螺旋縫焊管成型應力對焊縫力學性能的影響及控制措施

劉洪飛，晁小隴

（遼陽石油鋼管制造有限公司，遼寧 遼陽 111000）

螺旋縫焊管焊縫的力學性能是螺旋縫焊管的重要指標［1］。對于合格的螺旋縫焊管，除了幾何尺寸滿足工程要求外，其力學性能也要滿足工程要求。在輸送石油、天然氣重點管線工程上，使用了高強度、大管徑、大壁厚的螺旋縫焊管；而重點管線工程對該螺旋縫焊管焊縫的力學性能要求更加嚴格，若焊縫拉伸試驗、夏比沖擊試驗、彎曲試驗等其中一項不合格，就會被判為不合格。

影響螺旋縫焊管焊縫力學性能的因素有很多，如焊接材料，焊絲、焊劑，焊接參數，弧壓、電流等。在制造螺旋縫焊管時，要根據母材焊接性能及力學性能選擇焊絲、焊劑，做到等強度或略高于母材及可焊性匹配。在生產中，螺旋縫焊管的殘余應力對焊縫力學性能的影響被忽略，成型應力較大，若不及時調整，螺旋縫焊管的殘余應力會增大，焊縫的力學性能下降，有時甚至不合格。實踐表明，當成型應力達到某一程度時，就會將應力傳遞到焊縫熔池中，影響焊縫結晶的穩定形成，降低力學性能。因此，控制螺旋縫焊管的成型應力十分重要。

1 焊縫熔池受力分析

管坯在實施焊接時，管坯轉動，焊頭不動，管體在成型器按螺旋方向轉動，先進行管壁內焊，焊接電流、弧壓通過焊絲接觸母材板縫將輸入的電能轉變成熱能［2-3］，從而熔化焊絲與母材形成焊接熔池，焊點處為熱源最高溫度，熔化的鋼水為液態，隨著管坯的轉動，管坯轉動離開焊點鋼水完成從液相→液固混合相→固液混合相→固相的轉變過程，同時焊劑融化，覆蓋在熔池上形成一種保護殼，最后固相成為焊道。因此，焊縫力學性能的形成過程是焊接熔池冶金化學反應及相變的過程。焊縫的力學性能降低，其中有在焊縫熔池中力的作用和冶金化學反應的原因。

在冶金方面，焊縫熔池中參加冶金反應的母材、焊絲及焊劑含有微量S、P、C元素，在結晶時形成共晶。選取3組試樣，分析L485M鋼級Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋縫焊管管體母材與焊縫的化學成分，其結果見表1。

表1 L485M鋼級Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋縫焊管管體母材與焊縫化學成分（質量分數）%

從表1可以看出：焊縫的P、S含量很低，但比母材略高0.1個百分點，其主要來源于參與冶金反應的焊絲、焊劑；焊縫的碳當量CEPcm為0.18%，CEⅡW為0.41%。

在冶金反應中S、P、C元素結晶時易形成液態薄膜，不利于力學性能的穩定。滿足API Spec 5L—2013 標準 PSL2 等級要求［4］的帶鋼的 w（S）≤0.02%、w（P）≤0.01%、w（C）≤0.12%；H08C 焊絲的 w（S）≤0.030%、w（P）≤0.030%、w（C）≤0.11%時，焊縫不易出現疏松或微裂紋；當H08C焊絲的w（S）≥0.030%、w（P）≥0.030%、w（C）≥0.12%時，焊縫的偏析、疏松或裂紋傾向加劇，但在沒有力的作用時，晶間距不會被拉開，也就不會產生微裂紋。

在力方面，熔池受應力的作用是焊縫力學性能降低的主要原因［5］。為了便于分析，將焊接熔池的相變過程劃分成幾個階段，螺旋縫焊管的成型及內、外焊熔池相變分段如圖1所示，焊縫熔池相變溫度T與強度σ關系如圖2所示。

在液相區（ab段），焊點處熔池的溫度最高，在焊劑的覆蓋下，板縫母材與焊絲熔化，形成液態，在應力σh的作用下，焊縫受拉，分子間產生間隙，但液態具有流動性，分子間的間隙立即被填補，這時焊縫的強度接近于0，分子間沒有形成間隙，不易產生微裂紋。

在液固混合相區（bc段），焊點處的焊縫離開熱源，溫度下降，少部分金屬元素形成固體，大部分處于液體，液態部分包圍固體，這是金屬結晶初期，液體部分流動性較差，焊縫的強度較低，在應力 σh的作用下，σh∧［σc，σd］，分子間受拉產生間隙，極少部分沒被填補，大部分空位被補充，稱為淺度脆性溫度區Tb~Tc。

圖1 螺旋縫焊管的成型及內、外焊熔池相變分段

圖2 焊縫熔池相變溫度T與強度σ關系

在固液混合相區（cd段），管坯繼續向上轉動，焊點距焊縫變遠，焊接熱向外散發，溫度比前一段低，大部分鋼水形成固態，少部分分子仍有液態，金屬結晶處于中期，焊縫的強度較低，脆性較大，稱為深度脆性溫度區Tc~Td。剩余液相很少，流動性很差，幾乎停止流動，若有間隙則無法填充，當應力傳遞到固液混合相焊縫中，應力σh∧［σc，σd］脆性溫度區強度，分子之間產生錯動，焊縫在脆性溫度區塑性低，出現間隙或疏松，甚至裂紋。

