凸台焊接对HFW焊管性能影响的模拟研究

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(1.中国石油集团石油管工程技术研究院，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室　陕西　西安　710077； 2.中石油管道联合有限公司西部分公司　新疆　乌鲁木齐　830013)

0　引　言

高频电阻焊(high-frequency electric welding，HFW)管由于生产效率和尺寸精度高、易于防腐涂覆等优点广泛应用于西气东输二线站场/阀室的管道建设中[1,2]。为了满足阀门、仪表和法兰等的安装需要，站场/阀室建设工程中经常会遇到在主管上开孔、焊接凸台(支管座)连接支管的情况[3-6]。在实际操作中，由于HFW高频电阻焊管焊缝肉眼难以辨别，部分凸台安装位置距离焊管焊缝很近甚至重合，存在安全隐患。

物理模拟技术通过对小型金属试样在不同受热、受力条件下变形(或变态)行为的模拟实验，为金属材料的物理冶金研究及科研开发提供既揭示微观机理，又指导实际工艺的分析资料。本文以站场/阀室高频电阻焊管上的凸台焊接为研究对象，根据焊接时实时测量的热循环曲线，利用Gleeble3 500热-力学模拟试验机，通过物理模拟方法研究凸台焊接对HFW焊管管体和直焊缝拉伸、冲击性能的影响规律。

1　试验材料与试验方法

1.1　试验材料

试验用钢管选用西气东输二线站场/阀室中常用的HFW高频电阻焊管，钢级L415MB、规格Φ406.4 mm×12.5 mm，化学成分见表1。表1中同时列出计算所得的CEⅡw、Ceq和Pcm值。材料的拉伸和冲击性能见表2。凸台选用工作压力为12 MPa、材料A350 LF2，规格DN400 mm×25 mm的焊接式凸台。

1.2　试验方法

利用热切割的方法在HFW高频电阻焊管焊缝中心开直径为Φ25 mm的小孔。根据西气东输二线管道规程站场/阀室焊接工艺规程，采用钨极氩弧焊(GTAW)打底、焊条电弧焊(SMAW)填充盖面的焊接方法焊接凸台，具体的焊接工艺参数见表3。

利用储能焊机将K型热电偶固定在焊管表面距离凸台角焊缝0.89 mm和3.01 mm位置(焊接后实测位置)。测试设备采用日本基恩士TR-TH08高精度温度/电压测量仪，可同步查看和记录不同位置的温度变化情况[7,8]，如图1所示。

制备HFW高频电阻焊管管体和纵焊缝的Φ6 mm×71 mm、10.5 mm×10.5 mm×71mm的热模拟试样。利用Gleeble3 500热-力学模拟试验机，如图2所示。将前文测得的焊接热循环曲线温度加载在制备的热模拟试样上。热模拟试验后将试样加工成标准的拉伸试样和冲击试样。

表1　L415MB高频电阻焊管化学成分(质量分数)　%

注: 1) CEⅡw=C+Mn/6+(Cu+Ni )/15 +(Cr + Mo +V)/5 2) Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+Cu/13+P/2 3) Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

表2　L415MB电阻焊管力学性能

表3　凸台焊接工艺参数

注：DCEN-表示与焊接材料相连的电极与电源的负极相关联；DCEP-表示焊条与电源的正极相关联。

图1　TR-TH08型热循环测量仪

图2　Gleeble 3500热-力学模拟试验机

2　试验结果和分析

凸台焊接总共为四道次，第一道次为打底焊接、第二、三道次为填充焊接，第四道次为盖面焊接。图3为凸台焊接时距离角焊缝0.89 mm、3.01 mm(焊接结束后实测距离)处热电偶测得的热循环曲线。凸台打底焊接采用的是钨极氩弧焊接，通过对距离角焊缝0.89 mm处的焊接热循环曲线分析可知，第一道次焊接的加热阶段可以分为三个阶段：0～600 ℃，加热速度为150 ℃/s；600～850 ℃的加热速度增加为256 ℃；850～915 ℃则加热速度降为50 ℃/s。热循环峰值温度达到了915 ℃后缓慢冷却，从915 ℃降低到800、700、650和400 ℃的冷却速度依次为82、52、32和23 ℃/s。凸台填充和盖面焊接采用焊条电弧焊。三道次的平均加热速度依次为：59、278和414 ℃/s，峰值温度则依次为：586、1 355和1 372 ℃。在盖面焊接时，测点在1 372 ℃的停留时间约为2 s。测点在高温的停留时间(1 000 ℃)依次为9.2和6 s。焊接后800 ℃到500 ℃的停留时间依次为：10、9、8.5 s。通过上述统计可知，随着焊接道次的增加，凸台角焊缝附近区域的加热速度、峰值温度、高温停留时间以及冷却速度都逐渐增加。在每个道次的焊接中，加热速度在焊接温度快速达到高温后(1 000 ℃)、峰值温度前，存在快速降低的情况，而焊后冷却速度则随着温度的降低而逐渐小。距离凸台角焊缝3.01 mm处的焊接热循环的规律同上述一致，峰值温度在最后焊接道次也达到了约1 004 ℃。

图3　凸台焊接后ERW焊管外表面焊接热循环曲线

HFW焊管管体和直焊缝横向拉伸试样经过图3所示峰值温度高达1 372 ℃和1 004 ℃的焊接热循环后，测得的拉伸试验结果如图4所示。由图4可知，HFW焊管直焊缝的抗拉强度最低，为524.5 MPa，约为HFW管体的88%。通过凸台焊接的热模拟试验后，HFW管体粗晶区(1 372 ℃)和细晶区(1 004 ℃)的抗拉强度相对于管体降低，其中细晶区抗拉强度降低为535 MPa，约为HFW管体的90%。ERW焊管直焊缝横向拉伸试样经过焊接热循环后，模拟焊接粗晶区(1 372 ℃)和细晶区(1 004 ℃)的抗拉强度则稍有上升，粗晶区和细晶区抗拉强度分别增加为564、551.5 MPa，约为ERW管体的94.8%和92.7%。

HFW管体和直焊缝冲击试样经过峰值温度高达1 372 ℃和1 004 ℃的焊接热循环后，测得在0 ℃和-40 ℃的冲击试验结果如图5所示：在0 ℃时，管体和纵焊缝的冲击韧性值分别为207 J和365 J，都远远高于标准要求。通过凸台焊接热模拟试验后，粗晶区和细晶区试样的冲击韧性都远高于ERW焊管原始性能。在-40 ℃，管体和纵焊缝的冲击韧性值稍有降低，分别为191 J和344 J，凸台焊接热模拟后，粗晶区组织韧性低于焊缝而高于管体，约为249 J，细晶区组织则高于管体和纵焊缝，在-40 ℃仍然高达379 J。

图5　HFW焊管管体和直焊缝冲击性能

3　结　论

以站场/阀室高频电阻焊管上的凸台焊接为研究对象，根据焊接时实时测量的热循环曲线，通过物理模拟方法研究凸台焊接对HFW焊管管体和直焊缝拉伸、冲击性能的影响规律，结论如下：

1)凸台焊接时焊缝附近HFW焊管外表面距离角焊缝0.89 mm和3.01 mm处峰值温度分别高达1 372 ℃和1 004 ℃。

2)凸台焊接后HFW焊管管体和直焊缝模拟粗晶区和细晶区的抗拉强度高于HFW焊管直焊缝。

3)凸台焊接后HFW焊管管体和直焊缝模拟粗晶区和细晶区的冲击韧性高于HFW焊管管体。

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