X80M鋼管道全自動(dòng)焊接接頭裂紋尖端張開位移差異性

文學(xué)，汪宏輝，李熙巖，錢建康，畢思源，雷正龍

(1.中石化江蘇油建工程有限公司,揚(yáng)州,225009；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué),材料結(jié)構(gòu)精密焊接與連接全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱,150001)

0 序言

作為低碳微合金管線鋼的X80管線鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、焊接性能良好等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)油氣管線建設(shè)中，如西氣東輸工程、中俄東線天然氣運(yùn)輸?shù)葢?yīng)用廣泛[1-4].在長輸管道鋪設(shè)過程中，焊接是必不可少的重要施工環(huán)節(jié).然而，X80管線鋼的強(qiáng)度級(jí)別較高，且長輸管道具有較大的厚度，導(dǎo)致大直徑X80鋼管焊接接頭具有較大的冷裂敏感性，易在馬氏體轉(zhuǎn)變溫度MS點(diǎn)附近或更低溫度區(qū)間產(chǎn)生焊接冷裂紋[5-7].因此，實(shí)際施工過程有必要通過焊前預(yù)熱工藝，來延長焊接接頭冷卻時(shí)間而促進(jìn)氫的逸出，降低焊接接頭冷裂敏感性[8-9].

預(yù)熱溫度是焊前預(yù)熱的關(guān)鍵因素，不同預(yù)熱溫度對(duì)焊接接頭的斷裂韌性有較大影響[10].為確定預(yù)熱溫度，有必要對(duì)不同預(yù)熱溫度下焊接接頭的斷裂韌性進(jìn)行測試[11-13].CTOD為外加張開型載荷作用下原始裂紋尖端附近的張開位移，可通過CTOD測試并依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算獲得.與傳統(tǒng)的J積分、KIC相比，CTOD在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)斷裂韌性評(píng)定中有著更好的應(yīng)用效果，可對(duì)焊接接頭的斷裂韌性進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)[14-15].然而，現(xiàn)行的CTOD測試標(biāo)準(zhǔn)中，采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21143-2014的計(jì)算公式與國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15653-2018的計(jì)算公式計(jì)算所得的CTOD值存在明顯差異，導(dǎo)致實(shí)際施工檢驗(yàn)或第三方仲裁過程產(chǎn)生矛盾[16].該文針對(duì)不同預(yù)熱條件下X80鋼管道全自動(dòng)焊接接頭，開展了裂紋尖端張開位移的差異性研究.采用單邊缺口3點(diǎn)彎曲試樣進(jìn)行CTOD試驗(yàn)，按照GB/T21143-2014和ISO 15653-2018推薦的公式分別進(jìn)行CTOD值的計(jì)算，對(duì)兩者的差異性進(jìn)行分析，確定預(yù)熱溫度.

1 試驗(yàn)方法

采用焊接方法為內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬外焊機(jī)熱焊、填充、蓋面的熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)，其中根焊用焊接設(shè)備為A-808內(nèi)焊機(jī)，熱焊、填充、蓋面用焊接設(shè)備為A-610全位置管道自動(dòng)外焊系統(tǒng).

試驗(yàn)用母材為X80M管線鋼，管徑為1 219 mm，壁厚為22.2 mm；根焊填充材料為直徑0.9 mm的ER80S-Ni1焊絲，熱焊與填充，蓋面焊填充材料為直徑1.0 mm的ER80S-G焊絲，試驗(yàn)用母材與焊絲的化學(xué)成分如表1所示；焊接用保護(hù)氣為80% Ar +20% CO2.

表1 母材與焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of base metal and wire

焊接接頭為對(duì)接接頭，坡口形式如圖1所示，為復(fù)合U形坡口，坡口面角度α=5 ± 1°，β=37.5° ± 1°，鈍邊P=1.3 mm ± 0.2 mm，對(duì)口間隙b=0～ 0.5 mm，拐點(diǎn)至內(nèi)壁高度H=5.4 mm ± 0.2 mm，半坡口寬度W=3.5～ 5.0 mm，拐點(diǎn)圓弧半徑R=3.2 mm，內(nèi)坡口高度h=1.3 mm ± 0.2 mm.

圖1 焊接接頭坡口形式Fig.1 Groove form of welding joint

焊接順序如圖2所示，其中1層為內(nèi)焊道，2層為熱焊道，3～7層為填充焊道，8～9層為蓋面焊道.

