埋弧焊管导向弯曲变形测量与分析

曾德胜，王 彬

（中石化石油工程机械有限公司沙市钢管厂，湖北 荆州434001）

进行埋弧焊管导向弯曲试验时，试样表面发生了明显变形。相关文献[1]在分析试样不合时，认为焊趾部位微区的变形量达到45%，并进一步提出解决方法，但具体变形的数据尚没有明确的测量和分析方法。因此，对弯曲变形的具体数据进行测量是开展分析的基础。

1 导向弯曲试验概述

1.1 导向弯曲试验

在API SPEC 5L和GB/T 9711中均有关于导向弯曲试验的要求。按照API SPEC 5L(45版)的要求，试样宽度为，沿垂直焊缝方向切取，试样尺寸如图1所示。API标准也给出弯模直径的公式Agb，基本上在10t（t为壁厚）以上，不过用户一般直接规定采用6t的弯轴直径(X65及以上钢级)[2]。

图1 导向弯曲试样尺寸图

导向弯曲试验合格的基本标准为：焊缝金属不应出现长度大于3.2 mm的裂纹；母材、HAZ或熔合线不应出现任何长度大于3.2 mm或深度大于规定壁厚12.5%的裂纹或破裂。

从实际生产经验来看，熔合线的开裂占了实际开裂的主要部分。笔者对某直缝焊管和螺旋焊管分厂2013年上半年的弯曲不合情况进行了统计，统计结果见表1。

表1 导向弯曲不合数据统计 个

从表1可以看出，熔合线处的缺陷占到总缺陷数的76%，是需要重点研究解决的问题。当材质为X65钢级及以下时，由于焊接接头塑性较好，不容易出现弯曲不合。而材质在X70钢级及以上时，板材表面容易出现硬化层，塑性下降，出现弯曲不合的几率增加。

1.2 导向弯曲应变的计算

在导向弯曲试验中，具体的应变分析计算有如下特征：在一个尺寸为B×t×L的弯曲样上，存在一个应变中性层，宽度B在内区增厚，外区减薄；壁厚t在内区受压缩增加，外区受拉伸减薄，总体效果是略微减薄，在6t的弯轴直径下，壁厚变为原来的0.999 2倍[3]；弯曲变形由弹性变形和塑性变形组成，但弹性变形应变一般只有0.002左右，其余均为塑性变形；若忽略在塑性变形过程中中性层的向内偏移，可以认为中性层恰好通过剖面的重心，其应力应变均为0。

图2为弯曲试样变形图。假定中性层的曲率半径为ρ、弯曲角度为a、距离中性层宽度为y的变形层，则其切向名义应变公式为

图2 弯曲试样变形图

若在弯曲试验过程中表现为均匀变形，没有出现颈缩的情况下，该切向名义应变（简称应变）与标距无关。弯曲时外表面的拉伸应变最大，是弯曲试验中的薄弱面，那么在规定弯轴直径为6t的导向弯曲试验时，外表面理论应变，并且是该试样上的最大应变。

1.3 断后伸长率与标距

在GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》中规定，断后伸长率A是断后标距的残余伸长L1-L0与原始标距L0之比的百分率[5]。图3为断后伸长率的定义图，可以看出，该伸长率实际上是一种名义应变，不是真实应变。在弯曲变形时，弯曲完成后测量得到的外表残余应变ε1应该是理论应变ε减去弹性应变εt， 即 ε1=ε-εt。那么以上述 6t弯轴直径来算， 残余应变基本上就是弯曲时的应变。

图3 断后伸长率的定义图

标距L0在各种不同的标准中参数均不同，当计算L0标距下的断后伸长率δ时，由于试样拉断后的总伸长率ΔLk由均匀伸长率ΔLB和缩颈处的集中伸长率ΔL0两部分组成，而根据试验结果，故Barhe公式可表述为

由于伸长率受到试样尺寸的影响，我国和大多数国家一样，规定或11.3，对圆柱形试样相当于L0/d=5或10，前者称为短试样，后者称为长试样。由于短试样节约原材料且加工较方便，各国倾向于采用短试样。另外，由于Barhe公式计算困难，所以实际运算中采用Oliver公式。

在API标准中，应报告标距长度为50 mm试样的断裂后伸长率，允许按照Oliver公式进行换算。在GB/T 17600.1—1998中，断后伸长率A的Oliver公式为

