X70焊管焊接接頭熱影響區(qū)沖擊試樣缺口位置的探討

王麗麗，劉 通，王自信，顧志乾

(山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082)

X70焊管焊接接頭熱影響區(qū)沖擊試樣缺口位置的探討

王麗麗，劉 通，王自信，顧志乾

(山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博255082)

通過金相試驗、夏比沖擊試驗研究了X70螺旋埋弧焊管焊接接頭熱影響區(qū)試樣不同缺口位置的金相組織、沖擊功及剪切面積的分布情況。試驗結(jié)果顯示，沖擊功和剪切面積的大小與缺口位置在粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、部分相變區(qū)和內(nèi)焊縫所占的比例相關(guān)，內(nèi)焊縫所占比例越低，沖擊功和剪切面積越大。綜合分析試驗結(jié)果和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，得出了X70焊管焊接接頭熱影響區(qū)試樣缺口位置的確定方法，即熱影響區(qū)沖擊試樣的缺口軸線應(yīng)在試樣上表面與外焊縫熔合線交界處，沖擊試樣邊緣距外焊縫邊緣1～2mm為宜。

焊管；X70鋼；熱影響區(qū)；缺口位置；沖擊試樣

0 前 言

在螺旋埋弧焊管檢測中，沖擊試樣缺口位置的合理定位對焊接接頭韌性測試的準(zhǔn)確性有一定的影響。在V形缺口夏比沖擊試驗中，破壞性應(yīng)力最先在V形缺口尖端處集中，并產(chǎn)生導(dǎo)向斷裂面，斷面形成所吸收的能量即沖擊韌性值[1]。焊接接頭通常由內(nèi)焊縫、外焊縫、熱影響區(qū)和母材構(gòu)成，各區(qū)域組織和韌性的不均衡分布，導(dǎo)致測量值隨斷面位置的不同而變化[2]，而斷面的形成受制于缺口尖端的位置。因此，在管線鋼管焊接接頭的檢驗中，缺口位置的選擇對沖擊試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要[3]。

筆者通過對X70螺旋埋弧焊管焊接接頭熱影響區(qū)不同缺口(V形)位置試樣進(jìn)行了夏比沖擊試驗，探討了該類試樣不同缺口位置的金相組織、沖擊功及剪切面積的分布情況，從而為高強度管線鋼焊接接頭熱影響區(qū)沖擊試樣缺口位置的確定提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用φ1016mm×15.9mm規(guī)格X70M螺旋埋弧焊管。使用先內(nèi)焊后外焊的埋弧焊工藝，內(nèi)外雙絲，焊絲使用BHM-9，焊劑使用SJ101，內(nèi)外焊熱輸入量為(19.80±1.9)kJ/cm和(21.82±2.1)kJ/cm，保證重合量≥1.5mm。此工藝已經(jīng)過試驗測評，屬于合理有效的生產(chǎn)工藝，焊道外觀規(guī)整，無缺陷和理化性能異常。該鋼管化學(xué)成分見表1。管體-10℃沖擊功平均值為308J，焊接接頭抗拉強度為735MPa，斷口位置為熱影響區(qū)。金相分析結(jié)果表明，該X70鋼管管體的組織為針狀鐵素體，晶粒度為11級，其顯微組織如圖1所示。

表1 X70試驗鋼管的化學(xué)成分 ％

圖1 X70試驗鋼管管體顯微組織

1.2 試驗方法

對X70螺旋埋弧焊管的焊接接頭取樣，總計取60個，分3組，每組20個試樣。垂直于焊縫取10mm×10mm×55mm的V形缺口夏比沖擊試樣，按ASTM A370[4]規(guī)定進(jìn)行試樣制備，熱影響區(qū)試樣取樣位置如圖2所示。熱影響區(qū)沖擊試樣的缺口軸線應(yīng)在試樣上表面與外焊縫熔合線交界處，其中位置1表示試樣上表面距離外焊道邊緣1mm[5]，位置2表示試樣上表面距離外焊道邊緣2mm，位置3表示試樣上表面距離外焊道邊緣3mm。將沖擊試樣打磨、拋光、腐蝕，確定缺口位置線，如圖3所示。測量了3個不同缺口位置的粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、部分相變區(qū)和內(nèi)焊縫的大小，計算出所占比例如圖4所示。觀察所有沖擊試樣，部分試樣略有焊偏，但焊偏量均小于1.5mm，符合API標(biāo)準(zhǔn)小于3mm的要求。在-10℃下按ASTM A370進(jìn)行夏比沖擊試驗，隨后對試驗結(jié)果和斷口進(jìn)行分析。

