焊接對X70鋼力學性能影響的研究

江漢石油管理局沙市鋼管廠質量控制部 葉永春

焊接對X70鋼力學性能影響的研究

江漢石油管理局沙市鋼管廠質量控制部 葉永春

X70鋼管自動焊接成型后，分別在鋼管的焊縫及熱影響區取樣。所取的試樣進行拉伸、彎曲以及沖擊試驗，從而研究X70鋼自動焊接成型后的力學性能，并對同一根鋼管經過一次、二次補焊后，再次取樣進行沖擊、彎曲以及拉伸力學試驗，分析對比一次成型及多次補焊，對X70鋼力學性能的影響。試驗結果顯示，X70鋼焊接后焊縫的抗拉強度都會增大，但在標準要求的合格范圍內，沖擊功性能幾乎不受影響；抗彎能力也沒有明顯變化。多次補焊對X70鋼級的力學性能沒有明顯的影響。

X70鋼級 焊接 力學試驗

一、前言

隨著國內經濟快速發展，對石油和天然氣等能源的需求在不斷加大,除西氣東輸工程外,國家還將陸續建設一批能源干線。眾所周知,在這些長輸管道工程建設中,鋼管的性能對整個工程的質量起著決定性的作用，而管道在焊接成型后，其力學性能對鋼管的質量有很大的影響。筆者就我廠生產的X70鋼級φ1016×20鋼管的焊縫進行了一些力學性能的研究。

二、力學試驗方法

1. 沖擊試驗。沖擊試驗主要用來測定沖斷一定形狀的試樣所消耗的功，又叫沖擊韌性試驗。根據試樣形狀和破斷方式，沖擊試驗分為彎曲沖擊試驗、扭轉沖擊試驗和拉伸沖擊試驗三種。中國有關標準規定采用橫梁式試驗法，所用標準試樣以U形缺口試樣和V形缺口試樣為主。 我廠的沖擊試驗主要是采用V型缺口試樣。沖擊試樣所消耗的功,稱為沖擊功Ak。將Ak除以缺口處橫截面積 F，則得沖擊韌度Ak，單位為J/cm2。Ak值沒有明確物理意義，因為沖擊功并非沿著缺口處截面積均勻消耗。因此，Ak值不能直接用于設計計算。同一種金屬材料，缺口越尖越深，則塑性變形體積愈小，吸收功也愈小，材料的韌性也就愈低。因此，對于不同尺寸和缺口的試樣，所得結果不能互相換算和比較。

2. 拉伸試驗。拉伸試驗是指在承受軸向拉伸載荷下測定材料特性的試驗方法。利用拉伸試驗得到的數據可以確定材料的彈性極限、伸長率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度和其它拉伸性能指標。從高溫下進行的拉伸試驗可以得到蠕變數據。金屬拉伸試驗主要是根據ASTM E-8標準步驟進行的試驗。

拉伸試驗機

3. 焊縫彎曲試驗。彎曲試驗主要用于測定脆性和低塑性材料(如鑄鐵、高碳鋼、工具鋼等)的抗彎強度并能反映塑性指標的撓度。彎曲試驗還可用來檢查材料的表面質量。彎曲試驗在萬能材料機上進行，有三點彎曲和四點彎曲兩種加載荷方式。試樣的截面有圓形和矩形，我廠主要是采用矩形試樣。試驗時的跨距一般為直徑的10倍。對于脆性材料彎曲試驗一般只產生少量的塑性變形即可破壞，而對于塑性材料則不能測出彎曲斷裂強度，但可檢驗其延展性和均勻性展性和均勻性。塑性材料的彎曲試驗稱為冷彎試驗。試驗時將試樣加載，使其彎曲到一定程度，我廠的試樣一般是進行180°正反彎，從而觀察試樣表面有無裂縫。

三、X70鋼自動焊接后力學實驗

1. 自動焊接后的力學實驗。我廠直縫生產使用的是自動雙面埋弧焊，成型后焊縫宏觀形貌如圖1。對φ1016×20、X70鋼級鋼管，經X射線和超聲波探傷合格后取樣進行實驗。

圖1 焊縫宏觀照片

我廠φ1016×20、X70鋼級鋼管焊接工藝參數如表1所示：

表 1 焊接工藝參數

（1）焊接后的沖擊實驗。由于沖擊試樣尺寸要求最大厚度僅為10mm，而壁厚為20mm的鋼管，這樣沖擊樣加工位置既可以在外焊縫位置，也可以在內焊縫位置，沖擊功是否存在差異，其區別有多大，并沒有這方面的經驗與數據。下面就是對焊縫及熱影響區在不同加工位置沖擊功的探討。

