于建國(guó)，路廣平，田 鵬,，喬桂英，肖福仁

(1.承德石油高等?？茖W(xué)校，河北 承德 067000；2.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司 華油鋼管揚(yáng)州分公司，江蘇 揚(yáng)州 225128；3.燕山大學(xué) 亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004;4.燕山大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004;5.燕山大學(xué) 環(huán)境與化工工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004)

0 引言

高頻焊鋼管因焊接速度高、產(chǎn)品尺寸精度好、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、礦山、建筑等行業(yè)[1-2]。我國(guó)自本世紀(jì)初開(kāi)始引進(jìn)大量大、中口徑(Φ508～660 mm)高頻焊管生產(chǎn)線，目標(biāo)是針對(duì)國(guó)內(nèi)能源需要的油氣輸送管線市場(chǎng)。然而，在高頻焊管生產(chǎn)線引進(jìn)的初期，重點(diǎn)關(guān)注了裝備的引進(jìn)，而對(duì)鋼管焊接質(zhì)量控制技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收不足，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大，甚至出現(xiàn)了鋪設(shè)的鋼管在試壓過(guò)程中出現(xiàn)滲水事件[3-4]，嚴(yán)重打擊了油氣輸送行業(yè)對(duì)高頻焊管質(zhì)量的信心，使高頻焊管幾乎退出了高壓油氣管線輸送的市場(chǎng)。這一經(jīng)歷也促進(jìn)了高頻焊管行業(yè)對(duì)鋼管質(zhì)量的重視。經(jīng)過(guò)十多年技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，國(guó)內(nèi)高頻焊管的質(zhì)量顯著提高，并得到大量出口訂單。在出口產(chǎn)品的生產(chǎn)和國(guó)外管線技術(shù)的對(duì)接中，高頻焊管的質(zhì)量及其穩(wěn)定性獲得穩(wěn)步提升。盡管如此，國(guó)內(nèi)油氣管線行業(yè)仍未消除對(duì)高頻焊管質(zhì)量的顧慮，高頻焊管仍很難進(jìn)入油氣輸送市場(chǎng)。因此，如何全面評(píng)價(jià)高頻焊管的焊接質(zhì)量，找出能夠影響鋼管質(zhì)量的關(guān)鍵因素，進(jìn)一步提高鋼管的質(zhì)量，減弱并消除油氣管線行業(yè)對(duì)高頻焊管的疑慮，擴(kuò)展高頻焊管的市場(chǎng)是高頻焊管行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)X70鋼管性能進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上，模擬管線運(yùn)行啟停過(guò)程中的內(nèi)壓變化引起的應(yīng)力變化，采用疲勞方法研究了焊縫的疲勞壽命[5]。目的為全面評(píng)估國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高頻焊管的質(zhì)量和服役安全提供更為全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]。

1 試驗(yàn)材料及方法

本研究所用焊縫性能檢測(cè)試樣均取自143批次Φ457 mm×7.9 mm商用X70高頻焊管，X70鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍為：0.05%～0.08%C、0.23%～0.30%Si、1.49%～1.60%Mn、0.007%～0.018%P、0.001%～0.002%S、0.12%～0.16%Cr、0.04%～0.06%Nb、0.01%～0.02%Ti。性能試樣取樣及檢測(cè)評(píng)價(jià)按API 5L (45th) PSL2標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，取樣方向?yàn)殇摴艿臋M向，性能指標(biāo)主要包括管體和焊縫的拉伸性能、低溫沖擊韌性(0 ℃)、焊縫硬度等。

為了能夠全面評(píng)價(jià)鋼管的質(zhì)量及服役安全性，測(cè)定了不同應(yīng)力條件下斷裂時(shí)的應(yīng)力循環(huán)周次，即疲勞壽命。疲勞試驗(yàn)按GB/T 13816—1992焊接接頭脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)方法，在MTS Landmark 370萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行上。循環(huán)應(yīng)力條件為：正弦拉-拉循環(huán)應(yīng)力、應(yīng)力比為R=σmin/σmax=0.1、頻率為10 Hz。

采用S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌；Axiovert 200 MAT型金相顯微鏡觀察焊縫組織。

