X70管线钢焊接接头断裂韧度试验

蔡晓静， 林卓英， 孟祥琦， 姜晶晶， 刘 飞， 冯淼林

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240)

0 引言

X70管线钢具有良好的力学性能，主要在油气管道使用。焊接热循环作用下，钢管接头热影响区是一个在成分、组织以及性能有较大差异的不均匀体。裂纹尖端张开位移(Crack Tip Opening Displacement，CTOD)是评价焊接母材和焊接接头防脆断力学性能的重要参数，用于评估结构安全可靠性［1］。

国内外对焊接接头强度韧性有一定研究［2-8］，Li等［2］通过断口形貌和扫描电镜研究了国产X70钢焊管焊缝热影响粗晶区的微观结构和金相组织，发现改变焊接冷却时间对粗晶区微观组织和韧性有较大影响。Miao等［3-4］对海洋结构用钢S335G10+N埋弧焊焊接接头进行常温下CTOD测试，表明该焊接接头具有良好的断裂韧性，不需焊后热处理。Wang等［5］测试了海洋钻井隔水管X80管线钢焊接接头在0℃时的断裂韧性，发现热影响区CTOD值大于焊缝中心金属的值，而且焊缝中心金属裂纹NP取向CTOD值大于NQ取向的值;文献［6］中比较了两种焊接工艺下钢板焊接接头0°C时的断裂韧性，探讨了免除焊后热处理的可能性。

热影响粗晶区(CGHAZ)在熔合线附近，属于局部脆性区域，尤其在低温环境下容易脆性破坏引起焊管开裂，需要对其断裂韧性进行讨论。本文测试了X70管线钢焊接接头粗晶区－10℃的断裂韧度并判断其有效性，与焊缝中心、热影响区CTOD值进行分析比较，为工程设计和类似试验提供参考。

1 试样

试样取材于X70管线钢焊管(直径1 219 mm，厚度14．1 mm)埋弧焊焊接接头。按 GB/T 2652—2008［9］和 GB/T228—2002［10］，采用标准棒状试样分别测得室温下焊缝金属和X70钢母材的常规力学性能(见表1)。本文采用两种三点弯曲试样:全壁厚缺口焊缝试样测定焊缝中心和热影响区断裂韧度，裂纹取向为NP;表面缺口试样测定热影响粗晶区和细晶区断裂韧度，裂纹取向为NQ。图1是试样裂纹实际取向方式示意图，其中:N为垂直焊缝方向;P为平行焊缝方向，Q为焊缝厚度方向。NP表示试样长度方向垂直焊缝，裂纹扩展方向平行焊缝;NQ表示试样长度方向垂直焊缝，裂纹扩展沿焊缝厚度方向。

表1 焊缝金属和母材力学性能

图1 试样裂纹取向方式

全壁厚试样(NP)如图2(a)所示，尺寸见表2，符合标准BS7448-1［11］。由于试样取材于焊管圆弧位置，不同于常规三点弯曲试样，弯曲误差在标准BS7448-2［12］规定的允许范围内。机械缺口加工前，对接头缺口表面磨平，再用一定浓度硝酸酒精溶液进行抛光蚀刻处理以区分焊缝中心金属和热影响区，然后分别在各自区域用线切割机加工机械缺口。

表面缺口试样(NQ)如图2(b)所示，尺寸见表2，符合标准BS7448-1［11］。试验后需进行结果有效性评价，判断裂纹尖端是否进入热影响粗晶区。

图2 试样示意图(mm)

表2 试样尺寸 mm

2 试验

本试验采用MTSLandmark 500 kN电液伺服疲劳试验机，高低温COD规632．03F-30(标距4 mm，工作温度－100～150℃)，高低温环境箱等，载荷传感器和应变引伸计精度为0．5级。图3为试验实况图，预制裂纹在常温下进行，断裂试验在－10℃环境下进行，低温由液氮作为冷却媒介，温度通过集成软件TestStarⅡChamber全程控制。为使试件准确达到－10℃，在试件靠近加载部位贴热电偶探测真实温度，到达－10℃后保温15 min。试验前用游标卡尺准确测量每个试样尺寸并记录。

图3 试验实况图

按照标准BS7448-1［11］对试样进行裂纹预制，不同试样预制裂纹扩展量见表1。预制疲劳裂纹由MTS Landmark试验机自带程序Fatigue Toughness Testware控制进行，采用正弦波加载，频率8 Hz。断裂试验通过MPT多用途软件自编程序控制加载速率，应力强度因子速率在0．2 ～3．0 MPa·m1/2/s。数据每隔 0．1 s采集一次，软件自动记录保存载荷F和缺口张开位移V。根据保存的数据绘制F－V曲线，并计算缺口张开位移塑性分量Vp。