圖2 熱影響區(qū)試樣取樣位置

圖3 試樣缺口位置線

圖4 不同缺口位置各區(qū)域所占比例

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

部分相變區(qū)有經(jīng)過重結(jié)晶的細(xì)晶粒鐵素體和珠光體，又有未發(fā)生相變的粗大晶粒鐵素體，晶粒大小極不均勻；細(xì)晶區(qū)組織為細(xì)小的鐵素體和珠光體，有較好的塑性和韌性；粗晶區(qū)奧氏體晶粒劇烈長大，組織為粗大的針狀鐵素體，塑性和韌性較差[6]；熔合區(qū)晶粒十分粗大，化學(xué)成分和組織極不均勻，并且此段區(qū)域很窄，金相觀察很難區(qū)分。內(nèi)焊縫柱狀晶粒粗大，化學(xué)成分和組織不穩(wěn)定[7]。由圖4可以看出，3個位置的粗晶區(qū)所占比例相差不多，均為55％～65％，其中位置2最高約為65％；位置1和位置2細(xì)晶區(qū)所占比例為35％左右，位置3細(xì)晶區(qū)所占比例最少，約12％；3個位置部分相變區(qū)所占比例均較少，均在8％以下；位置1和位置2內(nèi)焊縫所占比例幾乎為0，位置3內(nèi)焊縫所占比例較高，約28％。由此可知，缺口位置加工越靠近外焊道邊緣，粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)所占比例越大，內(nèi)焊縫所占比例越小，缺口位置越適宜。

2.2 沖擊試驗結(jié)果分析

根據(jù)API SPEC 5L(45版)要求熱影響區(qū)沖擊功不低于27J，剪切面積提供數(shù)值參考。X70螺旋埋弧焊管焊接接頭不同缺口位置的沖擊功及剪切面積分布如圖5所示。從圖5可以看出，位置3的沖擊功最低，平均值為144J，剪切面積也最低，平均值為61％。這是因為位置3中，內(nèi)焊縫所占比例較大，內(nèi)焊縫柱狀晶粒粗大，化學(xué)成分和組織都不穩(wěn)定，導(dǎo)致數(shù)值較低。位置1和位置2的沖擊功數(shù)值較穩(wěn)定，位置1的平均值為192J，位置2的平均值為198J，位置1剪切面積平均值為74％，位置2剪切面積平均值為68％，二者相差較小。這是因為位置1和位置2粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)所占比例相差無幾，相對位置3而言，細(xì)晶區(qū)所占比例上升，細(xì)晶區(qū)形成溫度不太高，冷卻后是細(xì)小的珠光體加鐵素體，有較好塑性和韌性[8]，且內(nèi)焊縫所占比例下降，所以沖擊功和剪切面積數(shù)值較高。綜上所述，熱影響區(qū)沖擊試樣的缺口軸線應(yīng)在試樣上表面與外焊縫熔合線交界處，沖擊試樣邊緣距外焊縫邊緣1～2mm為宜，盡量減小或避免開在內(nèi)焊縫。