在線高頻熱處理是改善高頻焊管焊縫組織和性能重要手段。X70鋼管在線正火溫度為920±10 ℃。為確定該正火溫度對(duì)焊縫性能的影響，采用Gleeble-3500熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬在線正火工藝，研究了焊后熱處理正火溫度對(duì)性能的影響。熱處理工藝為：以6.5 s加熱到720 ℃，保溫1 s；再以6.5 s加熱到900～1 000 ℃的正火溫度。隨后以10.4 s冷卻到700 ℃；以4.7 s冷卻至500 ℃；再以1.7 s冷卻至400 ℃，隨后快冷至室溫。熱模擬后試樣加工成Φ3 mm×7 mm的微拉伸試樣，測(cè)試其強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鋼管的性能統(tǒng)計(jì)分析

表1給出了143批次X70鋼管的實(shí)測(cè)結(jié)果的分布范圍及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。由表可見(jiàn)，X70鋼管具有良好的質(zhì)量，鋼管的各項(xiàng)性能指標(biāo)均高于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)比管體和焊縫，總體強(qiáng)度沒(méi)有明顯變化，焊縫的沖擊韌性則有一定的降低。然而，表1不能給出準(zhǔn)確的性能分布狀態(tài)。為此，對(duì)管體和焊縫的性能進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1和圖2所示。

表1 X70鋼管的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果Tab.1 Results of mechanical properties of the X70 steel pipes

注:Rm——抗拉強(qiáng)度；Rt0.5——屈服強(qiáng)度；A——延長(zhǎng)率；AKV——夏比沖擊功(單值/平均值)

由圖1可見(jiàn)，管體的抗拉強(qiáng)度呈典型的正態(tài)分布，但強(qiáng)度值主要集中在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限區(qū)域，其平均值為621 MPa；管體的屈服強(qiáng)度，也相對(duì)分布在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限區(qū)域，但分布范圍較寬，其平均值為514 MPa。屈服強(qiáng)度的分布特征可能與制管及取樣壓平過(guò)程中包申格效應(yīng)所引起的性能變化有關(guān)。而對(duì)管體的延伸率和低溫沖擊功均遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，特別是低溫沖擊功，僅一個(gè)最小100 J，平均值達(dá)到190 J，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的單值≥30/平均值≥37。

與管體相比，焊縫的性能明顯低于管體(圖2示)。焊縫的抗拉強(qiáng)度平均值為613 MPa，與管體相比降低8 MPa，斷裂位置主要集中在焊縫附近。焊縫的低溫沖擊功降低幅度最大，平均值為132 J，與管體相比降低約58 J。焊縫與管體的對(duì)比結(jié)果表明，焊縫不僅存在脆化現(xiàn)象，而且還存在強(qiáng)度降低的軟化現(xiàn)象。然而，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍遠(yuǎn)高于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值，說(shuō)明其服役安全能夠得到滿足。但這些數(shù)據(jù)僅對(duì)應(yīng)于單次載荷，而在管線服役過(guò)程中的交變載荷作用下，這種焊縫的脆化和弱化對(duì)服役安全性的影響及程度還需要深入研究。

圖1 X70鋼管管體的力學(xué)性能
Fig.1 Mechanical properties of the X70 steel pipe body

圖2 X70鋼管焊縫的性能
Fig.2 Properties results of weld joint of the X70 steel pipes

2.2 焊管的疲勞性能

為全面了解焊縫脆化及軟化對(duì)鋼管服役安全性的影響，在同一批次鋼管中選取典型鋼管，對(duì)焊縫和管體的壽命性能進(jìn)行了研究。所選取鋼管的性能為：管體的Rt0.5和Rm分別為525 MPa和620 MPa、AKV為190 J；焊縫的Rm為605 MPa；焊縫和熱影響區(qū)的AKV分別為130 J和172 J。

圖3給出了焊縫和管體應(yīng)力(S)和斷裂循環(huán)周次(N)的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，在高于屈服強(qiáng)度的低周疲勞條件下，焊縫和管體的疲勞斷裂周次相近，均達(dá)到2×105以上。在僅考慮管線運(yùn)行中啟停循環(huán)的影響條件下，鋼管具有高可靠性[7]。

圖3 X70鋼管循環(huán)應(yīng)力(S)和壽命(N)的關(guān)系
Fig.3 Curves of cycle stress (S) vs.life (N) of the X70 pipe

隨循環(huán)應(yīng)力的降低，焊縫和管體的疲勞壽命延長(zhǎng)，但焊縫的疲勞壽命低于管體，且隨應(yīng)力的降低，壽命相差幅度增加。而在相同的疲勞壽命條件下，焊縫的S-N疲勞抗力低于管體。當(dāng)在疲勞壽命為1×106時(shí)，焊縫的疲勞抗力與管體相比降低約43 MPa，由管體的442.7 MPa 降低到400.1 MPa。疲勞是一個(gè)疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程。疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展的壽命決定了疲勞總壽命[8]。

