埋弧焊管焊接接頭背面導向彎曲失效原因分析

張志明， 高廣俊， 印 樂， 汪 超

（渤海石油裝備江蘇鋼管公司， 南京 210001）

導向彎曲性能是埋弧焊管力學性能的一項重要評價指標， 用于評價焊接接頭抵抗彎曲塑性變形的能力， 導向彎曲失效往往與母材化學成分、焊接工藝、 鋼管管型、 焊接接頭有無內在缺欠以及制樣方法等多重因素有關。 在API SPEC 5L[1]、GB/T 9711[2]以及大部分用戶標準中都規定了可以對失效鋼管進行復驗。 因而， 在生產實踐中該性能并不像拉伸強度和沖擊韌性等受到足夠重視。隨著近年用戶對管道安全標準的提高， 部分標準已不允許對不合格試樣進行復取， 這就需要制造商對可能引發導向彎曲失效的因素在工藝設計階段和生產控制階段進行全流程控制。

1 試驗方法及標準要求

1.1 試驗方法

生產過程中導向彎曲不合格主要出現在X65、 X70、 X80 鋼級的管線鋼管中， 焊管導向彎曲試驗按照ASTM A370—2019[3]的要求進行，試驗結果按照API SPEC 5L 《管線鋼管規范》 中9.7 章節導向彎曲試驗判定依據進行判定。

試驗過程中， 彎模直徑Agb不應大于公式（1）確定的數值， 計算結果圓整到最鄰近的1 mm。

式中： D——規定外徑， mm；

t——公稱壁厚， mm， 當使用減薄試樣時為19 mm；

α——尖峰系數， α=1.15；

ε——應變系數， 查API 5L 表23。

1.2 驗收條件

油氣輸送用直縫埋弧焊管導向彎曲 （面彎和背彎） 試驗驗收要求主要分兩類， 一是以API SPEC 5L 《管線鋼管規范》 為基礎發展而來的各國家標準和行業標準； 二是以通用標準為基礎根據具體管線輸送介質、 地質、 環境等因素設計的具體工程項目標準。 常用油氣輸送管用導向彎曲試驗拒收條件見表1。

表1 油氣輸送管導向彎曲試驗拒收條件

2 典型背彎失效類型

在直縫埋弧焊管大批量工業化生產過程中， 導向彎曲試驗失效絕大多數是以背彎形式呈現， 表2 統計了某公司直縫埋弧焊管生產線近3 年導向彎曲失效類型， 其中面彎失效2 組， 背彎失效72 組， 本研究主要針對背彎導向彎曲失效進行研究。

表2 某公司直縫埋弧焊管生產線近3 年油氣輸送管導向彎曲試驗失效類型

彎曲試驗失效類型主要包括焊縫缺陷及熔合線 （焊趾） 缺陷， 如圖1 和圖2 所示。 焊縫缺陷主要包括兩種類型， 一是隨機分布于焊縫表面類似龜背殼的皸裂， 裂紋細小彌散分布于焊縫表面； 二是以典型規則分布于焊縫中心焊道上的裂紋， 呈斷續分布， 有時會連成串， 分布方向與焊縫長度方向具有明顯的平行趨勢。熔合線 （焊趾） 缺陷主要包括三種類型， 一是孤立的點狀或開口狀缺陷； 二是孤立或者由幾個孤立有一定長度分布于熔合線淺表面的層狀開裂缺陷； 三是宏觀上有明顯的大角度、 較大深度甚至直接斷裂的缺陷。

圖1 典型導向彎曲試驗失效焊縫缺陷照片

圖2 典型導向彎曲試驗失效熔合線（焊趾） 缺陷照片

3 失效原因分析及探討

3.1 焊接工藝分析

3.1.1 焊材匹配及熱輸入對熱影響區性能的影響

通常在X65、 X70 以及X80 鋼管批量生產時， 為了優先滿足強度和韌性的需要， 都采用高強匹配。 H08MnMoTiB 焊絲具有高強度、 較高韌性， 但由于焊縫和母材強度的差異， 對于碳當量高的鋼管， 如果采用大的熱輸入焊接， 進行導向彎曲試驗時， 由于其熱影響區部位的弱化， 致使彎曲過程的塑性變形主要集中在熱影響區。 隨著彎曲角度的增大， 熱影響區的塑性變形進一步增加。 熱影響區在變形過程中， 熔合線附近粗晶區中硬而脆的M-A 組元將對變形起阻礙、 拉拽作用。 隨著變形的積累， M-A 組元與板條鐵素體基體間的界面產生較大應力集中， 當應力集中程度超過材料的抗拉強度時， 焊接接頭中粗大的M-A 組元就成為裂紋源， 導致裂紋在熔合線附近產生熔合線Ⅲ型缺陷[4-5]。

