埋弧焊管焊接接头背面导向弯曲失效原因分析

2021-07-27张志明高广俊

焊管 2021年7期

张志明，高广俊，印乐，汪超

（渤海石油装备江苏钢管公司，南京 210001）

导向弯曲性能是埋弧焊管力学性能的一项重要评价指标，用于评价焊接接头抵抗弯曲塑性变形的能力，导向弯曲失效往往与母材化学成分、焊接工艺、钢管管型、焊接接头有无内在缺欠以及制样方法等多重因素有关。在API SPEC 5L[1]、GB/T 9711[2]以及大部分用户标准中都规定了可以对失效钢管进行复验。因而，在生产实践中该性能并不像拉伸强度和冲击韧性等受到足够重视。随着近年用户对管道安全标准的提高，部分标准已不允许对不合格试样进行复取，这就需要制造商对可能引发导向弯曲失效的因素在工艺设计阶段和生产控制阶段进行全流程控制。

1 试验方法及标准要求

1.1 试验方法

生产过程中导向弯曲不合格主要出现在X65、 X70、 X80 钢级的管线钢管中，焊管导向弯曲试验按照ASTM A370—2019[3]的要求进行，试验结果按照API SPEC 5L 《管线钢管规范》中9.7 章节导向弯曲试验判定依据进行判定。

试验过程中，弯模直径Agb不应大于公式（1）确定的数值，计算结果圆整到最邻近的1 mm。

式中： D——规定外径， mm；

t——公称壁厚， mm，当使用减薄试样时为19 mm；

α——尖峰系数， α=1.15；

ε——应变系数，查API 5L 表23。

1.2 验收条件

油气输送用直缝埋弧焊管导向弯曲（面弯和背弯）试验验收要求主要分两类，一是以API SPEC 5L 《管线钢管规范》为基础发展而来的各国家标准和行业标准；二是以通用标准为基础根据具体管线输送介质、地质、环境等因素设计的具体工程项目标准。常用油气输送管用导向弯曲试验拒收条件见表1。

表1 油气输送管导向弯曲试验拒收条件

2 典型背弯失效类型

在直缝埋弧焊管大批量工业化生产过程中，导向弯曲试验失效绝大多数是以背弯形式呈现，表2 统计了某公司直缝埋弧焊管生产线近3 年导向弯曲失效类型，其中面弯失效2 组，背弯失效72 组，本研究主要针对背弯导向弯曲失效进行研究。

表2 某公司直缝埋弧焊管生产线近3 年油气输送管导向弯曲试验失效类型

弯曲试验失效类型主要包括焊缝缺陷及熔合线（焊趾）缺陷，如图1 和图2 所示。焊缝缺陷主要包括两种类型，一是随机分布于焊缝表面类似龟背壳的皲裂，裂纹细小弥散分布于焊缝表面；二是以典型规则分布于焊缝中心焊道上的裂纹，呈断续分布，有时会连成串，分布方向与焊缝长度方向具有明显的平行趋势。熔合线（焊趾）缺陷主要包括三种类型，一是孤立的点状或开口状缺陷；二是孤立或者由几个孤立有一定长度分布于熔合线浅表面的层状开裂缺陷；三是宏观上有明显的大角度、较大深度甚至直接断裂的缺陷。

图1 典型导向弯曲试验失效焊缝缺陷照片

图2 典型导向弯曲试验失效熔合线（焊趾）缺陷照片

3 失效原因分析及探讨

3.1 焊接工艺分析

3.1.1 焊材匹配及热输入对热影响区性能的影响

通常在X65、 X70 以及X80 钢管批量生产时，为了优先满足强度和韧性的需要，都采用高强匹配。 H08MnMoTiB 焊丝具有高强度、较高韧性，但由于焊缝和母材强度的差异，对于碳当量高的钢管，如果采用大的热输入焊接，进行导向弯曲试验时，由于其热影响区部位的弱化，致使弯曲过程的塑性变形主要集中在热影响区。随着弯曲角度的增大，热影响区的塑性变形进一步增加。热影响区在变形过程中，熔合线附近粗晶区中硬而脆的M-A 组元将对变形起阻碍、拉拽作用。随着变形的积累， M-A 组元与板条铁素体基体间的界面产生较大应力集中，当应力集中程度超过材料的抗拉强度时，焊接接头中粗大的M-A 组元就成为裂纹源，导致裂纹在熔合线附近产生熔合线Ⅲ型缺陷[4-5]。

某项目X65 钢级焊管母材1～4 丝都采用H08MnMoTiB 焊丝施焊，对弯曲不合格的试样进行热影响区冲击试验，试验结果见表3，其中冲击功单值最小212 J、均值最小219 J，完全满足该项目单值≥45 J、均值≥60 J 的要求。

表3 导向弯曲不合格试样热影响区-5 ℃冲击试验结果

3.1.2 热输入对焊缝性能的影响

一般直缝埋弧焊多采用多丝焊接来提高焊接效率，但这样会增加焊接热输入，热输入越大焊接过程中的熔池存在时间越长，同等条件下焊缝金属冷却速度越慢，将影响熔池金属的形变强化、固溶强化和沉淀强化的效果，引起焊缝及其热影响区性能的恶化，造成焊缝中心晶粒粗大，产生焊缝中心弯曲裂纹甚至断裂。在中厚度钢管的焊接中这种影响更加明显，采用小线能量可以大大缩短焊缝及其热影响区的高温停留时间，基本抑制难溶的氮化物、碳化物向奥氏体的溶入[6-7]。在无焊后热处理情况下，合理控制热输入，可以改善焊接区冷却速度，以及焊缝截面粗晶区、细晶区、过热区及临近母材性能不均的情况。过大的热输入和不合理的参数设置可以用熔合比来直接表征[8-9]，某工程采用的厚壁X65 钢级Φ813 mm×15.9 mm 管线管焊接接头形貌如图3 所示，熔深为10.5 mm，这种不合理的热输入造成形貌上所谓的“钉扎” 现象，这是产生焊缝Ⅰ型缺陷可能原因之一。

