X70/316L雙金屬復合管全自動TIP TIG焊接接頭熱影響區寬度

劉永貞，段應新，信 萍，王 偉，孫有輝

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

X70/316L雙金屬復合管全自動TIP TIG焊接接頭熱影響區寬度

劉永貞，段應新，信 萍，王 偉，孫有輝

（海洋石油工程股份有限公司，天津300452）

通過試驗和有限元模擬的方法，對全自動Tip Tig焊接工藝對X70/316L雙金屬復合海管焊接接頭熱影響區（HAZ）寬度的影響進行研究。試驗方法包括宏觀金相試驗、硬度試驗、沖擊試驗和透射電鏡（TEM）試驗，試驗結果依次為：全自動TT焊的熱影響區寬度超出原焊縫熔合線1.71mm；焊接對母材硬度的影響仍在原焊接接頭的熱影響區范圍之內；焊縫中心線和熔合線位置沖擊值較低，其他位置沖擊值很接近，無明顯區別；在熱影響區（1.58mm）晶粒內部有大量應變存在，衍射斑點證明所選區域為單晶組織，取向一致，而在焊縫中心及母材位置幾乎沒有形變。有限元模擬的結果表明：以焊縫中心為0點，最大塑性區寬度為-21.7mm（左）和23.4mm（右）。

雙金屬復合管；焊接；熱影響區；透射電鏡；有限元模擬

0 前言

隨著世界經濟的飛速發展,對石油、天然氣的需求日益增加。預計在未來10～15年內，石油天然氣的需求量將增加1倍[1]。隨著海上油氣田開采方式和技術的發展，作為海上“生命線”的海底管道技術也有了很大的進步。雙金屬復合管以碳鋼管為基體材料，充分發揮碳鋼管機械力學性能優良和價格低廉的特點；以耐蝕合金材料為防腐覆蓋層，充分發揮耐蝕合金優異的耐蝕性能，從根本上改變傳統金屬管道的單一性和局限性，可以廣泛應用于石油、天然氣、化工等行業的液/氣介質的輸送[2]。

雖然我國在海洋工程發展方面起步較晚，但在三十多年的海上油氣田開發中，從最初的油氣田內部短距離海底管道發展到各類平臺至陸地的長距離海底管道，其設計和施工技術有了長足的發展。

在海底管道生產制造過程中，焊接是最重要的連接方法。然而由于焊接過程的復雜性，實際焊接接頭常存在各種各樣的缺陷，如夾雜、氣孔和未焊透等[3]。對不滿足施工規范的缺陷尺寸和類型要進行切除并重新組對焊接，為了保證經濟效益，在保證工程要求的前提下，切除的接頭寬度要盡可能窄。在此采用了實驗測試和有限元模擬的方法，對X70/ 316L雙金屬復合管全自動TIP TIG焊接后，接頭熱影響區寬度進行研究。

1 試樣制備和試驗方法

試件材料為X70/316L雙金屬復合海管，采用全自動TIP TIG焊接工藝進行焊接，管徑和壁厚為273mm×18.9mm（15.9mm+3mm）。焊接完成后對接頭焊縫位置進行切割，如圖1所示。加工切割后的圓管進行以下試驗。

圖1 火焰切割Fig.1 Flam ing cutting

1.1 宏觀金相試驗

用線切割機沿海管焊縫的一側縱向取一塊試樣，用水砂紙將試件研磨到#1000為止，然后采用4％硝酸酒精溶液浸蝕試樣，觀察焊接接頭的宏觀形貌。

1.2 硬度試驗

為了測試管接頭各個區域的硬度以及焊接熱循環對母材硬度的影響范圍，對下列區域進行硬度測試，測試點位置如圖2所示。

注：每條線上硬度為18個點。圖2 硬度測試點示意Fig.2 Hardness test schematic

1.3 沖擊試驗

為了測試管接頭各個區域以及焊接熱循環對母材低溫沖擊韌性的影響范圍，對下列區域進行低溫沖擊試驗，試驗溫度0℃，沖擊試樣缺口位置如下：焊縫中心線、熔合線、熔合線+2mm、熔合線+5mm、熔合線+10mm、熔合線+15mm、母材。

1.4 TEM試驗

透射電鏡能在原子和分子尺度直接觀察材料的內部結構，為判斷材料性能的變化提供直接依據。

試樣制備：

（1）初切薄片。采用電火花線切割法在熔合線、熱影響區、母材等不同位置切取厚0.3mm的薄片。

（2）預先減薄。采用手工研磨將薄片磨至70μm，沖成直徑3mm的圓片。

（3）最終減薄。以2％～10％HClO4+C2H5OH溶液，用雙噴電解拋光法將3mm圓片進行最終減薄（厚度100 nm以下）。

1.5 有限元模擬計算

選用商業有限元軟件ANSYS進行模擬求解。由于是對稱模型，取半圓管進行分析，模型如圖1所示。

圖3 圓管模型Fig.3 M odel of pipeline

根據圓管焊接采用了窄間隙焊縫的特點，建立如圖4所示的計算有限元網格。

根據焊接制造過程模型焊縫部分也建為8層，與實際過程吻合，每層厚度設置兩層單元。其他部位（見圖4a）的圓管縱截面長度方向建立1∶2過渡網格，圖4b所示的圓管圓周面長度方向建立1∶3過渡網格，在保證焊縫及其熱影響區附近網格密度的同時降低其他區域的網格數量，從而在保證精度的同時降低模型計算量。