疲勞斷裂試樣的宏觀觀察看，疲勞裂紋主要在焊縫熱影響區(qū)與母材交界的表面處萌生。疲勞斷口不僅能夠反映疲勞斷裂的過(guò)程，還能反映疲勞斷裂機(jī)制及組織的影響。圖4給出了鋼管焊縫及管體疲勞斷口的SEM觀察結(jié)果。在焊縫的裂紋萌生區(qū)，斷口呈穿晶的撕裂特征，但撕裂臺(tái)階面尺寸大小不均，存在有較大臺(tái)階面及在臺(tái)階面上有細(xì)小撕裂臺(tái)階(圖4(a))。在裂紋擴(kuò)展區(qū)，在穿晶撕裂面上，能夠看到有疲勞輝紋特征存在(圖4(a))；另外存在較大的垂直于裂紋擴(kuò)展方向的二次裂紋(圖4(b))。相對(duì)管體，疲勞裂紋也萌生在表面加工痕跡處，斷口表面呈穿晶撕裂特征，但與焊縫相比，撕裂面明顯細(xì)小(圖4(c))。另外。管體裂紋擴(kuò)展區(qū)的斷口特征雖然與焊縫相似，但無(wú)論是穿晶撕裂面還是二次裂紋的尺寸均明顯細(xì)化(圖4(d))。在疲勞裂紋的形成和擴(kuò)展過(guò)程中，組織有顯著的影響，組織的粗化和不均性均促進(jìn)疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展[9]。焊縫的疲勞壽命的降低與焊縫區(qū)組織和性能變化有關(guān)。

圖4 鋼管焊縫及管體的疲勞斷口
Fig.4 Fatigue fracture of weld joint and pipe body of the steel pipe

2.4 組織分析

圖5給出了X70鋼及內(nèi)焊縫處的金相組織。X70鋼的組織為典型的熱軋針狀鐵素體組織[10]。組織為細(xì)小的非等軸鐵素體基體及在基體上分布的島狀細(xì)小島狀(圖5(a))。這種細(xì)小的組織保證了X70鋼具有良好強(qiáng)韌性匹配。經(jīng)高頻焊及焊后熱處理后，焊縫融合線區(qū)域的組織為鐵素體+珠光體組織，組織細(xì)小均勻(圖5(b))。在熱影響區(qū)，組織仍為正火的鐵素體+珠光體組織，但與融合線相比有粗化的趨勢(shì)，且能夠觀察到組織呈帶狀的組織特征(圖5(c))，這與焊接擠壓流線在焊后熱處理過(guò)程中的組織轉(zhuǎn)變有關(guān)。在焊縫熱處理區(qū)與母材交界處，組織則表現(xiàn)為不完全熱處理特征，組織中仍能觀察到針狀鐵素體的形態(tài)，但相比較軋制狀態(tài)，組織明顯粗化(圖5(d))。

圖5 焊縫區(qū)的組織
Fig.5 Microstructure of the weld joint

2.5 焊縫的硬度分布

高頻焊管焊縫區(qū)經(jīng)歷高頻加熱、擠壓形成細(xì)小的融合線及兩端對(duì)稱亞腰鼓狀的熱影響區(qū)。為改善融合線及熱影響區(qū)的組織和性能，對(duì)焊縫需進(jìn)行在線中頻正火處理。焊縫區(qū)的性能及均勻性也是影響鋼管質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。圖6給出了根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試的焊縫區(qū)硬度分布。由圖可見(jiàn)，母材具有最高的硬度，其硬度為215 HV。焊縫熔化線處硬度略低于母材，但下降幅度不大；而遠(yuǎn)離融合線，熱影響區(qū)的影響降低；硬度最低點(diǎn)為熱處理區(qū)，僅為193 HV，降低約20 HV。而且，相比內(nèi)外焊縫，內(nèi)焊縫的硬度低于外焊縫。

圖6 焊縫硬度分布
Fig.6 Hardness distribution of the weld joint

2.6 影響高頻焊管焊縫服役安全的關(guān)鍵因素及改進(jìn)措施

一般認(rèn)為焊縫是高頻焊管性能最薄弱的區(qū)域，特別是融合線，因焊接未完全擠壓排除的氧化物夾雜等缺陷引起焊縫的沖擊韌性降低是影響高頻焊管質(zhì)量最關(guān)鍵的因素[1，11]。然而，隨現(xiàn)代鋼管成型和焊接技術(shù)的提高，高頻焊管的質(zhì)量也得到顯著的提升。由本研究143批次X70鋼管的性能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果看(見(jiàn)表1、圖1～2)，雖然焊縫沖擊韌性及抗拉強(qiáng)度均有所降低，但仍保持在較高的水平上，高頻焊管具有良好的質(zhì)量。

