HFW管線鋼管焊縫的高可靠性技術(shù)

孫 宏，王志太，劉振偉 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

HFW管線鋼管焊縫的高可靠性技術(shù)

孫 宏，王志太，劉振偉 編譯

（渤海裝備華油鋼管公司，河北 青縣062658）

為了解決HFW管線鋼管焊縫可靠性問(wèn)題，通過(guò)使用高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了HFW焊接過(guò)程的動(dòng)態(tài)可視化，并構(gòu)建了一個(gè)HFW數(shù)值分析模型，從而優(yōu)化HFW焊接條件并實(shí)現(xiàn)焊縫區(qū)域的均勻加熱。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接條件優(yōu)化后開(kāi)發(fā)出的HFW鋼管焊縫金屬的夏比韌脆轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到-90℃，且具有較高的低溫吸收能量值。此外，開(kāi)發(fā)的點(diǎn)融合串列束超聲波檢驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了焊縫區(qū)氧化物的實(shí)時(shí)連續(xù)檢測(cè)，其靈敏度為常規(guī)方法的10倍以上。

HFW；管線鋼管；焊接；低溫韌性；視覺(jué)技術(shù)；超聲波檢測(cè)

HFW鋼管具有表面質(zhì)量好和外形尺寸精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于能源領(lǐng)域、機(jī)械結(jié)構(gòu)和常規(guī)管線。近年來(lái)，寒冷地區(qū)天然氣田的增加促使了低溫韌性HFW焊管的需求。為了提高焊縫韌性，本研究通過(guò)對(duì)HFW焊接現(xiàn)象的直接觀測(cè)和數(shù)值模擬明晰了HFW焊管的焊接行為。通過(guò)研究，明確了熔融態(tài)鋼中的金屬氧化物的運(yùn)動(dòng)行為和氧化物的形態(tài)。通過(guò)均勻加熱和熔化技術(shù)，消除了高頻焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氧化物，從而將HFW焊管的夏比沖擊韌脆轉(zhuǎn)變溫度降至低于-90℃。

為了保證整根HFW焊管焊縫的韌性，開(kāi)發(fā)了焊縫留存氧化物的連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)。生產(chǎn)過(guò)程中的在線檢測(cè)是通過(guò)新研制的超聲波缺陷檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)能夠?qū)θ荛L(zhǎng)焊縫實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢測(cè)。此外，全管體評(píng)估試驗(yàn)證明鋼管達(dá)到了優(yōu)異的低溫韌性。

1 HFW技術(shù)的發(fā)展

1.1 HFW焊接現(xiàn)象的可視化

HFW焊管的制造采用的是輥彎成型技術(shù)。首先通過(guò)成型輥將熱軋鋼板輥彎成型為圓形，隨后，通過(guò)高頻電阻焊機(jī)將熱軋鋼板的兩個(gè)板邊加熱熔化，再擠壓結(jié)合，生產(chǎn)工藝如圖1所示。為了使焊接現(xiàn)象可視化并明晰HFW焊管的加熱和焊接行為，采用高頻感應(yīng)加熱設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)了HFW焊管，并對(duì)焊接現(xiàn)象進(jìn)行了觀察分析。圖2為高速攝像機(jī)拍攝的焊接過(guò)程照片。圖2中擠壓輥的中心距V形收斂點(diǎn)大約42 mm，端面完全熔化，沿著焊接點(diǎn)往下，由于擠壓輥的壓力，多余熔化的鋼上浮并堆積在焊縫上，形成熔池，在距離擠壓輥中心大約15 mm處鋼液凝固。

圖1 高頻電阻焊鋼管的生產(chǎn)工藝

圖2 高速攝像機(jī)拍攝的焊縫成形照片

HFW焊接現(xiàn)象的可視化表明：鋼先熔化然后在加壓的過(guò)程中凝固。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了HFW數(shù)值分析模型，該模型涉及V形收斂點(diǎn)前的加熱行為及焊接點(diǎn)后加壓鋼液的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。

