摘 要:采用小拉伸試樣分層試驗(yàn)的方法測(cè)試了 X70管道環(huán)焊縫的力學(xué)性能,從小試樣的試驗(yàn) 結(jié)果中不僅可以得到對(duì)接環(huán)焊縫的抗拉強(qiáng)度,還可以得到環(huán)焊縫不同區(qū)域的抗拉強(qiáng)度分布。結(jié)果 表明:該對(duì)接環(huán)焊縫的屈服強(qiáng)度低于母材的屈服強(qiáng)度約20%,且環(huán)焊縫內(nèi)部不同層的屈服強(qiáng)度也 有較大差別。 

關(guān)鍵詞:管線鋼;環(huán)焊縫;強(qiáng)度;拉伸試驗(yàn);小試樣 

中圖分類號(hào):TG457.6                                                文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                                              文章編號(hào):1001-4012(2022)05-0001-03

長(zhǎng)輸管線的安全運(yùn)行對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展具有 重要意義。長(zhǎng)輸管線是由一系列平均長(zhǎng)度約為10 m 的螺旋焊管或直縫管段通過(guò)對(duì)接環(huán)焊縫連接而 成的[1-2]。長(zhǎng)輸管線對(duì)接環(huán)焊縫的施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境差、 勞動(dòng)強(qiáng)度高、現(xiàn)場(chǎng)受多種約束條件的限制,使得環(huán)焊 縫的焊接質(zhì)量穩(wěn)定性較差[1-7]。 

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)材料 

筆者以已經(jīng)投入使用的 X70管線鋼焊接接頭 為研究對(duì) 象:首 先 對(duì) 試 樣 上、下 游(上 游 為 管 道 某 個(gè)環(huán)焊縫的石油、天然氣供給方向;下游為管道某 個(gè)環(huán)焊縫的石油、天然氣接收方向)母材以及環(huán)焊 縫進(jìn)行化學(xué) 成 分 分 析,確 認(rèn) 了 材 料 化 學(xué) 成 分 及 焊 接方式與原記錄相符[4,7] ;然后通過(guò)硬度試驗(yàn)測(cè)定環(huán)焊縫及周圍材料的硬度分布;再分別對(duì)試樣上、 下游母材以 及 環(huán) 焊 縫 材 料 進(jìn) 行 拉 伸 試 驗(yàn);最 后 采 用小拉伸試 樣 對(duì) 環(huán) 焊 縫 材 料 進(jìn) 行 逐 層 測(cè) 試,為 了 驗(yàn)證小試樣 拉 伸 結(jié) 果 的 準(zhǔn) 確 性,對(duì) 試 樣 母 材 進(jìn) 行 小試樣拉伸試驗(yàn)。 

試樣的主體材料為 X70鋼[1-2],設(shè)計(jì)輸送壓力 為10MPa,外徑為1016mm,壁厚為17.5mm,管 線對(duì)接環(huán)焊縫的焊接方式為手工電弧焊(SMAW) 打底,藥心焊絲焊填充(FACW),每層焊縫金屬高度 約為3mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

 2.1 化學(xué)成分分析 

采用直讀光譜儀分析試樣上、下游母材以及環(huán) 焊縫的化學(xué)成分,分析結(jié)果如表1所示。試樣上、下 游母材化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T9711—2017《石 油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中對(duì) X70鋼化 學(xué)成分的要求;與母材相比,環(huán)焊縫材料中含有較多 鋁元素。 

2.2 硬度試驗(yàn) 

試樣環(huán)焊縫的最大硬度為224 HV,位置為熱 影響區(qū)內(nèi)的粗晶區(qū),最小硬度為164HV,位置為焊 縫填充 金 屬 內(nèi)。 環(huán) 焊 縫 金 屬 的 硬 度 主 要 分 布 在 170~190 HV,母材硬度主要為200~220 HV,環(huán) 焊縫金屬硬度低于母材硬度。在環(huán)焊縫內(nèi)部,材料 硬度也呈明顯的分層特征。環(huán)焊縫內(nèi)不同硬度區(qū)域 所對(duì)應(yīng)的材料強(qiáng)度也有差異,為測(cè)量環(huán)焊縫內(nèi)不同 層的強(qiáng)度,采用小試樣試驗(yàn)技術(shù)對(duì)環(huán)焊縫內(nèi)不同層 的強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。 