某項目X65 鋼級焊管母材1～4 絲都采用H08MnMoTiB 焊絲施焊， 對彎曲不合格的試樣進行熱影響區沖擊試驗， 試驗結果見表3， 其中沖擊功單值最小212 J、 均值最小219 J， 完全滿足該項目單值≥45 J、 均值≥60 J 的要求。

表3 導向彎曲不合格試樣熱影響區-5 ℃沖擊試驗結果

3.1.2 熱輸入對焊縫性能的影響

一般直縫埋弧焊多采用多絲焊接來提高焊接效率， 但這樣會增加焊接熱輸入， 熱輸入越大焊接過程中的熔池存在時間越長， 同等條件下焊縫金屬冷卻速度越慢， 將影響熔池金屬的形變強化、 固溶強化和沉淀強化的效果， 引起焊縫及其熱影響區性能的惡化， 造成焊縫中心晶粒粗大，產生焊縫中心彎曲裂紋甚至斷裂。 在中厚度鋼管的焊接中這種影響更加明顯， 采用小線能量可以大大縮短焊縫及其熱影響區的高溫停留時間， 基本抑制難溶的氮化物、 碳化物向奧氏體的溶入[6-7]。在無焊后熱處理情況下， 合理控制熱輸入， 可以改善焊接區冷卻速度， 以及焊縫截面粗晶區、 細晶區、 過熱區及臨近母材性能不均的情況。 過大的熱輸入和不合理的參數設置可以用熔合比來直接表征[8-9]， 某工程采用的厚壁X65 鋼級Φ813 mm×15.9 mm 管線管焊接接頭形貌如圖3 所示， 熔深為10.5 mm， 這種不合理的熱輸入造成形貌上所謂的“釘扎” 現象， 這是產生焊縫Ⅰ型缺陷可能原因之一。

圖3 X65 鋼級Φ813 mm×15.9 mm 焊管焊接接頭形貌

表4 為某工程壁厚15.9 mm 管線鋼管三絲和四絲兩種焊接工藝參數， 采用兩種工藝焊接的同項目、 同規格、 同材質鋼管的導向彎曲性能有明顯差異， 采用四絲工藝的相對較大熱輸入時出現圖4 所示焊縫Ⅰ型缺陷， 采用三絲工藝后彎曲性能明顯改善， 如圖5 所示。

表4 某工程壁厚15.9 mm 管線鋼管焊接工藝參數

圖4 四絲工藝焊接接頭背彎試樣

圖5 三絲工藝焊接接頭背彎試樣

3.2 塑性變形不均對背彎試驗的影響

導向彎曲試樣宏觀形貌如圖6 所示。 導向彎曲試驗過程中， 試樣接觸面與凸模應時刻貼合，在整個彎曲面上， 試樣的變形率應基本一致（如圖6 （a） 所示）， 不會在焊縫區出現 “徑縮” 和“折彎” （如圖6 （b） 所示）。 當出現上述現象會在彎曲外表面產生焊縫Ⅱ型缺陷， 這時背彎拉伸面超出塑性變形極限在焊縫中心產生缺陷或缺欠，該缺陷是從外到內變形超限產生的， 因而有顯著的表面和位置特征； 再者是在焊趾處開裂甚至出現斷裂， 這種開裂伴隨著熱影響區的嚴重塑性變形， 會出現折彎現象甚至會斷裂。 這種現象產生的根源是不管采取多低的熱輸入總會有不同程度的熱影響區軟化， 但這種軟化如果伴隨有不合理的母材強度， 過高的母材抗拉強度會導致熱影響區產生表面缺陷， 嚴重時出現折斷（裂） 現象[10-12]。