1.2 HFW焊接現(xiàn)象的數(shù)值分析

HFW工藝可以大致分為高頻感應(yīng)電阻焊和高頻接觸電阻焊。分別采用分析模型對(duì)這兩種焊接工藝的HFW焊接現(xiàn)象進(jìn)行研究。

1.2.1 高頻感應(yīng)電阻焊

采用有限元數(shù)值模型，分析HFW焊縫的溫度分布。圖3給出了高頻感應(yīng)電阻焊的HFW焊縫數(shù)值分析模型框圖。通過(guò)電磁分析計(jì)算焊管的電流密度分布，而HFW焊管的溫度分布通過(guò)熱傳導(dǎo)分析獲得。

圖3 電磁和熱傳導(dǎo)有限元分析（FEA）流程圖

假設(shè)焊接過(guò)程中電磁場(chǎng)的分布與靜態(tài)相同，渦流密度分布通過(guò)頻率響應(yīng)分析法則計(jì)算。圖4給出了電磁有限分析元模型的概況，該分析模型為三維模型，由于焊管的對(duì)稱性，圖4僅給出了工作線圈和焊管的完整圓周。

圖4 電磁有限元分析模型

根據(jù)頻率300 kHz和焊接速度100 m/min計(jì)算出的渦流密度實(shí)例如圖5所示。從圖5可以看出，渦流密度在工作線圈下方和端面集中。在工作線圈下方位置，根據(jù)估計(jì)，鋼管沿圓周方向的渦流密度大約為107A/m2。端面渦流的集中始于工作線圈的入口側(cè)，在工作線圈出口側(cè)達(dá)到大約108A/m2。從線圈的出口側(cè)到焊接點(diǎn)區(qū)間渦流密度繼續(xù)提高，并在焊接點(diǎn)達(dá)到其峰值，經(jīng)過(guò)焊接點(diǎn)后迅速下降，在距離焊接點(diǎn)0.2 mm的位置降到了不超過(guò)107A/m2。根據(jù)圖5所示的電磁分析結(jié)果進(jìn)行了傳熱分析，對(duì)邊緣的溫度進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖6所示。該分析表明了HFW焊接具有以下熱行為：通過(guò)工作線圈中心時(shí)邊緣開(kāi)始加熱，從工作線圈的末端到焊接點(diǎn)的入口側(cè)溫度線性上升，然后在焊接點(diǎn)之前到焊接點(diǎn)的區(qū)間溫度急劇上升，過(guò)了焊接點(diǎn)后逐漸下降。

圖5 渦流密度的等高線圖

圖6 邊緣溫度和時(shí)間的關(guān)系

1.2.2 高頻接觸電阻焊

圖7 給出了高頻接觸電阻焊焊縫數(shù)值分析模型。在該數(shù)值分析中，結(jié)合使用了二維模型，即連續(xù)電磁和熱傳導(dǎo)分析將包含電極和焊接點(diǎn)的橫截面細(xì)分為大量的二維模型。首先，產(chǎn)生一個(gè)電極橫截面的二維模型，并執(zhí)行電磁和熱傳導(dǎo)有限元分析（FEA）；第二，再產(chǎn)生一個(gè)附加的二維模型，并執(zhí)行類似的電磁和熱導(dǎo)電有限元分析。通過(guò)重復(fù)這個(gè)過(guò)程計(jì)算出每個(gè)焊接點(diǎn)前位置的溫度分布。在焊接點(diǎn)，彈塑性有限元分析開(kāi)始，在保持焊接點(diǎn)溫度分布的同時(shí)，水平移動(dòng)兩根鋼管的網(wǎng)格，對(duì)焊接部分的變形行為進(jìn)行了分析。

圖7 高頻接觸電阻焊焊縫數(shù)值分析模型示意圖

該分析采用了瞬態(tài)響應(yīng)分析的彈塑性結(jié)構(gòu)分析方法。開(kāi)發(fā)出了結(jié)合電磁、熱傳導(dǎo)和彈塑性有限元分析方法的HFW仿真系統(tǒng)，理清了HFW焊縫的變形行為。相對(duì)滲透率、比熱容、電阻、熱焓、熱導(dǎo)率、應(yīng)力及鋼管的楊氏模量被用作溫度的函數(shù)。