式中：a—材料系数；

S0—试样原始横截面积；

L0—试样的原始标距；

n—常数，低碳钢和低合金钢为0.4。在导向弯曲试验中，初步分析导向弯曲能力应该与同尺寸材料的断后伸长率相当。但因为断后伸长率难于直接比较，可按Oliver公式换算成为同弯曲截面的试样，其标距定为50 mm。这样测量或者计算得到断后伸长率再进行分析和讨论。

1.4 弯曲伸长率判别公式

在用户规定的弯轴直径下，计算得到外表应变 ε， 换算成 Aε（Aε=ε×100%）。在钢管母材周向拉伸试验后得到断后伸长率A1，换算为Am50。同样，对钢管焊缝取纵向圆棒试样，得到断后伸长率A2，换算为Aw50。

弯曲试验时，测量并得到实际发生在母材、热影响区和焊缝上的外表实际应变，分别换算为Am，Ah和Aw。对于母材和热影响区，当Am＜Am50或Ah＜Am50时，则试样不会开裂；对焊缝，当Aw＜Aw50时，试样不会开裂。这是针对理想的焊接接头得出的分析结论。

如果在实测伸长率远小于断后伸长率的情况下，仍然出现弯曲开裂不合格现象，应该是该处存在某种缺陷造成。

2 实际弯曲变形数据的测量和分析

2.1 导向弯曲伸长率的测量方法

由于需将弯曲试验实际伸长率与断后伸长率比较，所以数据均采用百分比的形式。测量步骤如下：

（1）对弯曲光滑表面用20%硝酸酒精溶液进行酸洗，直到能看清焊缝边缘。

（2）在试样上用直尺按距离用记号笔在试样中间画横线，并对不清晰的焊缝边沿和HAZ用划针轻轻画横线，然后在各线中心画纵向线以找到测量点，如图4所示。其中焊缝宽度a为实际宽度，热影响区宽度b1和b2取3 mm左右，母材宽度c1和c2取10 mm左右，这样总宽度c为50～60 mm。

图4 弯曲样测量图

（3）进行弯曲试验后，用卷尺贴紧划线表面进行测量，得到弯曲后的各组数据，用类似公式来计算各区的伸长率。

（4）收集和换算钢管母材横向断后伸长率。对焊缝则单独取样进行试验，并换算为Aw50。通过对照各区的伸长率，用公式分析是否会出现弯曲不合。

通过与母材、焊缝的断后伸长率进行比对，分析弯曲变形的特点，找到改善的方法。由于对表面有一些改变，这种测量方法不能在常规导向弯曲样上进行，只能在试样上采用。

2.2 测量数据分析

通过对X80材质，14～22 mm厚的钢板、螺旋钢管和直缝钢管的弯曲试验，测得各弯曲试样伸长率见表2。

表2 X80钢板/管弯曲试样伸长率测量结果

在反弯时，试样在压平时已经历了应变ε（ε=1/(D/t-2)），因此反弯的实际应变要大一些，大致比正弯的应变多0.01%～0.02%。实际上，反弯的不合情况也大大多于正弯。试验时，试样正弯、反弯均合格，由于表面变形较小，可以认为处于均匀变形阶段。

对应X80钢板/管的弯曲试样的断后伸长率A见表3。通过Oliver公式换算得到标距为50 mm，钢板尺寸为38 mm×t的原始截面尺寸下的断后伸长率为A50。

表3 X80钢板/管弯曲试验断后伸长率

通过分析表2和表3，发现当Aε=14.29%(此时弯轴直径6t)时，各分区的真实应变都没有超过其标准断后伸长率A50，从塑性上来说是安全的；当Aε=25%(此时弯轴直径3t)时，焊缝和热影响区的伸长率和A50相当，说明此时弯曲不合概率大大增加。由于试验仍然合格，说明弯曲变形时塑性仅表面变形较大，有一定的塑性余量。总的来说，在常见的弯轴直径（5t～6t）下，弯曲变形量远远小于实际断后伸长率，因此从塑性上看是安全的。

通过对比伸长率数据，发现一般弯曲样的实测变形要大于理论伸长率，因为在弯曲时，试样不一定会贴紧弯轴，焊缝的变形要更大一些，如图5所示。由于变形集中于焊缝区域，当焊缝伸长率Aa是平均伸长率Aε的1～1.5倍时，热影响区的伸长率比值Ab1/Aε最大可达到2.1。这说明，当采用焊缝高强匹配时，焊缝变形小，而热影响区变形大，容易在熔合线开裂。当采用等强匹配时，焊缝变形大，热影响区变形相当，不容易出现熔合线开裂。因此可以看出表3中A为高强匹配，B和C为等强匹配。为保证导向弯曲试验合格，应尽量采用等强匹配。但因为焊接工艺评定的着眼点是保证韧性最佳，因此经常出现的是高强匹配，此时弯曲性能不在最佳状态。