1）焊縫沖擊試驗。在-20℃溫度下，對焊縫不同位置的沖擊樣的取樣位置（見圖2）進行了夏比沖擊試驗。

圖2

取樣位置與沖擊功值的關系見表2。

表 2 取樣位置對應的沖擊功關系

不同位置取樣的沖擊功對比分析如圖3所示：

對以上數據進行分析可以看出：

①取樣位置1數值最低，取樣位置2、3數值更高，表明焊縫中心沖擊值最低。

②取樣位置2、4、5數值高于取樣位置3、6、7，表明外焊縫沖擊值高于內焊縫沖擊值。

2）熱影響區沖擊試驗。在-20℃溫度下，對熱影響區不同位置的沖擊樣（見圖4）進行了夏比沖擊試驗。

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圖4

取樣位置與沖擊功值的關系見表3。

表 3 熱影響區式樣對應的沖擊功

不同位置取樣的沖擊功對比分析如圖5所示：

圖5

對以上數據進行分析可以看出：

①取樣位置1數值最低，取樣位置5、6數值最高，表明加工取樣位置越靠近母材，沖擊功越高；越靠近焊縫，沖擊值越低。

②取樣位置3、5數值低于取樣位置4、6，表明加工取樣位置在外焊縫沖擊功比內焊縫沖擊功高。

（2）焊接后的拉伸實驗。對母材以及焊縫分別進行拉伸實驗，并進行對比所得結果如下表4所示：

表 4 X70鋼級母材拉伸實驗

該實驗結果對比可看出：

X70鋼焊接成鋼管后，鋼管焊縫的抗拉強度會明顯增大。

（3）焊接后的彎曲實驗。取06104097#和06104131#鋼管在彎軸為105mm下分別進行焊縫正彎和反彎180°，均未出現任何缺口和裂紋。說明焊接對X70鋼級的彎曲性能影響較小。

四、X70鋼多次焊接后力學實驗

鋼管技術條件規定對同一處焊縫，補焊次數不得超過二次，超過二次即認為不合格，需降級，而API中對補焊次數并沒有規定。補焊次數是否會影響鋼管力學性能？下面對手工補焊同一處的次數進行力學性能的試驗。

對φ1016×20、X70鋼級同一根鋼管補焊處進行了二次補焊和三次補焊，補焊后經X射線和超聲波探傷，合格后分別取力學性能試樣進行試驗。

表 5 多次補焊焊接焊接參數

1. 補焊后抗拉強度試驗。對同一根鋼管進行二次補焊和三次補焊，抗拉強度的變化見表6。

表 6 多次補焊后的抗拉強度

對以上數據分析可知：補焊次數對抗拉強度影響不大。

2. 補焊后彎曲性能試驗。對同一根鋼管進行二次補焊和三次補焊后，分別取彎軸直徑為105mm進行正彎和反彎，試驗結果均合格，說明補焊次數對彎曲性能影響不大。

3. 補焊后夏比沖擊試驗。對同一根鋼管進行二次補焊和三次補焊，10×10×55mm、-20℃溫度下夏比沖擊性能的變化見表7。

表 7 多次補焊夏比沖擊試驗

對以上數據分析可知：

①補焊次數可能會造成焊縫沖擊性能的升高；

②補焊次數可能會造成熱影響區性能的降低和升高。

五、結語

通過對我廠生產的X70鋼級，φ1016×20鋼管，一次焊接成型多次補焊后分別對其進行了拉伸試驗、彎曲試驗以及沖擊試驗，試驗結果顯示，X70鋼焊接一次焊接成鋼管后焊縫的抗拉強度都會增大，但在標準要求的合格范圍內，母材和熱影響區沖擊功性能幾乎不受影響；而抗彎能力也沒有明顯變化；抗沖擊能力沖擊則與取樣位置有關，取樣位置越靠近焊縫中心，沖擊功越低；取樣位置越靠近母材，沖擊功越高；取樣位置靠近外焊縫沖擊功高于內焊縫。

焊縫經多次補焊后可能會造成焊縫沖擊性能的升高；也可能會造成熱影響區性能的變化（可能降低也可能升高）。但他們的變化均不明顯。所以多次補焊對X70鋼級的力學性能沒有明顯的影響。

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[2] API 5L-2007.管線鋼管規范.石油工業標準研化究所[S]

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