使用該分析方法研究了成型條件和焊接條件對(duì)HFW焊接現(xiàn)象的影響。圖8和圖9分別給出了焊接速度對(duì)焊接部位擠壓后的等效塑性應(yīng)變分布和應(yīng)力分布的影響。從圖8可以看出，隨著焊接速度的提高，鋼管內(nèi)側(cè)和外側(cè)多余的金屬?gòu)膶捛揖徠碌男螤钭優(yōu)楠M窄且陡峭的形狀。焊速為0.1 m/s時(shí)，應(yīng)變沿鋼管圓周方向呈較寬分布，搭接面的最大應(yīng)變值為1.2。隨著焊速的提高，鋼管圓周方向的應(yīng)變變窄，變?yōu)榫植糠植?，與之伴隨的是搭接面的最大應(yīng)變值提高到1.8。從圖9可以看出，低焊速時(shí)，焊接邊緣附近的應(yīng)力較低，隨著焊速的提高，焊接邊緣附近的應(yīng)力明顯提高。當(dāng)焊速較低時(shí)，加熱寬度較寬，整個(gè)焊接區(qū)均被加熱到較高的溫度。因此可以推斷，當(dāng)焊接區(qū)的變形抗力降低時(shí)，整個(gè)焊接區(qū)擠壓的應(yīng)力也較低，搭接面的應(yīng)變也降低；相反地，焊接速度提高，加熱寬度變窄，熔融的量也減少，焊接邊緣附近區(qū)域的變形抗力提高。這種情況下，可以假設(shè)大應(yīng)變產(chǎn)生于焊接邊緣的局部。此外，焊接區(qū)的應(yīng)變率也隨著焊接速度的提高而升高。由于這些因素影響，可以估計(jì)邊緣鋼液和鋼液中的氧化物更容易被擠出。因此可以推斷，從防止金屬氧化物的角度看，提高焊接速度是有效的方法。

圖8 焊接速度對(duì)應(yīng)變分布的影響

圖9 焊接速度對(duì)應(yīng)力分布的影響

1.2.3 HFW熔融金屬和氧化物的行為

為了理清高頻焊接擠壓過(guò)程中熔融金屬中氧化物的運(yùn)動(dòng)，開(kāi)發(fā)出了數(shù)值分析系統(tǒng)。將圖7中獲得的焊接區(qū)溫度分布作為初始值，進(jìn)行了結(jié)合熱傳導(dǎo)和塑性流變分析的二維模型分析。作為初始條件，假設(shè)焊接邊緣鋼液表面的氧化膜厚度均勻，為100 μm，圖10給出了擠壓過(guò)程中氧化物運(yùn)動(dòng)的分析結(jié)果。隨著壓力的增加，鋼液向上移動(dòng)，恰好在擠壓開(kāi)始后，邊緣端面的氧化物膜也向上移動(dòng)。0.06 s后，大多數(shù)金屬氧化物轉(zhuǎn)移到多余金屬中，隨著時(shí)間的增加，氧化物在金屬中攪拌并上升。假設(shè)初始氧化物含量是1，多余金屬中的氧化物大約為0.98。因此，該分析表明，焊接邊緣面中的大多數(shù)氧化物被擠到多余金屬中。

1.3 HFW技術(shù)的發(fā)展

圖10 焊接軋制擠壓期間的氧化物分布

基于對(duì)HFW現(xiàn)象的直接觀察及數(shù)值分析獲得的知識(shí)，對(duì)HFW焊接條件進(jìn)行了優(yōu)化，并開(kāi)發(fā)了焊接區(qū)均勻加熱技術(shù)。因?yàn)楹附訁^(qū)生成的金屬氧化物很容易被排入多余金屬，HFW焊縫的力學(xué)性能得到了改善。圖11為開(kāi)發(fā)的HFW焊縫與傳統(tǒng)焊縫的低溫夏比沖擊韌性對(duì)比。傳統(tǒng)HFW鋼管焊縫的夏比沖擊韌脆轉(zhuǎn)變溫度為-37℃，相比之下，新開(kāi)發(fā)的鋼管為-90℃。

