四絲內焊+五絲外焊埋弧焊接頭軟化及其對焊管承載能力的影響*

0 前 言

高鋼級管線鋼為熱機械軋制鋼， 由于采用了控制軋制、 加速冷卻等工藝， 使其具有高密度位錯和亞結構、 細晶強化、 析出相強化及位錯強化機制的良好強韌性

。 然而熱機械軋制鋼對后續加工過程的熱量特別敏感， 特別是焊接過程的熱輸入。 由于焊接熱量的輸入， 熱影響區中某些區域的峰值溫度一定會超過奧氏體化溫度， 發生低溫組織向奧氏體的相變， 在隨后的冷卻過程中奧氏體又重新轉變為低溫組織， 在這個過程中沒有控制軋制、 加速冷卻的作用， 獲得的組織一般為貝氏體、 準多邊形鐵素體、 多邊形鐵素體及M-A 等。 同時由于回復再結晶等因素的作用， 使得熱影響區的晶粒變得粗大， 晶內的位錯密度降低， 從而導致熱影響區軟化

。 X70、 X80、 X90鋼級管線鋼均出現了明顯的軟化現象

， 而且近些年， 國內外也出現了多起因軟化區強度變低而導致局部應變集中并引起管線斷裂的案例

。 X80 鋼級管材是我國大輸量、 高壓力輸氣管道的首選鋼級

， 因此對X80 管線鋼的軟化問題進行深入研究， 對確保管道的安全有重要意義。 本研究對X80 鋼級焊管多絲焊接頭熱影響區軟化現象進行了分析， 以期為工程設計提供理論依據。

1 試驗材料及方法

本研究采用X80 鋼級Φ1 422 mm×38.5 mm規格焊管， 管段長度為500 mm， 焊接工藝為內焊四絲＋外焊五絲的埋弧焊， 坡口為帶有鈍邊的X 型坡口， 實際的焊接接頭尺寸如圖1所示。

焊接接頭經過砂紙打磨、 拋光、 腐蝕后， 根據GB/T 2654—2008 《焊接接頭硬度試驗方法》和GB/T 4340—2009 《金屬材料維氏硬度試驗》使用HVST-1000ZA 顯微硬度計對焊接接頭進行硬度測量， 測量點間隔1 mm， 載荷為200 g ， 保載時間為15 s。

根據GB/T 228—2010 《金屬材料拉伸試驗》制備拉伸試樣， 試樣加工尺寸及取樣位置如圖2及圖3 所示。 在MTS model64 型萬能材料試驗機進行室溫拉伸試驗， 加載速率為0.5 mm/min。 從X80 管線鋼焊接接頭部位取樣， 展平后制成拉伸試樣， 采用ARAMIS 設備利用數字散斑相關技術（digital image correlation， DIC） 對拉伸過程厚度方向的變形行為進行監測， 試驗前在待監測表面噴上黑白斑點， 圖像采集速度設置為0.5 s/張。

采用ABAQUS 有限元軟件對多絲埋弧焊接頭進行數值模擬分析， 結果如圖4 所示。 由于直縫管段具有對稱性， 因此建立1/2 管段模型， 如圖4 （a） 所示， 圖中紅色為焊縫區、 黃色為熱影響區、 藍色為母材區。 按照實際焊接接頭尺寸設置外焊縫寬度為14.8 mm， 內焊縫寬度為13.3 mm，熱影響區寬度為6.8 mm， 內外焊道為1.5 mm。通過拉伸試驗確定母材及焊縫的強度及伸長率，熱影響區的性能根據硬度分布規律， 以母材強度為基礎進行折算， 密度、 彈性模量、 泊松比采用一般鋼材的參數， 見表1。

在經濟上，要想實現可持續發展，要尊重自然、愛護自然，確保經濟活動的合理性。通過加強環保工程運行的管理和控制，必須要積極推進工程項目，嚴格監管整個環保工程的實施過程，確保良好的工程成效。

2 結果分析與討論

2.1 母材及焊接接頭力學性能分析

通過顯微硬度分析了五絲＋四絲埋弧焊接頭內表面的硬度變化， 硬度分布規律如圖5 所示。

從圖5 可以看出， 整個焊接接頭的硬度分布不均勻， 硬度變化呈現 “W” 形。 其中焊縫區（W） 硬度高且分布均勻， 平均硬度值為245HV

； 母材 （B） 硬度在230HV

左右； 熱影響區（HAZ） 硬度變化范圍為197HV

～240HV

， 而距離熔合線 （FL） 約6.8 mm 左右的區域， 硬度較于母材下降了14%， 出現了較為明顯的軟化現象。 材料及模型的力學性能見表2 及表3。

當天，云南世博旅游集團與老撾方面簽訂《合作備忘錄》，云南世博旅游集團與南京旅游集團簽訂《戰略合作框架協議》，云南文投集團與云南泡魯達文化旅游投資管理有限公司簽訂《合作意向協議》。

