高匹配搭接角焊縫力學性能及應用效果分析

許彥，劉迎來，聶向暉，豐振軍，李亮，楊鋒平

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司，西安， 710077；2.北京隆盛泰科石油管科技有限公司，北京， 100101)

0 序言

B 型套筒修復技術作為重要的在役焊接修復手段，能夠保證管道輸送的連續進行，減少對環境破壞，縮短修復周期，降低修復費用，具有廣闊發展前景[1-2].B 型套筒安裝須焊接完成兩條對接縱向焊縫和兩條環形搭接角焊縫，其中，角焊縫搭接著鋼管和B 型套筒，其焊接質量直接影響到B 型套筒修復的密封性和承壓能力[3-8].目前，現場使用的低強度級別B 型套筒壁厚甚至達到50～60 mm，造成套筒安裝焊接勞動強度過高，焊接質量難以保障，為了實現高鋼級管道環焊縫的有效修復，高強度級別薄壁B 型套筒有著大量的應用需求，其配套焊材選擇和焊接工藝亟待改進，尤其是焊材選擇的強度不匹配程度必然會影響焊接接頭的力學性能及承載能力，目前關于對接環焊縫的強度匹配研究較多[9-12]，而關于搭接角焊縫的強度匹配則較少報道.文中開展等匹配和高匹配搭接角焊縫焊接接頭的 試驗研究，通過對比試驗掌握高匹配搭接角焊縫焊接接頭的力學性能及應用效果，指導搭接角焊縫焊接材料選擇及焊接質量控制.

1 試驗方法

圖1 為B 型套筒安裝示意圖.試驗選用一根外徑1 016 mm、壁厚12.8 mm X80 螺旋縫鋼管作為待修復鋼管，并選用相同強度級別的X80 鋼級B 型套筒對鋼管進行焊接修復，同時，選取四川大西洋焊接材料股份有限公司生產的CHE707Ni 和CHE607Ni 2 種焊條進行焊接試驗，其實物水平分別接近X90 和X70.試驗用鋼管、套筒及焊條熔覆金屬的化學成分如表1 表示.

表1 試驗用鋼及焊條熔覆金屬化學成分(質量分數，%)Table 1 Chemical composition of molten steel and electrode for test

圖1 B 型套筒安裝示意圖Fig.1 B sleeve installation schematic

采用焊條電弧焊進行角焊縫焊接，角焊縫焊接接頭形式及焊接順序如圖2 所示，焊接工藝參數如表2 所示.采用直流反接方法，管道傾斜45°進行全方位焊接，焊接順序是由12 點位置下向焊接至6 點位置，整個焊接過程采用火焰加熱方法進行預熱，預熱溫度應不低于80 ℃.

表2 焊接材料工藝參數Table 2 Welding process parameters

圖2 角焊縫焊接接頭焊接順序Fig.2 Welding sequence of fillet weld joint

采用UTM5305 型的材料試驗機按照標準GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1 部分：室溫試驗方法》進行拉伸試驗.沿角焊縫環向在其焊縫金屬中心處取樣，試樣為棒狀試樣，標距段直徑為6.25 mm，標距段長度為25 mm.采用PSW750 型沖擊試驗機按照標準GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》進行沖擊韌性試驗.沿角焊縫環向在其焊縫金屬中心處取樣，加工夏比V 形缺口沖擊試樣，試樣尺寸為55 mm ×10 mm × 10 mm.依據標準GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》分別在等匹配焊接接頭和高匹配搭接角焊縫處取樣進行金相分析.依據標準GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》在金相試樣上進行維氏硬度試驗，測試角焊縫處焊縫及熱影響區維氏硬度，并繪制硬度分布云圖.硬度試驗中加載載荷為9.8 N.

2 試驗結果

2.1 拉伸試驗

采用焊接接頭所用焊接材料的抗拉強度和鋼材抗拉強度的比值定義強度匹配比，并且將強度匹配比小于1、等于1 和大于1 的情況分別稱為低匹配、等匹配和高匹配.拉伸試驗結果如圖3 所示，斷后伸長率主要反映整體變形階段的塑性變形能力，均勻延伸率反映了均勻變形階段的塑性變形能力.待修復鋼管管體屈服強度為639 MPa，抗拉強度為682 MPa，屈強比為0.94，斷后伸長率為28.5%，均勻延伸率為10.5%，拉伸曲線存在明顯屈服平臺；套筒的屈服強度為556 MPa，抗拉強度為659 MPa，屈強比0.84，斷后伸長率為22.5%，均勻延伸率為8.5%.選用CHE607Ni 焊接材料施焊的等匹配焊接接頭熔敷金屬屈服強度為657 MPa，抗拉強度為744 MPa，強度略高于鋼管和套筒，屈強比為0.88，斷后伸長率為22.5%，均勻延伸率為9.0%，延展性變化不大；選用CHE707Ni 焊接材料施焊的高匹配焊接接頭熔敷金屬屈服強度為792 MPa，抗拉強度為841 MPa，強度明顯高于鋼管和套筒，屈強比為0.91，斷后伸長率為20.5%，均勻延伸率為7.5%，延展性最差.