圖4 圓管模型有限元單元示意Fig.4 Element schematic of finite for pipelinemodel

在進行焊接過程模擬時采用溫度場與應力場間接耦合計算的方法。首先進行溫度場計算，得到溫度場分析結果后將其作為熱載荷施加到結構模型中進行應力場的計算。這樣的計算方法有利于模型計算結果的收斂。焊接參數的設定參照實際焊接參數設置，保證熱輸入與實際焊接過程完全符合。

2 結果和分析

2.1 宏觀金相結果

經過測量，焊縫最大寬度14.86mm，熱影響區的最大寬度1.71mm，如圖5所示。

圖5 宏觀形貌Fig.5 M acromorphology

2.2 硬度測試結果

硬度測定結果如表1所示，可以看出焊接接頭各區域硬度差別不大，焊縫區域硬度最高，焊縫區域和熱影響區硬度值稍高于母材。

因此，焊接熱循環對母材硬度的影響主要在焊縫和熱影響區范圍之內。

2.3 沖擊測試結果

沖擊測試的結果如表2所示。根據沖擊試驗結果可以看出，上述各測試位置中焊縫中心線和熔合線位置沖擊值較低，其他位置沖擊值很接近，無明顯區別。

2.4 TEM觀察結果

透射電鏡觀察照片如圖6所示，根據透射電鏡觀察照片可以看出，焊接接頭焊縫中心和熱影響區表現出不同的微觀特征。在熱影響區（1.58mm）晶粒內部存在大量應變，衍射斑點證明所選區域為單晶組織，取向一致。而在焊縫中心及母材位置幾乎沒有形變。

2.5 模擬計算結果

圖7為單層單道焊接完冷卻之后圓管的Von Mises應力分布，圖8為焊接完冷卻之后圓管的Von Mises塑性應變分布。從計算結果中可以查看塑性區最大寬度，如圖9、圖10所示。圓管上部焊縫塑性區離焊縫中心的距離最遠為：圓管外表面-21.7mm（左）和23.4mm（右）。圓管下部焊縫塑性區離焊縫中心最大距離為：圓管外表面-12.9mm（左）和11.0 mm（右）。

圖7 冷卻后圓管Von M ises應力分布Fig.7 Von M ises stress pattern after cooling

3 結論

（1）宏觀觀察焊縫最大寬度為14.86mm，熱影響區的最大寬度1.71mm。

（2）硬度測試結果表明焊接熱循環對母材硬度的影響主要在焊縫和熱影響區范圍之內。

圖8 冷卻后圓管Von M ises塑性應變分布Fig.8 Von M ises Strain pattern after cooling

圖9 圓管上部焊縫塑性變形最遠位置Fig.9 Furthest strain position on topside weldment

圖10 圓管下部焊縫塑性變形最遠位置Fig.10 Furthest strain position on topside weldment

（3）沖擊試驗表明焊縫中心線和熔合線位置沖擊值較低，其他位置沖擊值很接近，無明顯區別。

（4）有限元模擬結果塑性區最寬，以焊縫中心為0點，最大塑性區寬度為-21.7mm（左）和23.4mm（右）。

[1]莊傳晶，馮耀榮，霍春勇.國內X80級管線鋼的發展及今后的研究方向[J].焊管，2005，28（2）：10-14.

[2]周延東，劉日柱.我國海底管道的發展狀況與前景[J].中國海上油氣(工程)，1998，10（4）：1-5.

[3]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊(第1卷)(第2版) [M].北京：機械工業出版社，2001.

W idth of X70/316L bimetal-lined pipe automatic TIP TIG weld heat affected zone

LIU Yongzhen，DUAN Yingxin，XIN Ping，WANGWei，SUN Youhui
（Offshore Oil Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China）

Through testing and finite element simulation，performed analysis for HAZ width of X70/316L lined pipeline girth weld by Tip Tig automatic welding process.The test including Macro metallographic，Hardness test，Impact test and TEM analysis.The result indicate that HAZwidth exceed fusion line 1.71 mm；the basemetal hardness value after welding less than the HAZ area；compared with other area impact test value are approximated，the weldingmetal&HAZmetal impact property are lower；lots of strain generate within the HAZ grain，diffraction spots indicate the select area is single crystal organization，orientation is uniform，the weldingmetal and base metal have no found strain.By welding metal center line for 0 point，the finite element simulation indicates that the maximum plastic width is-21.7mm(left)，23.4mm(right).

bimetal-lined pipe；welding；HAZ；Tem；finite element simulation

TG457.6

A

1001-2303（2015）07-0152-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.07.33

2014-11-19；

2015-05-09

劉永貞（1982—），男，山東泰安人，工程師，碩士，主要從事海洋管道焊接的研發工作。