圖2 焊接接頭焊道順序(mm)Fig.2 Weld sequence of welding joint

為模擬中俄東線天然氣運(yùn)輸管線施工過程中常遇到的嚴(yán)寒環(huán)境，在最低環(huán)境溫度約為-30 ℃室外進(jìn)行施焊，濕度小于 90% RH，風(fēng)速小于 2 m/s.焊前采用電加熱對(duì)坡口兩側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，區(qū)域均為50 mm.預(yù)熱溫度的選擇一方面借鑒ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)和ASME B31.4標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的大于79 ℃的預(yù)熱溫度；另一方面借鑒當(dāng)下國家管網(wǎng)中俄東線南段西氣東輸3期項(xiàng)目、西氣東輸4期項(xiàng)目對(duì)X80級(jí)的預(yù)熱溫度取值為110～ 130 ℃之間的經(jīng)驗(yàn).因此，選擇80 ℃與120 ℃的兩種預(yù)熱溫度進(jìn)行對(duì)比分析.焊接過程中控制層間溫度為70～ 120 ℃，兩種預(yù)熱溫度下焊接所得焊縫外觀成形如圖3所示.

圖3 不同預(yù)熱溫度焊接所得焊縫成形Fig.3 Weld forming obtained by welding at different preheating temperatures.(a) preheat 80 ℃,cover weld;(b) preheat 80 ℃,root weld;(c) preheat 120 ℃,cover weld;(d) preheat 120 ℃,root weld

焊后通過線切割從接頭上截取單邊缺口3點(diǎn)彎曲試樣進(jìn)行CTOD測試，預(yù)置疲勞裂紋位置包括名義焊縫中心線處與熔合區(qū)兩種，圖4顯示了CTOD的3點(diǎn)彎曲試樣加工尺寸.

圖4 CTOD 試樣的加工尺寸(mm)Fig.4 Dimensions of CTOD specimen

試驗(yàn)設(shè)備采用包括RPL-250-±250KN微機(jī)控制電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)和BT2-FR250SH.A4K高低溫材料試驗(yàn)機(jī).根據(jù)工程實(shí)際規(guī)定的性能評(píng)定要求設(shè)置試驗(yàn)溫度為-45 ℃，加載速率為1.0 mm/min，加載時(shí)間為1.0～ 3.0 min.試驗(yàn)前，對(duì)每個(gè)試件的尺寸進(jìn)行測量.試驗(yàn)過程在低溫箱中保溫，采用1次加載的方式，加載至試樣發(fā)生失穩(wěn)斷裂.記錄試驗(yàn)過程中的載荷與缺口張開位移，繪制相應(yīng)的FV曲線圖如圖5所示.

圖5 CTOD試驗(yàn)F-V曲線Fig.5 F-V curve of CTOD test

試樣發(fā)生失穩(wěn)后，取出試樣并將其壓斷，所得實(shí)際試樣斷口如圖6所示，并測量各個(gè)試樣的預(yù)制疲勞裂紋長度a0.CTOD試驗(yàn)的結(jié)果記錄完成后，分別根據(jù)GB/T21143-2014和ISO 15653-2018推薦的公式計(jì)算CTOD值.計(jì)算參數(shù)中泊松比ν為0.3，彈性模量E為210 GPa，引伸計(jì)的裝卡位置到試樣表面距離z為0 mm，試樣跨距S為160 mm，試樣未開測槽B為BN，試驗(yàn)材料在測試溫度下的力學(xué)性能如表2所示.

圖6 CTOD試驗(yàn)預(yù)制疲勞裂紋位置Fig.6 Prefabricated fatigue crack location in CTOD test.(a) fusion zone;(b) weld zone

表2 試驗(yàn)材料力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of test material

2 結(jié)果與討論

2.1 CTOD值的計(jì)算

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T21143-2014所給出的CTOD值計(jì)算公式[17]為

式中：δ為裂紋尖端張開位移CTOD值；S為3點(diǎn)試樣跨距；W為試樣寬度；F為最大載荷；B為試樣厚度；BN為試樣的凈厚度；ν為泊松比；E為彈性模量；RP0.2為0.2%非比例延伸強(qiáng)度；a0為預(yù)制疲勞裂紋長度；Vp為缺口張開位移塑性分量；z為引伸計(jì)的裝卡位置到試樣表面距離.轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R與應(yīng)力強(qiáng)度因子系數(shù)g可由以下獲得，即

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15653-2018所給出的CTOD值計(jì)算公式[18]為

根據(jù)不同預(yù)熱溫度下焊接接頭試樣在CTOD測試后所得的載荷-位移曲線與相關(guān)測量數(shù)據(jù)，分別按照GB/T21143-2014與ISO 15653-2018推薦公式計(jì)算CTOD值，相關(guān)數(shù)據(jù)與結(jié)果如表3所示.