圖5 不同缺口位置的沖擊功及剪切面積分布情況

2.3 綜合分析及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)討論

API SPEC 5L《管線鋼管規(guī)范》[9]中規(guī)定，制取埋弧焊管熱影響區(qū)試樣時，缺口的軸線應(yīng)盡可能接近圖6所示的外焊縫熔合線，取樣應(yīng)盡可能接近鋼管的外徑表面；《天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件》[10](以下簡稱通用技術(shù)條件)規(guī)定，缺口軸線應(yīng)垂直于鋼管表面，鋼管熱影響區(qū)試驗用的每個試樣在加工刻槽前均應(yīng)酸蝕，以確定適當(dāng)?shù)目滩畚恢?。在螺旋埋弧焊管熱影響區(qū)上截取的試樣的刻槽軸線如圖7所示，盡可能靠近外焊道邊緣。兩種標(biāo)準(zhǔn)主要區(qū)別是：API標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出靠近外徑表面的程度，通用技術(shù)條件給出靠近外焊道邊緣不大于2mm的規(guī)定，而本試驗驗證了2種標(biāo)準(zhǔn)的可行性，但是在實際加工試樣的過程中，即使缺口位置偏離少許，也會使測量結(jié)果失真，導(dǎo)致低值高測或者將不合格產(chǎn)品判定為合格產(chǎn)品的情況發(fā)生，進(jìn)而影響管線鋼管的安全使用。為此，建議各實驗室應(yīng)有自己的試樣加工規(guī)定，開缺口前應(yīng)對試樣進(jìn)行腐蝕；熱影響區(qū)沖擊試樣的缺口軸線應(yīng)在試樣上表面與外焊縫熔合線交界處，沖擊試樣邊緣距外焊縫邊緣在1～2mm為宜。

圖6 API SPEC 5L熱影響區(qū)試樣取樣位置

圖7 通用技術(shù)條件熱影響區(qū)試樣取樣位置

3 結(jié) 論

(1)在V形缺口夏比沖擊試驗中，缺口位置是影響沖擊結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素，沖擊功和剪切面積的大小與缺口位置在粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、部分相變區(qū)和內(nèi)焊縫所占的比例相關(guān)，內(nèi)焊縫所占比例越低，沖擊功和剪切面積越大。

(2)為了確保在適當(dāng)位置開缺口，開缺口前應(yīng)對試樣進(jìn)行腐蝕；熱影響區(qū)沖擊試樣的缺口軸線應(yīng)在試樣上表面與外焊縫熔合線交界處，沖擊試樣邊緣距外焊縫邊緣1～2mm為宜。

[1]冶金工業(yè)部鋼管研究院.合金鋼手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1984.

[2]王勇，韓濤，劉敏.X70管線鋼焊接熱影響區(qū)的局部脆化[J].材料工程，1999(10)：14-20.

[3]李雪鵬，徐學(xué)利，何興利，等.螺旋埋弧焊管焊接接頭沖擊韌性試樣缺口位置的確定[J].焊管，2013，36(05):41-43.

[4] ASTM A370-14，Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products[S].

[5]張文鉞.焊接冶金學(xué)(基本原理)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996.

[6]茹成章，王新虎.HFW石油套管焊縫沖擊韌性影響因素分析[J].熱處理技術(shù)與裝備,2010(06)：39-42,61.

[7]機械工業(yè)理化檢驗人員技術(shù)培訓(xùn)和資格鑒定委員會.金相檢驗[M].上海:上?？茖W(xué)普及出版社,2003.

[8]張小立，莊傳晶，吉玲康，等.高鋼級管線鋼的特征參量及其與強韌性的關(guān)系[J].材料工程,2006(08):3-7.

[9]API SPEC 5L，管線鋼管規(guī)范(45版)[S].

[10]CDP-S-NGP-PL-006-2011-2，天然氣管道工程鋼管通用技術(shù)條件[S].

Discussion on Impact Specimen Notch Position of X70 Welded Pipe Heat Affected Zone(HAZ)

WANG Lili,LIU Tong,WANG Zixin,GU Zhiqian
(Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,Shandong,China)

In this article,it studied the distribution situation of metallographic structure,impact energy and shearing area of X70 SAWH pipe welded joint HAZ specimen in different Notch position,by adopting metallographic test and Charpy impact test.The results indicated that the values of impact energy value and shearing area are related with Notch position proportion in coarse grained region,fine grained region,part of the phase change zone and inside weld.The lower the proportion of inside weld is,the greater the impact energy and shearing area.After comprehensive analysis of test results and related standards,the determination method of X70 SAWH pipe welded joint HAZ specimen Notch position was obtained;the Notch axis of HAZ impact specimen should be in the junction of specimen upper surface and outside weld fusion line,and the distance from Impact test specimen edges to the outside weld edge of 1～2mm is applicable.

welded pipe;X70 steel;heat affected zone(HAZ);Notch position;impact specimen

TG115.56

B

1001-3938(2015)02-0060-04

王麗麗(1986—)，女，學(xué)士，助理工程師，主要從事鋼管的質(zhì)量檢測工作。

2014-08-21

謝淑霞