2.2 軟化對焊接接頭單向拉伸過程中應變分布規律的影響

通過梳理現有的主要研究文獻可以發現，多數文獻的研究都限于探討金融發展對經濟增長的影響，或是針對金融發展、人力資本及經濟增長三者之間的線性關系研究，而將人力資本作為金融發展影響經濟增長的門檻因素的文獻確實鳳毛麟角。因此，本文利用Hasen(1999)提出的非線性回歸技術——門檻回歸模型，以西部12個省(區市)為研究對象，采用2003—2016年的省級面板數據，將人力資本作為門檻變量，建立面板門檻回歸模型，研究西部地區人力資本在金融發展影響經濟增長中的中介作用。

2.3 軟化對焊管內壓承載能力的影響

焊管承載能力分析結果如圖11 所示， 其中圖11 （a） 為12 MPa、 36.3 MPa 內壓下管段的應力分布， 可以看出實際工況12 MPa 內壓下管段母材應力水平約194 MPa， 接頭局部有應力不均勻的現象； 內壓增加到36.3 MPa 時， 內焊、 外焊焊趾部位等效應力分別為640 MPa 和609 MPa，已經達到軟化區材料屈服強度。 分別在12 MPa、20 MPa、 30 MPa、 36.3 MPa 內壓時對管道接頭局部的應力分布進行分析， 結果如圖11 （b）所示， 可以看出， 12 MPa 內壓下焊趾部位有少量的應力集中； 20 MPa 時管道接頭整體應力水平提高； 管內壓力繼續增大到30 MPa 時， 焊趾部位出現明顯應力集中， 其中內焊焊趾部位的應力集中程度遠高于外焊焊趾部位。 所以，雖然采用本研究焊接工藝焊接的接頭存在明顯軟化， 但其承載能力仍然遠高于12 MPa 的工作壓力， 不影響管段的承載能力。

利用DIC 技術對焊接接頭拉伸過程進行應變測試， 應變分布如圖6 所示。 彈性變形階段的應變分布如圖6 （a） 所示， 此時試樣的應變基本均勻， 且在整個彈性階段中應變分布規律變化不大， 并沒有出現明顯的應變集中。 試樣屈服后某一時刻的應變分布如圖6 （b） 所示， 此時拉伸應變集中于軟化區， 焊接熱影響區的應變最高值為11.2%， 而母材及焊縫中的應變明顯低于該水平。 隨著應變水平的進一步提高， 應變集中程度也進一步加劇， 導致頸縮出現在接頭下部， 并且在軟化區發生開裂， 如圖6 （c） 所示， 進而發展到整個試樣的斷裂。 最終測得接頭抗拉強度為675 MPa， 由于軟化區的存在使得接頭的強度相較于母材的抗拉強度降低了7.5%。

圖8 所示為不同軟化區寬度對焊管內外焊趾部位的等效應力水平的影響， 可以看出， 隨著軟化寬度的增加， 管內外焊趾部位等效應力均呈現增加趨勢， 且管內焊趾部位應力增加的幅度更大。 隨著軟化寬度的增大， 管道承載能力下降，當軟化寬度為20 mm 時， 管內外焊趾部位應力仍在材料的屈服強度以內。

全部患者28 d內出現的嚴重并發癥依次為細菌感染（293 例，48.3%），急性腎損傷（AKI，237 例，39.1%），肝性腦?。℉E，199 例，32.8%）和上消化道出血（48例，7.9%）。常見感染部位為腹腔（232例，38.3%）、肺部（43例，7.1%）、血液（33 例，5.4%）和其他（包括泌尿系、胸腔和膽囊等，49例，8.1%）。

為分析軟化程度對焊縫軟化區承載能力的影響， 軟化程度分別設置為5%、 14% （實際軟化程度）、 15%、 20%、 25%、 30%、 35%、 40%、 45%及50%。 熱影響區材料屬性根據母材的硬度、強度及均勻伸長率進行折算， 如軟化程度為5%時， 取母材強度的95%作為熱影響區的強度， 取母材伸長率的105%作為軟化區的伸長率， 以此類推建立其他軟化程度的強度及塑性指標。

根據模型的對稱性， 分別在xoz 平面、 yoz平面設置對稱邊界條件， 同時在管段最下部外表面上的節點設置z 向固定約束， 并在管段內表面施加不同程度內壓， 如圖4 （b） 所示。 采用C3D8R 網格類型對模型進行網格劃分， 單元尺寸為1～2 mm， 由于焊趾部位應力集中程度嚴重， 對焊趾部位網格尺寸進行細化， 尺寸設置為0.8 mm， 如圖4 （c） 所示。