图3 X65 钢级Φ813 mm×15.9 mm 焊管焊接接头形貌

表4 为某工程壁厚15.9 mm 管线钢管三丝和四丝两种焊接工艺参数，采用两种工艺焊接的同项目、同规格、同材质钢管的导向弯曲性能有明显差异，采用四丝工艺的相对较大热输入时出现图4 所示焊缝Ⅰ型缺陷，采用三丝工艺后弯曲性能明显改善，如图5 所示。

表4 某工程壁厚15.9 mm 管线钢管焊接工艺参数

图4 四丝工艺焊接接头背弯试样

图5 三丝工艺焊接接头背弯试样

3.2 塑性变形不均对背弯试验的影响

导向弯曲试样宏观形貌如图6 所示。导向弯曲试验过程中，试样接触面与凸模应时刻贴合，在整个弯曲面上，试样的变形率应基本一致（如图6 （a）所示），不会在焊缝区出现 “径缩” 和“折弯” （如图6 （b）所示）。当出现上述现象会在弯曲外表面产生焊缝Ⅱ型缺陷，这时背弯拉伸面超出塑性变形极限在焊缝中心产生缺陷或缺欠，该缺陷是从外到内变形超限产生的，因而有显著的表面和位置特征；再者是在焊趾处开裂甚至出现断裂，这种开裂伴随着热影响区的严重塑性变形，会出现折弯现象甚至会断裂。这种现象产生的根源是不管采取多低的热输入总会有不同程度的热影响区软化，但这种软化如果伴随有不合理的母材强度，过高的母材抗拉强度会导致热影响区产生表面缺陷，严重时出现折断（裂）现象[10-12]。

图6 焊接接头导向弯曲试样宏观形貌

3.3 试样制备对弯曲试验结果的影响

试样制备是影响导向弯曲试验结果的重要因素之一，实际工作中往往忽略压平和去除焊缝余高的先后顺序（ASTM E190 亦未说明去除焊缝余高的时机），特别是在焊缝余高偏大或不规则（噘嘴、错边等）的情况下。图7 所示为试样压平前后的宏观形貌， Φ813 mm×14.3 mm 规格钢管焊后内焊缝余高2.5 mm，压平前焊趾夹角约155°，压平后约171°，发生了约16°的角度变化，先压平过程因余高还未去除，造成试样展平过程中焊趾处与临近母材变形量不一致，焊趾处相对于整个内外曲面变形严重；而先去除焊缝余高后压平过程，因整个变形面经过打磨为基本均匀的曲面，原焊趾和其他部位在压平过程中变形并没有不同，故先压平后去除焊缝余高和先去除余焊缝高后压平的两种做法就产生了差别。这种“折弯效应” 产生局部应力集中，从应力分布来说这种变形造成内焊缝焊趾形成拉应力，且与导向弯曲应力方向一致，这可能是造成试样失效的原因之一，这种失效反映在宏观上就是焊趾Ⅱ型缺陷，具有浅而长的特征，当然偏载也是原因之一，这里不做讨论[13-15]。

图7 试样压平前后的宏观形貌

3.4 时效处理对弯曲试验结果的影响

直缝埋弧焊管残余应力除焊接热应力之外，形变应力主要来自3 个方面： ①由于焊接后会进行超声波探伤，根据季节、钢管规格不同，焊后达到热饱和以及随后的整体均匀化需要较长时间，较早冷却探伤产生一定的激冷变形； ②钢管定径过程中因焊缝与母材强度的差异造成应变差异，尤其是热影响区软化明显的材料，焊趾区产生相对集中塑性变形； ③试样展平过程产生塑性变形。这些形变应力的叠加在一定情况下可能造成试样加载过程中失效，研究表明钢管一般通过24～48 h 自然时效处理，导向弯曲缺陷的长度、深度、数量均有所改善，缺欠甚至会完全消失。必要时可依据钢管的最终状态，在200 ℃下保温5 min 模拟中频加热，加速时效处理，消除或减少残余应力。时效处理前后导向弯曲试样形貌如图8 和图9 所示。

图8 时效处理前焊缝弯曲试样形貌

图9 时效处理后焊缝弯曲试样形貌

3.5 热影响区夹杂物对弯曲试验结果的影响

一般母材夹杂物最严重的部位为热影响区厚度方向的1/4 处，根据金相试验、超声波检测和射线拍片的结果，尺寸在150～350 μm 的夹杂物，波幅比基准灵敏度（Φ1.6 mm 竖通孔100%波高）一般低2 dB 左右，按照标准ASTM E45，母材的夹杂物不可超过436 μm，按钢板标准评定，该类夹杂物均合格。为此，随机抽检的钢管试样，如有不超标缺欠，特别是位于焊趾壁厚深度的1/4 以内的浅表面，作为弯曲试样时应严格要求或探伤做出标识。导向弯曲试样取样前应进行无损检测。