圖 1 取樣位置示意
分享：X80鋼管環(huán)焊縫接頭的顯微組織與力學性能
近年來，中國的長輸管線建設取得了前所未有的發(fā)展，西氣東輸、中亞管線、中俄東線等重大管道工程相繼建設。長輸管線材料主要采用X70、X80管線鋼，其口徑大、壓力高，因此管道的安全性能尤為重要。
長輸管道現(xiàn)在唯一的連接方式是焊接，環(huán)焊縫接頭的性能和質量對管道運行期間的穩(wěn)定性和安全性有決定作用[1-6]。國家管網標準DEC-OGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術規(guī)定》對油氣管道的焊接方法、焊接材料、焊接工藝評定，以及現(xiàn)場焊接質量進行了規(guī)定，要求對L485（X70）及以上鋼級管道環(huán)焊縫焊接接頭進行CTOD（裂紋尖端張開位移）試驗。有許多文獻[7-11]也對高鋼級管線鋼進行了CTOD試驗。
筆者對某管道工程焊接工藝進行評定，觀察了焊縫的宏觀形貌和顯微組織，測試了焊接接頭的關鍵力學性能，并對試驗結果進行了分析，為提升長輸管線環(huán)焊縫接頭質量提供了試驗依據(jù)。
1. 試樣制備與試驗方法
試驗對象為1 219 mm×22.0 mm（外徑×壁厚）的X80M鋼對接環(huán)焊縫接頭。取樣位置如圖1所示。平焊位取樣位置為0點方向，立焊位取樣位置為3點方向，仰焊位取樣位置為6點方向。
在環(huán)焊縫接頭平焊位、立焊位和仰焊位焊縫橫截面上截取金相試樣，用OLS 4100型激光共聚焦顯微鏡觀察焊縫的宏觀形貌和顯微組織。
在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ象限取焊接接頭板狀拉伸試樣，試樣平行段寬度為19 mm。在平焊位和仰焊位截取全焊縫棒狀拉伸試樣，試樣平行段直徑為10 mm，標距為50 mm，分別采用SHT4106型和UTM5305型材料試驗機進行拉伸試驗。在平焊位、立焊位和仰焊位焊縫中心和熔合線的內表面、外表面截取沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm（長度×寬度×高度），采用PIT752D-2型沖擊試驗機進行沖擊試驗。試驗溫度為－10 ℃，每組測3個試樣，取平均值。采用KB30BVZ-FA型維氏硬度計在立焊位和仰焊位截取焊接接頭硬度試樣，進行維氏硬度測試，壓痕位置如圖2所示。
圖 2 維氏硬度試驗壓痕位置示意
分別在焊口平焊位、立焊位和仰焊位的焊縫和熔合線處各取1件CTOD試樣，試樣為三點彎曲試樣，試樣公稱寬度為32 mm，厚度為16 mm。采用整體刀口試樣。依據(jù)標準GB/T 21143—2014《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗方法》，GB/T 28896—2013《金屬材料 焊接接頭準靜態(tài)斷裂韌度測定的試驗方法》，加載速率為1 mm/min；采用斷口分析儀對裂紋長度進行測量，測量精度為0.001 mm。
2. 試驗結果與討論
2.1 宏觀形貌和顯微組織
不同焊接位置處焊接接頭的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：平焊位，立焊位和仰焊位焊接接頭均無氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷，焊接層數(shù)均為10層11道。焊接接頭的顯微組織形貌如圖4所示。母材組織由粒狀貝氏體組成，焊縫組織由晶內成核針狀鐵素體加少量的粒狀貝氏體和多邊鐵素體組成，粗晶區(qū)組織由粒狀貝氏體組成，細晶區(qū)組織由多邊鐵素體和少量的馬氏體、奧氏體島狀組織組成。
圖 3 不同焊接位置處焊接接頭的宏觀形貌
圖 4 焊接接頭的顯微組織形貌
2.2 力學性能
2.2.1 拉伸性能
焊接接頭的拉伸試驗結果如表1所示。由表1可知：4個象限焊接接頭的抗拉強度基本相同，且都在母材區(qū)斷裂。
Table 1. 焊接接頭的拉伸試驗結果
| 試樣 | 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 斷后伸長率/% | 斷裂位置 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 位置 | 規(guī)格/mm | ||||
| T0全焊縫 | φ10 | 633 | 680 | 23.0 | — |
| T6全焊縫 | φ10 | 635 | 685 | 22.5 | — |
| T1焊接接頭 | 19 | — | 668 | — | 母材 |
| T2焊接接頭 | 19 | — | 666 | — | 母材 |
| T3焊接接頭 | 19 | — | 668 | — | 母材 |
| T4焊接接頭 | 19 | — | 664 | — | 母材 |
平焊位和仰焊位全焊縫拉伸應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可知：兩個全焊縫拉伸試樣的屈服強度和抗拉強度也很接近，說明環(huán)焊縫接頭在各個象限的強度比較均勻。
圖 5 平焊位和仰焊位全焊縫拉伸應力-應變曲線
2.2.2 沖擊性能
焊接接頭的夏比沖擊試驗結果如表2所示。由表2可知：立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量比平焊位和仰焊位低。平焊位和仰焊位焊縫和熱影響區(qū)的韌性更好。平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的沖擊吸收能量低于熱影響區(qū)。
Table 2. 焊接接頭的夏比沖擊試驗結果
| 取樣位置 | 焊接位置 | 缺口位置 | 沖擊吸收能量 | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 單個值 | 平均值 | ||||