表3 焊接接頭CTOD計(jì)算值對(duì)比Table 3 Comparison of CTOD values of welded joints

試樣位置編號(hào)中FL代表熔合區(qū)試樣，WM代表焊縫試樣.D1，D2，D3為分別在每個(gè)試樣的3次不同取樣位置的試驗(yàn).δ1為根據(jù)GB/T21143-2014計(jì)算所得CTOD值，δ2為根據(jù)ISO 15653-2018計(jì)算所得CTOD值.由計(jì)算結(jié)果可知，采用ISO 15653-2018推薦公式計(jì)算結(jié)果明顯高于GB/T21143-2014推薦公式計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果平均偏高35%.根據(jù)GB/T21143-2014和ISO 15653-2018的有效性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)特征值與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，兩種標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算值均有效[17-18].

2.2 不同計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)CTOD值的影響分析

CTOD值的大小反映了裂紋尖端材料抵抗開裂的能力，CTOD值越小，則表明裂紋尖端材料的抗開裂性能越差，即韌性越差.對(duì)管線鋼產(chǎn)品，需要材料在使用溫度下測試計(jì)算所得CTOD值大于規(guī)范允許值.從表3計(jì)算結(jié)果可知，采用ISO 15653-2018推薦公式計(jì)算CTOD值結(jié)果與GB/T21143-2014相比平均偏高35%，即按照國家標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定產(chǎn)品斷裂韌度相比國際標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格.對(duì)于具有較大冷裂敏感性的高強(qiáng)結(jié)構(gòu)鋼，可能存在按照ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)判定為合格而采用GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)判定為不合格的情況.

為探討兩種計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)所得CTOD值計(jì)算結(jié)果存在差異的原因，對(duì)推薦計(jì)算式(1)，式(4)進(jìn)行對(duì)比.公式均由前半部分的彈性分量與后半的塑性分量組成.其中，公式的彈性分量部分結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)推薦公式中引入了無量綱系數(shù)m；公式的塑性分量部分則存在較大差異，GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)推薦公式引入了轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R的計(jì)算公式來進(jìn)行修正，ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)推薦公式則采用無量綱系數(shù)τ進(jìn)行修正.

對(duì)于彈性分量而言，將表2中給出的不同預(yù)熱溫度焊接所得試驗(yàn)材料的RP0.2與Rm代入式(5)中計(jì)算可得，預(yù)熱溫度為80 ℃與120 ℃時(shí)的ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)引入的無量綱系數(shù)m分別為1.72與1.75，均小于GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)位置的給定系數(shù)2.因?yàn)橄禂?shù)均位于分母位置，且彈性分量的剩余部分計(jì)算方法完全一致，所以采用GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)推薦公式計(jì)算所得的CTOD值的彈性分量，與ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)相比更小.對(duì)于塑性分量部分，兩種標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算過程中涉及到的系數(shù)以及計(jì)算結(jié)果如表4所示.

表4 CTOD塑性分量計(jì)算值對(duì)比Table 4 Comparison of plastic component of CTOD values

由表4可知，采用GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)推薦公式計(jì)算的CTOD值的塑性分量Vp1在0.24Vp～0.25Vp之間；而采用ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)推薦公式計(jì)算所得的CTOD值的塑性分量部分Vp2在0.34Vp～ 0.37Vp之間.即國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果同樣小于國際標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果，與彈性分量部分規(guī)律相一致.

結(jié)合計(jì)算公式與實(shí)際計(jì)算結(jié)果分析可知，兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果存在差異的主要原因在于ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)通過無量綱系數(shù)m與無量綱系數(shù)τ對(duì)彈性分量與塑性分量進(jìn)行修正，而GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)引入了轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R來修正彈性分量部分.其中，無量綱系數(shù)m與無量綱系數(shù)τ主要通過試驗(yàn)溫度下的規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度RP0.2和抗拉強(qiáng)度Rm的比值來反映測試溫度對(duì)試驗(yàn)的影響.轉(zhuǎn)動(dòng)半徑R與預(yù)置裂紋長度a0相關(guān)聯(lián)，考慮了裂紋長度變化的影響，該修正方式的差異導(dǎo)致采用ISO 15653-2018推薦公式計(jì)算CTOD值結(jié)果比GB/T21143-2014高35%.

