǒng).

試驗用母材為X80M管線鋼，管徑為1 219 mm，壁厚為22.2 mm；根焊填充材料為直徑0.9 mm的ER80S-Ni1焊絲，熱焊與填充，蓋面焊填充材料為直徑1.0 mm的ER80S-G焊絲，試驗用母材與焊絲的化學成分如表1所示；焊接用保護氣為80% Ar +20% CO2.

表1 母材與焊絲的化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of base metal and wire

焊接接頭為對接接頭，坡口形式如圖1所示，為復合U形坡口，坡口面角度α=5 ± 1°，β=37.5° ± 1°，鈍邊P=1.3 mm ± 0.2 mm，對口間隙b=0～ 0.5 mm，拐點至內壁高度H=5.4 mm ± 0.2 mm，半坡口寬度W=3.5～ 5.0 mm，拐點圓弧半徑R=3.2 mm，內坡口高度h=1.3 mm ± 0.2 mm.

圖1 焊接接頭坡口形式Fig.1 Groove form of welding joint

焊接順序如圖2所示，其中1層為內焊道，2層為熱焊道，3～7層為填充焊道，8～9層為蓋面焊道.

圖2 焊接接頭焊道順序(mm)Fig.2 Weld sequence of welding joint

為模擬中俄東線天然氣運輸管線施工過程中常遇到的嚴寒環(huán)境，在最低環(huán)境溫度約為-30 ℃室外進行施焊，濕度小于 90% RH，風速小于 2 m/s.焊前采用電加熱對坡口兩側進行預熱，區(qū)域均為50 mm.預熱溫度的選擇一方面借鑒ASME B31.3標準和ASME B31.4標準所規(guī)定的大于79 ℃的預熱溫度；另一方面借鑒當下國家管網中俄東線南段西氣東輸3期項目、西氣東輸4期項目對X80級的預熱溫度取值為110～ 130 ℃之間的經驗.因此，選擇80 ℃與120 ℃的兩種預熱溫度進行對比分析.焊接過程中控制層間溫度為70～ 120 ℃，兩種預熱溫度下焊接所得焊縫外觀成形如圖3所示.

圖3 不同預熱溫度焊接所得焊縫成形Fig.3 Weld forming obtained by welding at different preheating temperatures.(a) preheat 80 ℃,cover weld;(b) preheat 80 ℃,root weld;(c) preheat 120 ℃,cover weld;(d) preheat 120 ℃,root weld

焊后通過線切割從接頭上截取單邊缺口3點彎曲試樣進行CTOD測試，預置疲勞裂紋位置包括名義焊縫中心線處與熔合區(qū)兩種，圖4顯示了CTOD的3點彎曲試樣加工尺寸.

圖4 CTOD 試樣的加工尺寸(mm)Fig.4 Dimensions of CTOD specimen

試驗設備采用包括RPL-250-±250KN微機控制電液伺服疲勞試驗機和BT2-FR250SH.A4K高低溫材料試驗機.根據工程實際規(guī)定的性能評定要求設置試驗溫度為-45 ℃，加載速率為1.0 mm/min，加載時間為1.0～ 3.0 min.試驗前，對每個試件的尺寸進行測量.試驗過程在低溫箱中保溫，采用1次加載的方式，加載至試樣發(fā)生失穩(wěn)斷裂.記錄試驗過程中的載荷與缺口張開位移，繪制相應的FV曲線圖如圖5所示.

圖5 CTOD試驗F-V曲線Fig.5 F-V curve of CTOD test

試樣發(fā)生失穩(wěn)后，取出試樣并將其壓斷，所得實際試樣斷口如圖6所示，并測量各個試樣的預制疲勞裂紋長度a0.CTOD試驗的結果記錄完成后，分別根據GB/T21143-2014和ISO 15653-2018推薦的公式計算CTOD值.計算參數(shù)中泊松比ν為0.3，彈性模量E為210 GPa，引伸計的裝卡位置到試樣表面距離z為0 mm，試樣跨距S為160 mm，試樣未開測槽B為BN，試驗材料在測試溫度下的力學性能如表2所示.