| 內表面 | C0 | 平焊 | 焊縫 | 193，172，181 | 182 |
| 熱影響區(qū) | 194，323，323 | 280 | |||
| C3 | 立焊 | 焊縫 | 160，156，175 | 164 | |
| 熱影響區(qū) | 205，209，230 | 215 | |||
| C6 | 仰焊 | 焊縫 | 179，184，174 | 179 | |
| 熱影響區(qū) | 236，237，255 | 243 | |||
| 外表面 | C0 | 平焊 | 焊縫 | 171，160，174 | 168 |
| 熱影響區(qū) | 211，213，227 | 217 | |||
| C3 | 立焊 | 焊縫 | 163，157，157 | 159 | |
| 熱影響區(qū) | 200，203，197 | 200 | |||
| C6 | 仰焊 | 焊縫 | 193，177，194 | 188 | |
| 熱影響區(qū) | 220，212，246 | 226 | |||
2.2.3 硬度
焊接接頭的維氏硬度測試結果如表3所示。由表3可知：立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均硬度高于仰焊位。立焊位焊縫的硬度比熱影響區(qū)高，仰焊位焊縫和熱影響區(qū)的硬度基本相同。
Table 3. 焊接接頭的維氏硬度測試結果
| 位置 | 單個值 | 平均值 | |
|---|---|---|---|
| H3（立焊位） | 母材 | 231，235，244，235 | 236 |
| 焊縫 | 248，246，234，239 | 242 | |
| 熱影響區(qū) | 242，229，228，231，239，225，249，238 | 235 | |
| H6（仰焊位） | 母材 | 235，238，248，236 | 239 |
| 焊縫 | 227，245，215，223 | 228 | |
| 熱影響區(qū) | 231，230，234，222，221，230，237，224 | 229 | |
2.2.4 CTOD試驗
焊接接頭的CTOD試驗結果如表4所示（按GB/T 21143—2014標準計算的CTOD值為δm1，按ISO 15653—2018《金屬材料 焊接的準靜態(tài)斷裂測定用試驗方法》標準計算的CTOD值為δm2，Vg為總缺口張開位移，V為缺口張開位移）。由表4可知：按照ISO 15653—2018計算的CTOD值比按照GB/T 21143—2014計算的值高35%左右；平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的CTOD值均低于熱影響區(qū)，這與沖擊試驗結果一致。在管線鋼領域，夏比沖擊試驗與CTOD試驗通常用來測試評價材料的韌性。沖擊吸收能量與CTOD值越高，材料的韌性越好。
Table 4. 焊接接頭的CTOD試驗結果
| 試樣編號 | 試驗溫度/℃ | 厚度/mm | 凈厚度/mm | 寬度/mm | 載荷/N | Vg/mm | V的塑性分量/mm | δm1 | δm2 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| D0-WM | -10 | 16.05 | 16.05 | 32.10 | 21 767 | 1.953 | 1.607 | 0.341 | 0.459 |
| D0-FL | -10 | 16.05 | 16.05 | 32.10 | 23 042 | 3.155 | 2.790 | 0.575 | 0.780 |
| D3-WM | -10 | 16.05 | 16.05 | 32.10 | 21 104 | 1.602 | 1.253 | 0.271 | 0.364 |
| D3-FL | -10 | 16.05 | 16.05 | 32.10 | 22 027 | 2.754 | 2.391 | 0.491 | 0.664 |
| D6-WM | -10 | 16.05 | 16.05 | 32.05 | 21 297 | 1.852 | 1.500 | 0.318 | 0.428 |
| D6-FL | -10 | 16.05 | 16.05 | 32.05 | 22 119 | 2.854 | 2.488 | 0.511 | 0.692 |
CTOD試樣斷口宏觀形貌如圖6所示。由圖6可知：斷口由4部分組成，分別是黑色的機械加工缺口、灰色的預制疲勞裂紋區(qū)、較深色的裂紋擴展區(qū)和壓斷區(qū)。
圖 6 CTOD試樣斷口宏觀形貌
3. 結論
（1）平焊位，立焊位和仰焊位焊接接頭均無氣孔、夾渣、未熔合等焊接缺陷。母材組織由粒狀貝氏體組成，焊縫組織由晶內成核針狀鐵素體加少量的粒狀貝氏體、多邊鐵素體組成，粗晶區(qū)組織由粒狀貝氏體組成，細晶區(qū)組織由多邊鐵素體和少量的馬氏體、奧氏體島狀組織組成。
（2）環(huán)焊縫焊接接頭在4個象限的抗拉強度基本相同，平焊位和仰焊位全焊縫拉伸試樣的屈服強度和抗拉強度也很接近，說明環(huán)焊縫接頭在各個象限的強度比較均勻。
（3）立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均沖擊吸收能量比平焊位和仰焊位低。立焊位焊縫和熱影響區(qū)的平均硬度高于仰焊位。平焊位、立焊位和仰焊位焊縫的CTOD值均低于熱影響區(qū)，這與沖擊試驗結果一致。在管線鋼領域，通常用夏比沖擊試驗與CTOD試驗來評價材料的韌性。沖擊吸收能量與CTOD值越高，材料的韌性越好。
文章來源——材料與測試網
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