摘 要:采用小拉伸試樣分層試驗的方法測試了 X70管道環(huán)焊縫的力學性能,從小試樣的試驗 結果中不僅可以得到對接環(huán)焊縫的抗拉強度,還可以得到環(huán)焊縫不同區(qū)域的抗拉強度分布。結果 表明:該對接環(huán)焊縫的屈服強度低于母材的屈服強度約20%,且環(huán)焊縫內部不同層的屈服強度也 有較大差別。
關鍵詞:管線鋼;環(huán)焊縫;強度;拉伸試驗;小試樣
中圖分類號:TG457.6 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)05-0001-03
長輸管線的安全運行對于經(jīng)濟社會的發(fā)展具有 重要意義。長輸管線是由一系列平均長度約為10 m 的螺旋焊管或直縫管段通過對接環(huán)焊縫連接而 成的[1-2]。長輸管線對接環(huán)焊縫的施工現(xiàn)場環(huán)境差、 勞動強度高、現(xiàn)場受多種約束條件的限制,使得環(huán)焊 縫的焊接質量穩(wěn)定性較差[1-7]。
1 試驗方法與試驗材料
筆者以已經(jīng)投入使用的 X70管線鋼焊接接頭 為研究對 象:首 先 對 試 樣 上、下 游(上 游 為 管 道 某 個環(huán)焊縫的石油、天然氣供給方向;下游為管道某 個環(huán)焊縫的石油、天然氣接收方向)母材以及環(huán)焊 縫進行化學 成 分 分 析,確 認 了 材 料 化 學 成 分 及 焊 接方式與原記錄相符[4,7] ;然后通過硬度試驗測定環(huán)焊縫及周圍材料的硬度分布;再分別對試樣上、 下游母材以 及 環(huán) 焊 縫 材 料 進 行 拉 伸 試 驗;最 后 采 用小拉伸試 樣 對 環(huán) 焊 縫 材 料 進 行 逐 層 測 試,為 了 驗證小試樣 拉 伸 結 果 的 準 確 性,對 試 樣 母 材 進 行 小試樣拉伸試驗。
試樣的主體材料為 X70鋼[1-2],設計輸送壓力 為10MPa,外徑為1016mm,壁厚為17.5mm,管 線對接環(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 試驗結果分析
2.1 化學成分分析
采用直讀光譜儀分析試樣上、下游母材以及環(huán) 焊縫的化學成分,分析結果如表1所示。試樣上、下 游母材化學成分均符合標準 GB/T9711—2017《石 油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》中對 X70鋼化 學成分的要求;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
試樣環(huán)焊縫的最大硬度為224 HV,位置為熱 影響區(qū)內的粗晶區(qū),最小硬度為164HV,位置為焊 縫填充 金 屬 內。 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)焊縫內部,材料 硬度也呈明顯的分層特征。環(huán)焊縫內不同硬度區(qū)域 所對應的材料強度也有差異,為測量環(huán)焊縫內不同 層的強度,采用小試樣試驗技術對環(huán)焊縫內不同層 的強度進行測試。
2.3 整體拉伸試驗
依據(jù)標準 GB/T228.1—2010 《金屬材料 拉伸 試驗 第1部分:室溫試驗方法》,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,試驗結果分別如表2,3所示,拉伸試驗應 力-應變曲線如圖1所示。結果表明:環(huán)焊縫材料的 屈服強度和抗拉強度均低于母材20%以上,環(huán)焊縫 材料的屈強比平均為0.78,而母材的屈強比平均為 0.89,環(huán)焊縫材料與母材斷后伸長率比較接近。
2.4 小試樣拉伸試驗
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,試驗結果可表征環(huán)焊縫材 料的整體性能。為研究環(huán)焊縫材料內不同層的力學 性能差別,采用小拉伸試樣進行拉伸試驗。由原始 試樣先分層加工至厚度為0.9~1mm,然后通過雙 面研磨機對其表面進行磨拋至厚度為0.75mm,總 長度為50mm 的試樣,小拉伸試樣如加工過薄,可 能會導致試樣加工形變,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)域所對應的強 度分布結果如圖4所示。對環(huán)焊縫區(qū)域相同層的硬 度試驗結果與小試樣拉伸試驗結果進行對比發(fā)現(xiàn), 兩種試驗對環(huán)焊縫區(qū)域同一層所得的力學性能試驗 結果是一致的。
3 結論
(1)高鋼級管道焊材和焊接工藝的不同,以及 焊接工藝參數(shù)的波動導致了環(huán)焊縫不同微區(qū)的性能 差異較大,小試樣測試技術可以較好地揭示環(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。拉伸試驗結果表明:環(huán) 焊縫金屬的屈服強度和抗拉強度均低于母材的屈服強度和抗拉強度。
(3)環(huán)焊縫金屬的小試樣拉伸試驗結果表明: 在環(huán)焊縫內部,不同區(qū)域的屈服強度、抗拉強度不 同,靠近根部的焊縫金屬強度更低,但整體焊縫金屬 強度低于母材強度。環(huán)焊縫金屬的低強度會影響管 道整體受載變形過程中的局部應力應變分布,小試 樣技術可在高鋼級管道環(huán)焊縫的斷裂行為研究中發(fā) 揮重要作用。
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