圖11 開(kāi)發(fā)的HFW焊縫與傳統(tǒng)焊縫的低溫夏比沖擊韌性對(duì)比

2 HFW焊縫質(zhì)量保證技術(shù)的發(fā)展

2.1 質(zhì)量保證體系概況

通常，HFW焊管的質(zhì)量是通過(guò)橫波超聲波檢測(cè)和夏比沖擊試驗(yàn)等保證的。雖然通過(guò)超聲波檢測(cè)技術(shù)可以檢查整根鋼管，但是檢查的對(duì)象是毫米級(jí)的焊接缺陷和裂紋。因此，還要通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)氧化物夾雜對(duì)低溫韌性的影響。為此，開(kāi)發(fā)了無(wú)損檢測(cè)和微觀氧化物夾雜的在線檢測(cè)技術(shù)。圖12為超聲檢測(cè)系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)包括檢測(cè)微觀氧化物夾雜的相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)、焊縫探測(cè)器、位置控制器及水冷裝置，可以在焊后立即進(jìn)行在線檢測(cè)。

圖12 高頻電阻焊鋼管質(zhì)量保證系統(tǒng)示意圖

2.2 HFW焊縫氧化物夾雜檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)研究

為了通過(guò)檢測(cè)氧化物夾雜保證焊縫質(zhì)量，必須檢測(cè)氧化物的狀態(tài)。因此，從焊縫上切取試塊采用高靈敏度超聲波C型掃描進(jìn)行研究。結(jié)果表明，HFW焊縫中存在著離散分布的微米級(jí)別的微觀氧化物，高的夾雜物密度會(huì)影響低溫韌性。此外，還對(duì)各種高靈敏度C型掃描評(píng)估范圍的夏比沖擊吸收功進(jìn)行了比較。圖13給出了各種超聲評(píng)價(jià)范圍的超聲波回聲水平和吸收功之間的關(guān)系。當(dāng)聚焦束大約為1 mm2時(shí)，優(yōu)化的最高靈敏度超聲波回聲強(qiáng)度可以評(píng)價(jià)夏比沖擊功。換句話說(shuō)，可以使用超聲波檢測(cè)方法成功地評(píng)價(jià)微觀氧化物夾雜的分布。

2.3 相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)

圖13 不同超聲評(píng)價(jià)范圍的超聲波回聲水平和-40℃吸收功之間的關(guān)系

相控陣超聲技術(shù)不用從鋼管上取樣就可以對(duì)鋼管進(jìn)行檢測(cè)。其使用相位按梯度排列的多個(gè)振蕩器發(fā)射超聲波實(shí)現(xiàn)了1 mm2大小的聚焦束。掃查垂直表面，信號(hào)通過(guò)單向反射接收，如圖14所示。其靈敏度比傳統(tǒng)的超聲波橫波檢測(cè)高10倍以上。此外，通過(guò)調(diào)整發(fā)射和接收位置還可以從內(nèi)表面到外表面對(duì)焊縫的厚度方向進(jìn)行檢測(cè)。

圖14 高頻電阻焊相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)