断裂试验完成后，试样均放入高温炉中，在350℃下保温30 min后炉冷，进行裂纹着色。取出试样并打断，进行裂纹长度测量，对距离两侧表面0．01B(B为试样厚度)位置取平均值，再和内部等间距的7点测量长度取平均值，则裂纹长度由式(1)给出。断裂韧度 δ0值由已经测量得到的 B、W、a0、S、F 和 Vp按式(2)计算。式(2)中z表示引伸计装卡位置与试样表面的距离，此处为0;应力强度因子系数见式(3);式(2)中σYS应取裂纹尖端材料在－10℃时的屈服强度，计算热影响区的CTOD时，取母材和焊缝中较大值;弹性模量取E=208 GPa，泊松比μ=0．3。拉伸试验测得常温20℃时的材料性能，可按式(4)［12］转化，式中，T以℃为单位。

3 试验结果与分析

按照标准BS7448-2［12］相关规定，表面缺口试样试验后需进行结果有效性评价，判断裂纹尖端是否进入指定区域。试样打断后，取一边沿跨距方向、B/2位置线切割，在靠近裂纹前缘的线切割面进行抛光打磨准备进行金相分析。根据试件测量、试验计算并整理数据，试验结果汇总见表3。图4为表面缺口试样金相观察面定位示意图和实图，图5为试件裂纹尖端区域金相观察图。

表3 断裂韧度试验数据

图4 表面缺口试样金相观察区域示意图和实图

图5 裂纹尖端附近区域金相图

数据显示，焊接接头不同区域CTOD差异明显，各区域平均值如图6所示。焊缝中心金属δm平均值为0．346 mm，而且离散性不大，表明该区域金属性能均匀。焊缝区主要是焊条成分，为提高焊接接头力学性能，可有针对性的选择焊条。热影响区呈现力学不均匀性，试样H-3和H-7在断裂试验中未出现最大力平台，分别因为试验初始非稳定裂纹扩展和中途pop-in而停机;其他试样出现最大力平台，δm大于焊缝中心金属试验值，这与文献［5］中的趋势是一致的。表明热影响区组织差异明显，导致试验结果离散性较大，有必要进一步讨论热影响细晶区和粗晶区的断裂韧性。

图6 各区域平均CTOD值

通过金相分析最终裂纹尖端所在区域，有效测试了细晶区和粗晶区的断裂韧性。图5中S-2、S-4试样裂纹尖端所在区域组织主要为细小的多边形铁素体和珠光体，该区域母材发生重结晶而又不至于严重长大［13］，称之为热影响细晶区(FGHAZ)。S-2、S-4 试样所测细晶区的CTOD是最大力平台的δm值，平均值0．69 mm接近全壁厚热影响区的试验值，表明细晶区在－10℃环境下仍有良好的低温韧性。

如图5(a)、(b)所示，热影响粗晶区的组织主要由粗大的板条状贝氏体和粒状贝氏体组成，S-3、S-5试样裂纹尖端位于该区域。图5中S-3、S-5试样最终裂纹前缘比S-2、S-4试样更加尖锐，裂纹在粗晶区侧向扩展更长。表3中，S-3、S-5试样在断裂试验初始出现非稳定裂纹扩展，所测δc平均值小于0．1 mm，该区域断裂韧性远小于焊缝和其他热影响区。可知－10℃环境下，试样热影响粗晶区呈现低温脆性，是焊接接头启裂薄弱环节，在工程设计中要尤其注意。

在焊接热循环作用下，粗晶区内奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，粗大粒状贝氏体的形成是产生脆化的主要原因。随着晶粒尺寸的增加，晶界处原子失配也更严重，更易产生微裂纹，从而导致脆断强度的降低［14］。为提高粗晶区韧性，可以通过控制焊接线能量输入。在大线能量条件下，粗晶区奥氏体粗化严重;在低线能量时，粒状贝氏体韧性有所改善，同时出现部分针状铁素体组织，热影响粗晶区韧性进一步增强［15］。选择较快的焊接冷却速度，有利于粗晶区得到相对较小的粒状贝氏体和针状铁素体组织，可以提高管线钢焊缝止裂能力［16］。

4 结论

(1)X70管线钢焊接接头焊缝中心金属低温－10℃的断裂韧性数值比较均匀，平均 CTOD值 δm=0．346 mm。热影响区CTOD值比较分散，该区域材料性能不均匀，其中δm大于焊缝中心金属试验值。

(2)通过金相显微分析，可以有效判断裂纹尖端所在区域，获得细晶区和粗晶区的断裂韧性。热影响细晶区未发生粗化，组织为细小的多边形铁素体和珠光体，在－10℃环境下仍有良好的低温韧性。粗晶区组织主要是板条状贝氏体和粒状贝氏体，而且晶粒尺寸粗大。该区域在－10℃时容易失稳断裂，呈现低温脆性。

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