近年來(lái)，中國(guó)的長(zhǎng)輸管線建設(shè)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(shè)。長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhì)量對(duì)管道運(yùn)行期間的穩(wěn)定性和安全性有決定作用[1-6]。國(guó)家管網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)DEC-OGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)定》對(duì)油氣管道的焊接方法、焊接材料、焊接工藝評(píng)定，以及現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量進(jìn)行了規(guī)定，要求對(duì)L485（X70）及以上鋼級(jí)管道環(huán)焊縫焊接接頭進(jìn)行CTOD（裂紋尖端張開(kāi)位移）試驗(yàn)。有許多文獻(xiàn)[7-11]也對(duì)高鋼級(jí)管線鋼進(jìn)行了CTOD試驗(yàn)。 

筆者對(duì)某管道工程焊接工藝進(jìn)行評(píng)定，觀察了焊縫的宏觀形貌和顯微組織，測(cè)試了焊接接頭的關(guān)鍵力學(xué)性能，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，為提升長(zhǎng)輸管線環(huán)焊縫接頭質(zhì)量提供了試驗(yàn)依據(jù)。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)對(duì)象為1 219 mm×22.0 mm（外徑×壁厚）的X80M鋼對(duì)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(diǎn)方向，立焊位取樣位置為3點(diǎn)方向，仰焊位取樣位置為6點(diǎn)方向。 

圖  1  取樣位置示意

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(biāo)距為50 mm，分別采用SHT4106型和UTM5305型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在平焊位、立焊位和仰焊位焊縫中心和熔合線的內(nèi)表面、外表面截取沖擊試樣，試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm（長(zhǎng)度×寬度×高度），采用PIT752D-2型沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度為－10 ℃，每組測(cè)3個(gè)試樣，取平均值。采用KB30BVZ-FA型維氏硬度計(jì)在立焊位和仰焊位截取焊接接頭硬度試樣，進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，壓痕位置如圖2所示。 

圖  2  維氏硬度試驗(yàn)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(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 21143—2014《金屬材料 準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度的統(tǒng)一試驗(yàn)方法》，GB/T 28896—2013《金屬材料 焊接接頭準(zhǔn)靜態(tài)斷裂韌度測(cè)定的試驗(yàn)方法》，加載速率為1 mm/min；采用斷口分析儀對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度為0.001 mm。 

2.   試驗(yàn)結(jié)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(wú)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(nèi)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(xì)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(xué)性能

2.2.1   拉伸性能

焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知：4個(gè)象限焊接接頭的抗拉強(qiáng)度基本相同，且都在母材區(qū)斷裂。 

平焊位和仰焊位全焊縫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。由圖5可知：兩個(gè)全焊縫拉伸試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也很接近，說(shuō)明環(huán)焊縫接頭在各個(gè)象限的強(qiáng)度比較均勻。 

圖  5  平焊位和仰焊位全焊縫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2.2   沖擊性能

焊接接頭的夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)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)。 

2.2.3   硬度

焊接接頭的維氏硬度測(cè)試結(jié)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。 

2.2.4   CTOD試驗(yàn)

焊接接頭的CTOD試驗(yàn)結(jié)果如表4所示（按GB/T 21143—2014標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的CTOD值為δm1，按ISO 15653—2018《金屬材料 焊接的準(zhǔn)靜態(tài)斷裂測(cè)定用試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的CTOD值為δm2，Vg為總?cè)笨趶堥_(kāi)位移，V為缺口張開(kāi)位移）。由表4可知：按照ISO 15653—2018計(jì)算的CTOD值比按照GB/T 21143—2014計(jì)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(yàn)結(jié)果一致。在管線鋼領(lǐng)域，夏比沖擊試驗(yàn)與CTOD試驗(yàn)通常用來(lái)測(cè)試評(píng)價(jià)材料的韌性。沖擊吸收能量與CTOD值越高，材料的韌性越好。 

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(jī)械加工缺口、灰色的預(yù)制疲勞裂紋區(qū)、較深色的裂紋擴(kuò)展區(qū)和壓斷區(qū)。 

圖  6  CTOD試樣斷口宏觀形貌

3.   結(jié)論

（1）平焊位，立焊位和仰焊位焊接接頭均無(wú)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(nèi)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(xì)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(gè)象限的抗拉強(qiáng)度基本相同，平焊位和仰焊位全焊縫拉伸試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度也很接近，說(shuō)明環(huán)焊縫接頭在各個(gè)象限的強(qiáng)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(yàn)結(jié)果一致。在管線鋼領(lǐng)域，通常用夏比沖擊試驗(yàn)與CTOD試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)材料的韌性。沖擊吸收能量與CTOD值越高，材料的韌性越好。

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