2.4 在線應(yīng)用和全管長(zhǎng)評(píng)價(jià)實(shí)例

作為HFW鋼管生產(chǎn)過(guò)程中的連續(xù)掃查設(shè)備，開(kāi)發(fā)了精確的焊縫跟蹤技術(shù)，使探頭能夠跟蹤沿圓周方向變動(dòng)的焊縫部位。焊縫位置測(cè)量通過(guò)采用熱成像技術(shù)的焊縫跟蹤系統(tǒng)得到的溫度分布為基礎(chǔ)，通過(guò)陣列探頭來(lái)跟蹤焊縫位置，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的在線檢測(cè)。圖15為通過(guò)將焊接熱輸入降低到最佳值以下來(lái)惡化焊接區(qū)力學(xué)性能的實(shí)例。結(jié)果表明，微觀氧化物可以被非?？煽康貦z測(cè)到。如上所述，已經(jīng)可以對(duì)整個(gè)壁厚的氧化物進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并顯示，沿縱向方向可以通過(guò)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)保證整根鋼管焊縫的質(zhì)量。

3 整管評(píng)估試驗(yàn)實(shí)例

為確定所開(kāi)發(fā)鋼管在低溫環(huán)境中的斷裂行為，進(jìn)行了整管-20℃和-45℃低溫缺口爆破試驗(yàn)。人工缺陷開(kāi)在HFW焊縫上，試驗(yàn)結(jié)果如圖16和圖17所示。圖17中的兩條線來(lái)自于巴特爾預(yù)測(cè)公式。所開(kāi)發(fā)鋼管的破裂壓力高于估計(jì)的臨界壓力。此外，滲漏模式是源于缺口底部的韌性滲漏，證明鋼管在低溫下不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的破裂。因此，HFW鋼管制管時(shí)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)斷裂行為的影響很小，斷裂行為可以采用與UOE鋼管相同的方法評(píng)估。

圖15 高頻電阻焊實(shí)際工廠質(zhì)量評(píng)價(jià)檢查

圖16 低溫整管爆破試驗(yàn)示意圖

圖17 低溫整管爆破試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）開(kāi)發(fā)出能夠直接觀察HFW焊接行為的可視化技術(shù)及HFW焊接數(shù)值分析模型。研究發(fā)現(xiàn)，提高焊接速度可以有效減少焊縫中的氧化物夾雜，通過(guò)提升均勻的溫度分布可以顯著消除邊緣的氧化物。

（2）開(kāi)發(fā)的HFW鋼管低溫韌性優(yōu)異，其夏比沖擊韌脆轉(zhuǎn)變溫度達(dá)-90℃。

（3）可以使用超聲波檢測(cè)方法成功地評(píng)價(jià)微觀氧化物夾雜的分布，并通過(guò)了在線整管評(píng)價(jià)。

（4）根據(jù)整管-20℃和-45℃低溫缺口爆破試驗(yàn)結(jié)果，所開(kāi)發(fā)鋼管的破裂壓力高于估計(jì)的臨界壓力。

譯自：OKABE Takatoshi， IIZUKA Yukinori， IGI Satoshi.High reliability technology of the weld zone of high-frequency electric resistance welding Linepipes[J].JFE Technical Report，2015（03）：125-132.

High Reliability Technology of the Weld Zone of High-Frequency Electric Resistance Welding Linepipes

Edited and Translated by SUN Hong,WANG Zhitai,LIU Zhenwei
（North China Petroleum Steel Pipe Company of CNPC Bohai Equipment Manufacturing Co.，Ltd.,Qingxian 062658， Hebei,China）

To address the significant need for weld seam reliability，the HFW phenomena were visualized dynamically using a high-speed video camera，and an HFW numerical analysis model was constructed to develop optimization technology of HFW conditions and the homogeneous heating technology of the weld zone.The Charpy fracture transition temperature of the weld metal of the developed steel pipe was-90℃ showing the high absorbed energy value at cryogenic temperature.Furthermore，real-time continuous detection technology of the oxide of the weld zone was developed by a point converging tandem beam ultrasonic inspection method.This technology achieved high sensitivity 10 times or more than that of the conventional method.

HFW;linepipe;welding； low temperature toughness； vision detection technology； ultrasonic testing

TG444.9

B

1001－3938（2015）12-0063-06

孫 宏（1974—），男，高級(jí)工程師，工程碩士，主要從事石油輸送鋼管材料與試驗(yàn)技術(shù)研究工作。

2015-07-06

李 超