2.3 預(yù)熱溫度對(duì)CTOD值的影響分析

由前文分析可知，GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)與ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)在評(píng)價(jià)焊接接頭斷裂韌度方面，雖然側(cè)重的影響因素不同，但是均有效.因此，本節(jié)同時(shí)采用GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)與ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)的CTOD值計(jì)算結(jié)果，對(duì)不同預(yù)熱條件下X80鋼管道全自動(dòng)焊接接頭的斷裂韌度進(jìn)行對(duì)比分析.80 ℃與120 ℃的預(yù)熱溫度條件下X80鋼管道全自動(dòng)焊接接頭不同位置的CTOD值對(duì)比如圖7所示.

圖7 不同預(yù)熱條件下X80M鋼全自動(dòng)焊接接頭CTOD值對(duì)比Fig.7 Comparison of CTOD values of fully automatic welded joints of X80M steel under different preheating conditions.(a) GB/T21143-2014 standard;(b)ISO 15653-2018 standard

圖7(a)為GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果，圖7(b)為ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果.由圖7可知，在兩種標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果下，預(yù)熱120 ℃所得接頭的CTOD值均高于預(yù)熱80 ℃.其中按GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的預(yù)熱80 ℃下的D3FL位置，D1WM位置，D2WM位置試樣的CTOD值均不滿足大于0.25 mm的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；其中最小值為0.16 mm，按ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的預(yù)熱80 ℃下的D1WM位置試樣的CTOD值為0.20 mm，小于0.25 mm的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)預(yù)熱120 ℃下的焊接接頭試樣，各個(gè)位置試樣在兩種標(biāo)準(zhǔn)下計(jì)算所得CTOD值均大于0.25 mm，高于評(píng)定標(biāo)準(zhǔn).

在產(chǎn)品斷裂韌度評(píng)定過程中，被測樣品中只要出現(xiàn)1件不合格樣品，該批次產(chǎn)品就全部被判定為不合格樣品.由此可知預(yù)熱80 ℃的焊接接頭的斷裂韌度在國家標(biāo)準(zhǔn)與國際標(biāo)準(zhǔn)判定下均不合格，而預(yù)熱120 ℃焊接接頭均合格.對(duì)比相同預(yù)熱條件的不同位置試樣的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果可知，熔合區(qū)試樣的CTOD值的整體平均水平高于相同條件下的焊縫區(qū)試樣；CTOD最大值均出現(xiàn)在熔合區(qū)，接頭熔合區(qū)表現(xiàn)出較高韌性.然而應(yīng)當(dāng)引起重視的是，熔合區(qū)CTOD值具有一定的分散性.例如預(yù)熱120 ℃時(shí)，D2FL位置試樣與D3FL位置試樣的CTOD值差距較大，D2FL位置試樣的CTOD值明顯較小.這是由于熔合區(qū)的組織較為復(fù)雜且分布不均勻，晶粒尺寸的不同導(dǎo)致了性能的差異.

3 結(jié)論

(1) 按GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)與ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)推薦公式計(jì)算的X80M鋼管道全自動(dòng)焊接接頭CTOD值結(jié)果存在差異，采用ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)推薦公式計(jì)算CTOD值結(jié)果與GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)相比平均偏高35%，該差異出現(xiàn)的原因是兩種標(biāo)準(zhǔn)的修正方式側(cè)重點(diǎn)不同，即GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)裂紋長度變化進(jìn)行修正，而ISO 15653-2018 標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)測試溫度影響進(jìn)行修正.

(2) 預(yù)熱80 ℃條件下的接頭試樣CTOD值整體較低，其中按GB/T21143-2014標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算有3個(gè)試樣低于標(biāo)準(zhǔn)，最低為0.16 mm；按ISO 15653-2018標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算有1個(gè)試樣低于標(biāo)準(zhǔn)，最低為0.20 mm；預(yù)熱120 ℃條件下，所有試樣在兩種標(biāo)準(zhǔn)下計(jì)算的CTOD值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，接頭斷裂韌性更好.

(3) 相同預(yù)熱條件下，熔合區(qū)試樣CTOD值整體高于焊縫區(qū)試樣，且CTOD最大值均出現(xiàn)于具有較好的斷裂韌性熔合區(qū)，但熔合區(qū)中不同位置CTOD值受組織不均勻性的影響而存在較大差異，性能表現(xiàn)出不均勻性.