图5 弯轴下的弯曲样

2.3 试样尺寸和标距对断后伸长率的影响

在各项力学报告中，断后伸长率是作为一个独立的数据报告的，但是各个数据没有可比性，必须统一到一个标准下才能做比较。

下面以试验中用到的18.4 mm厚X80钢板力学性能为例，将其换算为弯曲试样尺寸下的伸长率A50，计算结果见表4。

表4 试样拉伸性能计算结果

例如，对表4中4号横向φ6.47 mm圆棒试样的计算过程为

从表4可以看出，圆棒试样的断后伸长率换算后，与板状试样试验结果基本一致。但圆棒试样尺寸越细，越容易出现在边缘断裂的现象，从而带来测量误差。因此，试验尽量采用板状试样，或者进行2次圆棒试验取平均值，误差较小。

2.4 母材和焊缝力学性能的比较

针对在伸长率均满足要求的情况下出现的弯曲不合现象，在平板无拘束试验条件下，不存在拘束应力、噘嘴等工艺参数异常问题，现采用同一组同炉号X70M钢生产的φ813 mm×14.2 mm螺旋焊管的力学性能进行分析，见表5。

表5 X70M钢级φ813 mm×14.2 mm螺旋钢管拉伸性能

从表5数据可以看出，从原料钢板到钢管，母材Y1,Y3,Y4试样的断后伸长率A50数值基本一样，焊缝比钢管母材的断后伸长率A50略低一些，但仍远远高于弯曲应变 (38%＞14.3%)，对弯曲变形是安全的。而焊缝的强度远远高于母材的强度，再加上焊趾处存在应力集中，形成薄弱环节，是造成弯曲不合的主要原因。

2.5 热影响区塑性的影响

热影响区受到焊接热循环的影响，金相组织发生了变化，尤其是半熔化区晶粒非常粗大，导致力学性能恶化。由于无法直接测量热影响区的力学性能，只能分析该区可能出现软化和脆化。软化往往是热输入量过大，造成弯曲时塑性变形太大而失效[1]；脆化的可能原因是微合金元素较多，碳当量较高，加工过程中表层硬化等综合因素使表面层塑性急剧下降，造成导向弯曲不合[9]。

3 弯曲试样显微组织分析

3.1 熔合线开裂现象

熔合线开裂情况在弯曲不合中是最多的。分为点状开裂、线状开裂和断裂，如图6所示。点状开裂，一般是夹渣、咬边等点缺陷造成的；线状开裂，原因较为复杂，可能为焊趾微裂纹扩展或者微咬边等缺陷造成的；试样完全断裂，则可能是焊趾微裂纹沿熔合线和热影响区脆化区扩展造成的。

通过金相观察弯曲不合样的截面，可以看到熔合线上存在明显的开裂现象[10]，如图7所示。

测量其开裂深度往往在30～1 000 μm。可以初步得出结论，弯曲质量的影响因素集中在焊接接头表面1 mm之内。检测内部质量的冲击韧性、重合量等没有直接影响。

图6 熔合线开裂图

图7 不合弯曲试样开裂图

3.2 焊趾金相分析

对弯曲不合、熔合线开裂的钢管，取其酸洗样在100～200倍下检查焊趾微观形态。检查发现80%焊趾均存在微裂纹，如图8所示。

图8 焊趾微裂纹

焊趾处的微缺陷在应力作用下会导致扩展，从而在压平时继续开裂到最后形成弯曲不合。因此在生产中消除焊趾处存在的微裂纹是减少弯曲不合的关键。

而焊趾开裂的原因包括焊接工艺参数不佳造成的焊接微缺陷、焊缝侧面角过大引起的应力集中、母材表面锈蚀造成的边缘熔合不好以及成型应力过大造成的撕裂等，需要根据生产的实际情况进行具体分析。

4 结 论

（1）提出一种测量导向弯曲变形的方法，可参考比较焊缝、热影响区和母材的应变大小。

（2）不同条件下的断后伸长率不具有可比性，应转化为标准标距的板材截面下的断后伸长率再进行比较。

（3）通过金相分析，认为焊趾处的微裂纹是造成熔合线开裂的主要原因。

[1]杨丁门,何兴利,赵炜,等.西气东输二线用X80级螺旋埋弧焊管导向弯曲性能分析[J].焊管,2009,32(09)：18-21.

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