圖10 為不同軟化程度下管段焊接接頭內外焊趾部位應力分布關系， 總體上隨著軟化程度的增加， 管內焊趾部位等效應力有輕微的減小， 管外焊趾部位等效應力呈現小幅增加的趨勢， 管內外焊趾均未達到材料的屈服強度。

圖9 所示為軟化程度為5%、 15%、 25%、35%及45%下接頭局部應力分布狀態， 總體來看， 焊接接頭應力分布規律相差不大， 均為管內外焊趾部位有少量的應力集中。 對比可以發現，管外焊趾部位應力集中有增加的趨勢， 而管內焊趾部位應力集中程度變化不明顯。

為探究軟化對直焊縫接頭承載能力的影響， 設置軟化區寬度分別為3 mm、 6.8 mm（實際焊接接頭軟化區寬度）、 20 mm， 以工作應力達到材料的屈服強度為判據。 圖7 所示為軟化區寬度分別為3 mm、 6.8 mm、 20 mm 時管段接頭的等效應力分布狀態， 管段接頭整體應力水平均在194 MPa 左右， 3 種軟化寬度下應力分布差別主要在焊接接頭內外焊趾部位。3 種軟化寬度下接頭應力分布規律較為一致，均為管內外焊趾部位有少量應力集中。 通過對比可以發現， 軟化區寬度的增加使得管內焊趾部位應力集中進一步加大。

3 結 論

（1） 焊接接頭硬度分析結果顯示， 在距離焊縫熔合線6.8 mm 左右的區域， 硬度較母材下降了14%， 該區域出現了較為明顯的軟化現象。焊接接頭拉伸過程DIC 檢測結果顯示， 焊接熱影響區的軟化區出現明顯的應變集中， 且最早出現開裂。

（2） 隨著焊接接頭軟化寬度的增加， 管內外焊趾部位等效應力均增加， 且管內焊趾部位應力增加的幅度更大。 但是， 當軟化寬度達到20 mm時， 在12 MPa 內壓作用下軟化區的應力水平仍未達到其屈服強度。

（3） 隨著接頭軟化程度的增加， 在12 MPa內壓作用下， 焊管內焊趾部位等效應力基本保持不變， 焊管外焊趾部位應力呈現增加趨勢， 但均未達到材料的屈服強度。

廣義的長白山是指長白山脈的主峰與主脈，包括中國遼寧、吉林、黑龍江三省東部山地以及俄羅斯遠東和朝鮮半島諸多余脈的總稱；狹義的長白山則是指位于白山市東南部地區，東經127°40'—128° 16'， 北 緯 41° 35'—42°25'之間的地帶。

（4） 采用本研究焊接工藝焊接的接頭雖然存在明顯軟化， 但預測承載能力為36.3 MPa，遠高于12 MPa 的工作壓力， 不影響焊管的承載能力。

[1] 盧敏，周曉光，劉振宇，等. 冷卻工藝對X80 級抗大變形管線鋼組織性能的影響[J]. 材料熱處理學報，2011，32（7）：83-89.

[2] 陳延清，杜則裕，許良紅.X80 管線鋼焊接熱影響區組織和性能分析[J]. 焊接學報，2010，31（5）：101-104，118.

[3] 陳小偉，王旭，王立柱，等.X80 管線鋼焊接熱影響區軟化問題研究[J].焊管，2017，40（6）：1-8.

[4] 牛靖，張恩濤，呂玉海，等.X70 大變形管環焊接頭及斷裂機制研究[J]. 精密成形工程，2020，12（1）：86-91.

[5] 周勇，馮雪楠，畢宗岳，等.低碳微合金管材TIG 焊熱影響區軟化成因分析[J].材料導報，2019，33（S1）：428-431.

[6] 牛靖，陳宏遠，劉甲，等.X70 大變形鋼焊接接頭熱影響區軟化及其影響研究[J].熱加工工藝，2016（21）：176-179.

[7] 馮耀榮，吉玲康，李為衛，等.中國X80 管線鋼和鋼管研發應用進展及展望[J].油氣儲運，2020，39（6）：612-622.

[8] 谷雨，周小宇，徐凱，等.高強X90 管線鋼焊接熱影響區脆化及軟化行為[J].金屬熱處理，2018，43（6）：74-78.

[9] 李鶴林，吉玲康，田偉.高鋼級鋼管和高壓輸送:我國油氣輸送管道的重大技術進步[J].中國工程科學,2010，12（5）：84-90.

[10] 王曉香. 關于管線鋼管技術的若干熱點問題[J].焊管,2019，42（1）：1-9，16.