圖3 拉伸試驗結果Fig.3 Results of tensile test

2.2 沖擊韌性試驗

圖4 為沖擊韌性試驗結果.采用正態概率紙對數據進行統計分析，待修復鋼管管體的夏比沖擊吸收能量分布在235～310 J 范圍，平均值為275 J，標準偏差為22.2，具有良好的韌性；等匹配焊接接頭熔敷金屬的夏比沖擊能量分布在128～217 J 范圍，平均值為159 J，標準偏差為27.0，沖擊韌性低于待修復鋼管，且數值分布較為分散；高匹配焊接接頭熔敷金屬的夏比沖擊能量分布在93～115 J 范圍，平均值為102 J，標準偏差為8.3，沖擊韌性相較其他數值最低，但數值分布更為集中.

圖4 夏比沖擊試驗正態概率分布Fig.4 Normal probability distribution of Charpy impact test

2.3 缺陷檢測及電鏡分析

對角焊縫進行磁粉檢測時發現高匹配搭接角焊縫出現了橫向裂紋，裂紋及沿裂紋所在界面解剖后斷口形貌如圖5 所示，裂紋面存在輕微銹蝕.

圖5 高匹配焊接接頭橫向裂紋Fig.5 Transverse crack of over-matching welded joint.(a) transverse cracks;(b) crack anatomy

對角焊縫裂紋面進行電鏡觀察，如圖6 所示，焊縫裂紋均起源于角焊縫的外表面層，源區沿柱狀晶呈放射狀由外向內壁層方向擴展，準解離擴展方式反復向前推進，整個斷口較為粗糙，斷口上存在較多的小氣孔，局部擴展區呈淺韌窩形貌.

圖6 裂紋面形貌Fig.6 Crack surface morphology.(a) source region;(b) expansion region;(c) local expansion region

2.4 低倍形貌觀察及硬度試驗

圖7 為等匹配搭接角焊縫宏觀形貌和硬度云圖，圖8 為高匹配搭接角焊縫宏觀形貌和硬度云圖.圖7 所示焊縫及熱影響區維氏硬度分布在179～293 HV10 范圍，平均值為227 HV10，標準偏差為24.3，角焊縫外表面與套筒搭接處焊縫硬度出現最高值.圖8 所示焊縫及熱影響區維氏硬度分布在207～403 HV10 范圍，平均值為285 HV10，標準偏差為38.1，角焊縫整體硬度偏高，尤其是外表面中心位置焊縫硬度出現異常峰值.

圖7 等匹配焊接接頭Fig.7 Matching welded joints.(a) Macromorphology of fillet weld;(b) Hardness nephogram

圖8 高匹配焊接接頭Fig.8 Over-matching welded joints.(a) macromorphology of fillet weld;(b) hardness nephogram

3 討論及分析

試驗選用X80 鋼級B 型套筒修復X80 鋼管，待修復鋼管及選用的B 型套筒具有良好的拉伸強度和沖擊韌性；并選用管道專用細晶粒鋼焊條(CHE607Ni)施焊角焊縫實現等匹配焊接，選用低氫鈉型藥皮的低合金鋼船用焊條(CHE707Ni)施焊角焊縫實現高匹配焊接.相較待修復鋼管，選用CHE607Ni 焊材施焊的等匹配焊接接頭熔敷金屬實測拉伸強度接近待修復鋼管，沖擊韌性低于待修復鋼管且數值分布較為分散；而選用CHE707Ni 焊材施焊的高匹配焊接接頭熔敷金屬拉伸強度明顯高于待修復鋼管，且延展性較差，沖擊韌性較低但數值分布更為集中.總體而言，等匹配焊接和高匹配焊接的焊接接頭具有良好的拉伸強度和沖擊韌性，高匹配焊接的焊接接頭延展性較差.后續開展了修復結構件的靜水壓驗證試驗，其試驗壓力為1.5 倍的設計壓力，發現B 型套筒修復件未發現泄漏.

對施焊完成的角焊縫進行磁粉檢測，高匹配搭接角焊縫出現了橫向裂紋，其擴展方向與管道受力荷載相關性關系不大，推測其形成與其焊縫內應力偏大相關，并且焊縫裂紋均起源于角焊縫的外表面層，源區沿柱狀晶呈放射狀由外向內壁層方向擴展，準解離擴展方式反復向前推進，整個斷口較為粗糙，斷口上存在較多的小氣孔，局部擴展區呈淺韌窩形貌.通過進一步的低倍形貌檢查及硬度測試，等匹配搭接角焊縫維氏硬度最大值為293 HV10，出現在角焊縫外表面與套筒搭接焊縫處，然而，高匹配搭接角焊縫維氏硬度整體偏高，與焊縫熔敷金屬合金含量偏高有關，測得維氏硬度最大值為403 HV10，出現在外表面中心位置焊縫處，與橫向裂紋起裂位置相對應，其產生原因與焊接過程中不同部位熔池金屬冷卻速率有關，尤其是外表面蓋面焊焊接時冷卻速度較快，造成外壁層硬度值異常偏高，進一步造成裂紋產生.因此建議搭接角焊縫焊接焊材選擇時，在不影響密封和承載前提下，可嘗試降低焊縫匹配強度等級.

4 結論

(1)高匹配搭接角焊縫焊接接頭仍具有良好的拉伸強度和沖擊韌性，其沖擊韌性和延展性略低于等匹配焊接.

(2)高匹配搭接角焊縫出現了起源于角焊縫外表面層的橫向裂紋，且該焊接接頭硬度整體高于等匹配焊接，硬度最大值出現在外表面中心位置焊縫處，數值為403 HV10，與裂紋起裂位置對應，其產生原因應與焊接過程中不同部位熔池金屬冷卻速率有關.