复合钢管对接接头力学性能试验研究

2013-09-07庞广重

石油工业技术监督 2013年1期

庞广重

中国石油渤海装备辽河热采机械公司钻采设备及材料检验室（辽宁盘锦 124209）

内衬不锈钢复合钢管是通过特殊工艺在普通钢管内部衬上一层薄壁不锈钢复合而成的一种新型管道。以其耐腐蚀性强、光滑性好、耐压性能较高、造价低等特点在工业要求较高的管路系统中被广泛使用。

目前，国内对该种复合管对接焊焊接接头试验分析并不多见，为此，按照GB/T 228.1-2010、GB/T 232-2010和SY/T 4103-2006要求对内衬不锈钢复合钢管对接焊焊接接头试验件的力学性能进行了试验、研究和分析[1-3]。复合钢管对接接头力学性能试验的准确与否，直接关系到复合管在开采石油、天然气中的应用。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料为对接焊复合管。复合管外层规格为Φ660mm×20mm，材质为L485MB，符合标准GB/T 9711.2-1999的无缝钢管[4],内衬为壁厚2mm，材质为316L(00Cr17Ni14Mo2),符合标准GB/T 14976-2002的无缝不锈钢管[5]。对接焊工艺采用的是一种特殊无填充金属的爆炸焊焊接工艺,焊接规范采用客户独有的专利。外层及内衬不锈钢钢管技术条件要求的拉伸性能如表1所示，对接焊试件实物见图1。

表1 对接焊复合外层及内衬管体的抗拉强度

1.2 标准要求

该复合管对接焊焊接接头试验执行标准为SY/T 4103-2006（用户指定），依据标准可知试验项目为拉伸、刻槽锤断、弯曲试验。

1.3 试样加工

试样取样按图2指定的位置进行，试样的数量为4件拉伸、24件刻槽锤断、4件侧弯，试样按照图3、图4、图5的要求制备。

拉伸试样（图 3），长约 230mm，宽 25mm，制样通过机械切割的方法进行。试验机夹持部位去除了不锈钢金属部分，除有缺口或不平行外，试样不进行其他加工。

刻槽锤断试样（图 4），长约 230mm，宽 25mm，制样通过机械切割的方法进行。用钢锯在试样两侧焊缝断面中心（以根焊道为准）锯槽，每个刻槽深度约为3mm，焊缝内外表面余高上刻槽深度约为1.6mm。试验机夹持部位去除了不锈钢金属部分。

侧弯试样长约230mm，宽13mm，其长边缘磨成圆角（图5）。试样通过机械切割的方法制成宽度约19mm的粗样，然后机械加工成13mm宽的试验试样，试样表面光滑平行。焊缝的内外表面余高去除与试件表面平齐。

1.4 力学性能测试

1.4.1 拉伸试验

采用上海华龙的WEW600试验机对拉伸试样进行抗拉试验，每个试样的抗拉强度不应小于管材规定的最小抗拉强度。断裂后的试样如图6所示。如果试样断在母材上，且抗拉强度不小于管材规定的最小抗拉强度时，则试样合格；如果试样断在焊缝或熔合区，其抗拉强度不小于管材规定的最小抗拉强度时，且断面缺陷没有标准要求以外的要求，则该试样合格；如果试样是在低于管材规定的最小抗拉强度下断裂，则该焊口不合格。拉伸试验数据见表2，结果符合SY/T 4103-2006要求。

表2 拉伸试验数据

1.4.2 刻槽断裂试验

试样在上海华龙的WEW600试验机上拉断，要求每个断裂面应完全焊透和熔合，夹渣在长度或宽度上应不超过3.0mm，相邻夹渣之间至少应有13mm。断裂后试样见图7，试验结果为8个试样的每个断裂面都无缺陷。

1.4.3 侧弯试验

侧弯试验在万能材料试验机WE600上进行的，将试样以焊缝为中心放在模具上，焊缝表面与模具呈90°施加上模压力。将试样压入下模内。直到试样弯曲近似“U”形。弯曲后试样拉伸表面上的焊缝和熔合线区域所发现的任何方向上的任一裂纹或其他缺陷尺寸应不大于公称壁厚的1/2，且不大于3mm，除非发现其他缺陷。由试样边缘产生的裂纹长度在任何方向上应不大于6mm。弯曲试验后的试样见图8，试验结果符合SY/T 4103-2006要求（表3）。

表3 侧弯试验数据

2 分析和讨论

2.1 拉伸试样去除试验机夹持部位的内衬层（包括刻槽锤断试样）

根据该复合钢管的焊接工艺和样品的实际情况，加工完用于试验的试样其外层和内衬层仅通过焊缝处连接，焊缝两侧外层、内衬层金属不是整体，其拉伸强度不能叠加，并且外层厚度为20mm，内衬层厚度为2mm，由于薄厚相差悬殊，会造成两层金属承载能力有很大区别，并且内衬层金属只起到防腐作用，对整个焊接管道的强度影响很微小，可忽略。另外，由于在拉伸过程中，内衬层会先于母层断裂，导致试验机卡具错位，影响试验结果，甚至会损伤试验机，故将试验机夹持部位的内衬层去除，只保留焊缝部位内衬层金属。

2.2 刻槽试样焊缝内外表面余高槽深约1.6mm

经过多次试验，仅在焊缝两侧进行刻槽会导致试验后均断于母材。经分析，当对焊缝两侧刻槽3mm时，由于焊缝处余高过高，使其刻槽后焊缝处的剩余横截面积还大于母材横截面积，刻槽处载荷高于母材载荷，应力集中效果不足使试样在刻槽外断裂，无法完成试验。刻槽试验的目的是使试样在刻槽指定的断口处断裂，观察其焊缝断面有无焊接缺陷。就其试验目的，将试样存在焊缝余高两侧的刻槽深度加工至低于母材，即约为1.6mm，另外两侧槽深依旧3mm，使刻槽处横截面积小于母材面积，使应力集中效果有效作用于刻槽处，再其断裂，以便完成试验。

2.3 抗拉强度根据母层技术条件要求判定（忽略内衬层作用）

拉伸试验时将试样的试验机夹持部位去除了内衬层不锈钢金属部分，考虑到外层技术条件要求抗拉强度大于等于570MPa，内衬层的技术条件要求抗拉强度大于等于480MPa，外层与内衬层抗拉强度技术要求差距较大，壁厚也相差很大，实际上内衬层金属只是起到防腐作用，抗拉作用可忽略。所以本试验抗拉强度的判定只考虑母层技术条件要求。

2.4 弯曲试验不可忽略内衬层金属

依据SY/T 4103-2006标准要求，试样壁厚大于13mm，取侧弯试样。侧弯试验时，作用力方向垂直于内衬层表面，由于外层和内衬层不是一个整体，弯曲过程中，由于内衬层壁厚薄，会呈现弯曲方向与试验力成切向，引起内衬层焊缝处产生切应力，由于应力集中，极易导致焊缝处产生裂纹。如果内衬层弯曲性能不达标，在使用过程中一旦产生裂纹或裂口，焊缝处的防腐效果会降低，甚至会产生应力集中。所以弯曲试验不应忽略内衬层金属。