在固相區（de段），管坯繼續向上轉動，焊點距焊縫更遠些，焊接熱繼續向外散發和傳導，比前一段更低，鋼水凝固，稱固相。在液固相、固液相形成分子之間的間隙和晶粒間距無法消除，已固化形成事實。這時雖然焊縫的強度升高σe∧σh，從微觀上看焊縫晶粒大小不一，排列不均勻焊縫內部金相組織，晶間距拉大，部分出現了微裂紋。

螺旋縫焊管工藝是先內焊、后外焊，內焊縫焊接完成后，管壁轉到半個螺距后進行外焊縫焊接，在外焊縫焊接時由于沒有成型器外框架輥對管壁的約束控制，管壁應力還會向外焊縫熔池中釋放，同樣經過相變過程，分之間距拉大，成為固相形成焊道后，未產生微裂紋，經超聲波探傷儀檢測顯示無缺陷；當成型應力過大時，形成晶間距拉大時，形成微裂紋，經超聲波探傷儀檢測出微裂紋，甚至用X光射線檢驗也能看到微小裂紋；在進行力學性能試驗時，上述微裂紋造成焊縫力學性能下降，尤其是做面彎或背彎試驗時會出現不合格。當螺旋縫焊管壁厚∧10 mm時，隨著鋼板厚度的增加，熔池深度加深加寬，脆性溫度區會增長，在有害元素分布不均勻，成型應力較大時，焊縫很容易產生微裂紋，這也是高強度、厚壁管焊縫力學性能容易出現不合格的原因。

2 成型應力

成型應力是帶鋼在成型器中因彎曲變形不充分而產生的應力［6］，工程上稱為結構應力，即管體殘余應力［7-8］。螺旋縫焊管應力的測量如圖3所示，假設螺旋縫焊管的管徑為D，用等離子切割器切取一段管段，并沿軸向切開，管壁就會向外（或向內）張開一道口，管徑從原來的D，變為切開后的D1，切口沿鋼管軸向錯開一段距離為λ（錯位長度），沿環向張開一段距離為l（張口長度）［9-10］。

圖3 螺旋縫焊管應力的測量示意

文獻［9］對螺旋縫焊管的殘余應力進行了理論分析，并推導出殘余應力分量環向應力σmax、剪切應力 與軸向張口長度l和錯位長度λ的函數關系：

式中E——彈性模量，GPa；

G——抗剪切彈性模量，GPa。

而環向應力與剪切應力在一個平面內，并相互垂直、截面相同。因此，合應力σh為：

3 成型應力計算實例

西氣東輸三線港清線采用的L485M鋼級Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋縫焊管的技術規格書要求：切管段b為100 mm，距焊道300 mm外，縱向切開，測量張口長度l為97 mm，錯位長度λ為30 mm，彈性模量E為206 GPa，抗剪彈性模量G為79 GPa。

由公式（1）~（2）可計算出 L485M 鋼級 Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋縫焊管的最大環向應力、剪切應力：

由公式（3）可計算出L485鋼級Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋縫焊管管體的合應力：

由此可見，通過測量錯位長度λ和張口長度l可以計算出成型應力，從而判斷成型應力對焊縫力學性能的影響。

成型應力的大小對焊縫的力學性能影響不同。L485M鋼級Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋縫焊管成型應力與焊縫力學性能見表2。

表2 L485M鋼級Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋縫焊管成型應力與焊縫力學性能

從表2可以看出：序號1~5試樣的l≥110 mm、λ≥40 mm，出現焊縫抗拉強度下降、沖擊功下降［12］；在進行180°導向彎曲試驗時，觀察試樣面彎、背彎曲，彎心直徑6t（t為試樣厚度），當彎曲壓頭下壓試樣彎曲角度達到140°時，焊縫中間略有塌陷；試樣彎曲角度達到170°時，出現寬約0.5 mm、深度1.2 mm、長度10 mm（長度≤3.2 mm）的裂紋，面彎、背彎曲試驗不合格［13］。序號6~9試樣的l≤97 mm、λ≤30 mm，焊縫抗拉強度、導向彎曲試驗、夏比沖擊試驗全部合格。由此可以看出，成型應力增大時焊縫的力學性能下降，成型應力對焊縫的力學性能影響很大。

4 控制措施

焊縫熔池中有害化學成分是產生力學性能下降的充分條件，成型應力是產生力學性能下降的必要條件。

對于參加焊接冶金反應的焊絲、焊劑，選擇S、P、C含量少的焊絲、焊劑焊接材料，以減少焊縫中的有害元素，為焊縫力學性能的穩定創造有利條件。

嚴格把好成型調試關，精準調好成型輥每一組輥的角度及下壓輥的下壓量，精準調好前、后橋角度及導架輥角度，使成型合口穩定，不產生“犟勁”，使帶鋼在成型器中充分彎曲變形，增大塑性變形量，減小彈性變形量，以減少成型應力對焊縫熔池的影響。

5 結 語

在螺旋縫焊管的生產過程中，只有選擇含有害元素少的焊接材料，并在成型上減小成型應力，才能保證焊縫的力學性能，確保焊縫的焊接質量達到技術標準要求。遼陽石油鋼管制造有限公司在為西氣東輸管線生產螺旋縫焊管時，重視上述問題，其生產的螺旋焊管滿足工程需要，為西氣東輸三線管道建設提供了合格的產品。

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［12］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 228—2010金屬材料 拉伸試驗室溫試驗法［S］.2010.

［13］中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 232—2010金屬材料 彎曲試驗法［S］.2010.