2.3 整體拉伸試驗(yàn) 

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) GB/T228.1—2010 《金屬材料 拉伸 試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》,將試樣上、下游母 材制成直徑為10mm 的棒狀拉伸試樣,環(huán)焊縫材料 制成直徑為5mm 的棒狀拉伸試樣,取樣方向均為 環(huán)向取樣,試驗(yàn)結(jié)果分別如表2,3所示,拉伸試驗(yàn)應(yīng) 力-應(yīng)變曲線如圖1所示。結(jié)果表明:環(huán)焊縫材料的 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于母材20%以上,環(huán)焊縫 材料的屈強(qiáng)比平均為0.78,而母材的屈強(qiáng)比平均為 0.89,環(huán)焊縫材料與母材斷后伸長(zhǎng)率比較接近。

2.4 小試樣拉伸試驗(yàn) 

管線鋼環(huán)焊縫的體積較小,僅可以取出直徑為5mm 的圓棒拉伸試樣,試驗(yàn)結(jié)果可表征環(huán)焊縫材 料的整體性能。為研究環(huán)焊縫材料內(nèi)不同層的力學(xué) 性能差別,采用小拉伸試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由原始 試樣先分層加工至厚度為0.9~1mm,然后通過(guò)雙 面研磨機(jī)對(duì)其表面進(jìn)行磨拋至厚度為0.75mm,總 長(zhǎng)度為50mm 的試樣,小拉伸試樣如加工過(guò)薄,可 能會(huì)導(dǎo)致試樣加工形變,其取樣位置和拉伸完的試 樣分別如圖2,3所示。環(huán)焊縫不同區(qū)域所對(duì)應(yīng)的強(qiáng) 度分布結(jié)果如圖4所示。對(duì)環(huán)焊縫區(qū)域相同層的硬 度試驗(yàn)結(jié)果與小試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn), 兩種試驗(yàn)對(duì)環(huán)焊縫區(qū)域同一層所得的力學(xué)性能試驗(yàn) 結(jié)果是一致的。

3 結(jié)論

 (1)高鋼級(jí)管道焊材和焊接工藝的不同,以及 焊接工藝參數(shù)的波動(dòng)導(dǎo)致了環(huán)焊縫不同微區(qū)的性能 差異較大,小試樣測(cè)試技術(shù)可以較好地揭示環(huán)焊縫 的微區(qū)性能。

 (2) 環(huán) 焊 縫 金 屬 硬 度 主 要 分 布 在 170~ 190HV,母材硬度主要分布在200~220HV,環(huán)焊縫金屬硬度低于母材硬度。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明:環(huán) 焊縫金屬的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均低于母材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。 

(3)環(huán)焊縫金屬的小試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明: 在環(huán)焊縫內(nèi)部,不同區(qū)域的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度不 同,靠近根部的焊縫金屬?gòu)?qiáng)度更低,但整體焊縫金屬 強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度。環(huán)焊縫金屬的低強(qiáng)度會(huì)影響管 道整體受載變形過(guò)程中的局部應(yīng)力應(yīng)變分布,小試 樣技術(shù)可在高鋼級(jí)管道環(huán)焊縫的斷裂行為研究中發(fā) 揮重要作用。 

參考文獻(xiàn): 

[1] 孫德新.X70螺旋焊管焊接的工程應(yīng)用研究[D].天 津:天津大學(xué),2007. 

2] 任偉.管道環(huán)焊縫可靠性分析[D].北京:中國(guó)石油大 學(xué)(北京),2017. 

[3] 呂向陽(yáng).X70管線鋼焊接工藝研究[D].天津:天津大 學(xué),2006. 

[4] 喬寧.X70管線鋼焊接接頭韌性影響因素分析與改善 措施[D].天津:天津大學(xué),2014. 

[5] 吳立斌.抗大變形 X70管線鋼焊接技術(shù)研究[D].成 都:西南石油大學(xué),2015. 

[6] 劉雪梅,高連才,張彥華.X70管線鋼焊接性分析[J]. 電焊機(jī),2004,34(7):14-15,23. 

[7] 周翠,王斌,朱加祥,等.X70抗大變形管線鋼焊接接 頭的組 織 與 力 學(xué) 性 能 [J].機(jī) 械 工 程 材 料,2014,38 (10):32-36,53. 

<文章來(lái)源   >材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 58卷 > 5期 (pp:1-3)>