疲勞是一個(gè)在交變應(yīng)力作用下的裂紋萌生、擴(kuò)展及斷裂的過(guò)程。疲勞裂紋萌生往往對(duì)缺陷更加敏感[8]。但在本研究的疲勞試驗(yàn)結(jié)果看，雖然焊縫的疲勞性能略低于管體，但相差并不大(圖3)。而從疲勞斷裂位置及疲勞斷口分析看(圖4)，疲勞斷裂并沒(méi)有發(fā)生在焊縫融合線處，而疲勞裂紋主要萌生在內(nèi)焊縫的熱處理區(qū)和熱影響區(qū)附近。組織分析結(jié)果表明，X70鋼管具有均勻細(xì)化的針狀鐵素體組織，而焊縫附近則為正火所形成的鐵素體+珠光體組織，與管體相比，組織明顯粗化(圖5)。焊縫區(qū)的這種鐵素體+珠光體組織是導(dǎo)致低溫沖擊韌性和強(qiáng)度降低的主要原因。然而由硬度分布結(jié)果看(圖6)，熱處理區(qū)和熱影響區(qū)的硬度顯著降低，與管體相比，降低約20 HV。材料硬度和屈服強(qiáng)度直接相關(guān)，按硬度降低幅度計(jì)算，熱處理區(qū)的屈服強(qiáng)度降低約50 MPa。這一強(qiáng)度的降低量與疲勞抗力的降低程度相一致。由此結(jié)果可以推斷，影響X70高頻焊管性能的關(guān)鍵因素是焊縫熱處理區(qū)的軟化。

高頻焊管的焊后熱處理一般采用在線中頻感應(yīng)加熱正火[12]，正火溫度對(duì)管線鋼及高頻焊焊縫的組織和性能影響最大[13]。本文實(shí)際X70鋼管生產(chǎn)中的正火加熱感應(yīng)器在外焊縫，且溫度控制為920±10 ℃。在實(shí)際鋼管中，由于內(nèi)外焊縫存在一定的溫度差，實(shí)際內(nèi)焊縫的溫度應(yīng)低于該溫度。這種溫度的差異導(dǎo)致了焊縫的硬度低于外焊縫(圖6)。這一結(jié)果也意味著提高正火溫度有利于提高焊縫的強(qiáng)度。有研究結(jié)果表明，在高速感應(yīng)加熱條件下，微合金管線鋼的相變溫度顯著提高，相變溫度可達(dá)到920 ℃以上，且強(qiáng)度在925 ℃最低[13]。圖5在熱處理區(qū)觀察到兩相組織特征也證實(shí)了這一點(diǎn)。改善X70鋼管的強(qiáng)度弱化應(yīng)考慮提高正火溫度，但這種工藝改善不應(yīng)損害焊縫的韌性。

為證實(shí)這一觀點(diǎn)，采用熱模擬試驗(yàn)機(jī)模擬鋼管在900～1 000 ℃正火溫度范圍，正火溫度對(duì)X70鋼性能影響，結(jié)果如表2所示。

表2 正火溫度對(duì)X70鋼性能的影響Tab.2 Effect of normalizing temperature on mechanical properties of the X70 steel

由表2可見(jiàn)，適當(dāng)提高正火溫度到975 ℃有利于提高X70鋼管焊縫熱處理區(qū)的強(qiáng)度，改善和提高X70鋼管服役安全性。

4 結(jié)論

1) 143批次X70高頻焊管的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，焊縫的強(qiáng)度和韌性略低于管體。與管體相比，焊縫的平均低溫沖擊功降低58 J；抗拉強(qiáng)度降低約 8MPa，但各項(xiàng)性能指標(biāo)均高于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，鋼管具有良好的質(zhì)量。

2) 焊縫的疲勞抗力低于管體，當(dāng)疲勞壽命為1×106周次時(shí)，焊縫疲勞抗力降低約40 MPa。

3) 焊縫熱處理影響區(qū)和熱影響區(qū)軟化是導(dǎo)致強(qiáng)度和疲勞抗力降低的主要原因。提高正火溫度有助于改善和提高X70高頻焊管焊縫的性能和服役安全性。