圖6 CTOD試驗預制疲勞裂紋位置Fig.6 Prefabricated fatigue crack location in CTOD test.(a) fusion zone;(b) weld zone

表2 試驗材料力學性能Table 2 Mechanical properties of test material

2 結果與討論

2.1 CTOD值的計算

國家標準GB/T21143-2014所給出的CTOD值計算公式[17]為

式中：δ為裂紋尖端張開位移CTOD值；S為3點試樣跨距；W為試樣寬度；F為最大載荷；B為試樣厚度；BN為試樣的凈厚度；ν為泊松比；E為彈性模量；RP0.2為0.2%非比例延伸強度；a0為預制疲勞裂紋長度；Vp為缺口張開位移塑性分量；z為引伸計的裝卡位置到試樣表面距離.轉動半徑R與應力強度因子系數(shù)g可由以下獲得，即

國際標準ISO 15653-2018所給出的CTOD值計算公式[18]為

根據不同預熱溫度下焊接接頭試樣在CTOD測試后所得的載荷-位移曲線與相關測量數(shù)據，分別按照GB/T21143-2014與ISO 15653-2018推薦公式計算CTOD值，相關數(shù)據與結果如表3所示.

表3 焊接接頭CTOD計算值對比Table 3 Comparison of CTOD values of welded joints

試樣位置編號中FL代表熔合區(qū)試樣，WM代表焊縫試樣.D1，D2，D3為分別在每個試樣的3次不同取樣位置的試驗.δ1為根據GB/T21143-2014計算所得CTOD值，δ2為根據ISO 15653-2018計算所得CTOD值.由計算結果可知，采用ISO 15653-2018推薦公式計算結果明顯高于GB/T21143-2014推薦公式計算結果，計算結果平均偏高35%.根據GB/T21143-2014和ISO 15653-2018的有效性檢驗標準對特征值與計算結果進行檢驗，兩種標準的計算值均有效[17-18].

2.2 不同計算標準對CTOD值的影響分析

CTOD值的大小反映了裂紋尖端材料抵抗開裂的能力，CTOD值越小，則表明裂紋尖端材料的抗開裂性能越差，即韌性越差.對管線鋼產品，需要材料在使用溫度下測試計算所得CTOD值大于規(guī)范允許值.從表3計算結果可知，采用ISO 15653-2018推薦公式計算CTOD值結果與GB/T21143-2014相比平均偏高35%，即按照國家標準評定產品斷裂韌度相比國際標準更加嚴格.對于具有較大冷裂敏感性的高強結構鋼，可能存在按照ISO 15653-2018標準判定為合格而采用GB/T21143-2014標準判定為不合格的情況.

為探討兩種計算標準所得CTOD值計算結果存在差異的原因，對推薦計算式(1)，式(4)進行對比.公式均由前半部分的彈性分量與后半的塑性分量組成.其中，公式的彈性分量部分結構相似，區(qū)別在于ISO 15653-2018標準推薦公式中引入了無量綱系數(shù)m；公式的塑性分量部分則存在較大差異，GB/T21143-2014標準推薦公式引入了轉動半徑R的計算公式來進行修正，ISO 15653-2018標準推薦公式則采用無量綱系數(shù)τ進行修正.

對于彈性分量而言，將表2中給出的不同預熱溫度焊接所得試驗材料的RP0.2與Rm代入式(5)中計算可得，預熱溫度為80 ℃與120 ℃時的ISO 15653-2018標準引入的無量綱系數(shù)m分別為1.72與1.75，均小于GB/T21143-2014標準對應位置的給定系數(shù)2.因為系數(shù)均位于分母位置，且彈性分量的剩余部分計算方法完全一致，所以采用GB/T21143-2014標準推薦公式計算所得的CTOD值的彈性分量，與ISO 15653-2018標準相比更小.對于塑性分量部分，兩種標準在計算過程中涉及到的系數(shù)以及計算結果如表4所示.

表4 CTOD塑性分量計算值對比Table 4 Comparison of plastic component of CTOD values

由表4可知，采用GB/T21143-2014標準推薦公式計算的CTOD值的塑性分量Vp1在0.24Vp～0.25Vp之間；而采用ISO 15653-2018標準推薦公式計算所得的CTOD值的塑性分量部分Vp2在0.34Vp～ 0.37Vp之間.即國家標準計算結果同樣小于國際標準計算結果，與彈性分量部分規(guī)律相一致.

結合計算公式與實際計算結果分析可知，兩種標準計算結果存在差異的主要原因在于ISO 15653-2018標準通過無量綱系數(shù)m與無量綱系數(shù)τ對彈性分量與塑性分量進行修正，而GB/T21143-2014標準引入了轉動半徑R來修正彈性分量部分.其中，無量綱系數(shù)m與無量綱系數(shù)τ主要通過試驗溫度下的規(guī)定塑性延伸強度RP0.2和抗拉強度Rm的比值來反映測試溫度對試驗的影響.轉動半徑R與預置裂紋長度a0相關聯(lián)，考慮了裂紋長度變化的影響，該修正方式的差異導致采用ISO 15653-2018推薦公式計算CTOD值結果比GB/T21143-2014高35%.

2.3 預熱溫度對CTOD值的影響分析

由前文分析可知，GB/T21143-2014標準與ISO 15653-2018標準在評價焊接接頭斷裂韌度方面，雖然側重的影響因素不同，但是均有效.因此，本節(jié)同時采用GB/T21143-2014標準與ISO 15653-2018標準的CTOD值計算結果，對不同預熱條件下X80鋼管道全自動焊接接頭的斷裂韌度進行對比分析.80 ℃與120 ℃的預熱溫度條件下X80鋼管道全自動焊接接頭不同位置的CTOD值對比如圖7所示.

圖7 不同預熱條件下X80M鋼全自動焊接接頭CTOD值對比Fig.7 Comparison of CTOD values of fully automatic welded joints of X80M steel under different preheating conditions.(a) GB/T21143-2014 standard;(b)ISO 15653-2018 standard

圖7(a)為GB/T21143-2014標準計算結果，圖7(b)為ISO 15653-2018標準計算結果.由圖7可知，在兩種標準計算結果下，預熱120 ℃所得接頭的CTOD值均高于預熱80 ℃.其中按GB/T21143-2014標準計算的預熱80 ℃下的D3FL位置，D1WM位置，D2WM位置試樣的CTOD值均不滿足大于0.25 mm的評定標準；其中最小值為0.16 mm，按ISO 15653-2018標準計算的預熱80 ℃下的D1WM位置試樣的CTOD值為0.20 mm，小于0.25 mm的評定標準；對預熱120 ℃下的焊接接頭試樣，各個位置試樣在兩種標準下計算所得CTOD值均大于0.25 mm，高于評定標準.

在產品斷裂韌度評定過程中，被測樣品中只要出現(xiàn)1件不合格樣品，該批次產品就全部被判定為不合格樣品.由此可知預熱80 ℃的焊接接頭的斷裂韌度在國家標準與國際標準判定下均不合格，而預熱120 ℃焊接接頭均合格.對比相同預熱條件的不同位置試樣的兩個標準計算結果可知，熔合區(qū)試樣的CTOD值的整體平均水平高于相同條件下的焊縫區(qū)試樣；CTOD最大值均出現(xiàn)在熔合區(qū)，接頭熔合區(qū)表現(xiàn)出較高韌性.然而應當引起重視的是，熔合區(qū)CTOD值具有一定的分散性.例如預熱120 ℃時，D2FL位置試樣與D3FL位置試樣的CTOD值差距較大，D2FL位置試樣的CTOD值明顯較小.這是由于熔合區(qū)的組織較為復雜且分布不均勻，晶粒尺寸的不同導致了性能的差異.

3 結論

(1) 按GB/T21143-2014標準與ISO 15653-2018標準推薦公式計算的X80M鋼管道全自動焊接接頭CTOD值結果存在差異，采用ISO 15653-2018標準推薦公式計算CTOD值結果與GB/T21143-2014標準相比平均偏高35%，該差異出現(xiàn)的原因是兩種標準的修正方式側重點不同，即GB/T21143-2014標準針對裂紋長度變化進行修正，而ISO 15653-2018 標準針對測試溫度影響進行修正.

(2) 預熱80 ℃條件下的接頭試樣CTOD值整體較低，其中按GB/T21143-2014標準計算有3個試樣低于標準，最低為0.16 mm；按ISO 15653-2018標準計算有1個試樣低于標準，最低為0.20 mm；預熱120 ℃條件下，所有試樣在兩種標準下計算的CTOD值均滿足標準要求，接頭斷裂韌性更好.

(3) 相同預熱條件下，熔合區(qū)試樣CTOD值整體高于焊縫區(qū)試樣，且CTOD最大值均出現(xiàn)于具有較好的斷裂韌性熔合區(qū)，但熔合區(qū)中不同位置CTOD值受組織不均勻性的影響而存在較大差異，性能表現(xiàn)出不均勻性.