圖6 焊接接頭導向彎曲試樣宏觀形貌

3.3 試樣制備對彎曲試驗結果的影響

試樣制備是影響導向彎曲試驗結果的重要因素之一， 實際工作中往往忽略壓平和去除焊縫余高的先后順序（ASTM E190 亦未說明去除焊縫余高的時機）， 特別是在焊縫余高偏大或不規則（噘嘴、 錯邊等） 的情況下。 圖7 所示為試樣壓平前后的宏觀形貌， Φ813 mm×14.3 mm 規格鋼管焊后內焊縫余高2.5 mm， 壓平前焊趾夾角約155°， 壓平后約171°， 發生了約16°的角度變化， 先壓平過程因余高還未去除， 造成試樣展平過程中焊趾處與臨近母材變形量不一致， 焊趾處相對于整個內外曲面變形嚴重； 而先去除焊縫余高后壓平過程，因整個變形面經過打磨為基本均勻的曲面， 原焊趾和其他部位在壓平過程中變形并沒有不同， 故先壓平后去除焊縫余高和先去除余焊縫高后壓平的兩種做法就產生了差別。 這種“折彎效應” 產生局部應力集中， 從應力分布來說這種變形造成內焊縫焊趾形成拉應力， 且與導向彎曲應力方向一致， 這可能是造成試樣失效的原因之一， 這種失效反映在宏觀上就是焊趾Ⅱ型缺陷， 具有淺而長的特征， 當然偏載也是原因之一， 這里不做討論[13-15]。

圖7 試樣壓平前后的宏觀形貌

3.4 時效處理對彎曲試驗結果的影響

直縫埋弧焊管殘余應力除焊接熱應力之外，形變應力主要來自3 個方面： ①由于焊接后會進行超聲波探傷， 根據季節、 鋼管規格不同， 焊后達到熱飽和以及隨后的整體均勻化需要較長時間，較早冷卻探傷產生一定的激冷變形； ②鋼管定徑過程中因焊縫與母材強度的差異造成應變差異，尤其是熱影響區軟化明顯的材料， 焊趾區產生相對集中塑性變形； ③試樣展平過程產生塑性變形。這些形變應力的疊加在一定情況下可能造成試樣加載過程中失效， 研究表明鋼管一般通過24～48 h 自然時效處理， 導向彎曲缺陷的長度、 深度、 數量均有所改善， 缺欠甚至會完全消失。 必要時可依據鋼管的最終狀態， 在200 ℃下保溫5 min 模擬中頻加熱， 加速時效處理， 消除或減少殘余應力。 時效處理前后導向彎曲試樣形貌如圖8 和圖9 所示。

圖8 時效處理前焊縫彎曲試樣形貌

圖9 時效處理后焊縫彎曲試樣形貌

3.5 熱影響區夾雜物對彎曲試驗結果的影響

一般母材夾雜物最嚴重的部位為熱影響區厚度方向的1/4 處， 根據金相試驗、 超聲波檢測和射線拍片的結果， 尺寸在150～350 μm 的夾雜物， 波幅比基準靈敏度（Φ1.6 mm 豎通孔100%波高） 一般低2 dB 左右， 按照標準ASTM E45， 母材的夾雜物不可超過436 μm， 按鋼板標準評定， 該類夾雜物均合格。 為此， 隨機抽檢的鋼管試樣， 如有不超標缺欠， 特別是位于焊趾壁厚深度的1/4 以內的淺表面， 作為彎曲試樣時應嚴格要求或探傷做出標識。 導向彎曲試樣取樣前應進行無損檢測。

4 結 論

（1） 埋弧焊管生產前， 應根據原料的化學成分、 組織及性能的差異， 分別進行焊接工藝及焊接材料匹配工藝試驗， 優化焊接工藝參數， 優選焊接材料， 對于低級別的母材采用等強匹配進行焊接，解決因焊接工藝及焊材匹配造成的彎曲失效問題。

（2） 焊接熱輸入是影響焊縫及其熱影響區塑性的重要因素， 應盡量選擇小的熱輸入并控制合理的熔合比。

（3） 應通過成型和焊接工藝調整， 獲得合理的焊縫形狀系數， 避免在定徑及壓平過程中在焊趾處產生強烈的應力集中。

（4） 必要時， 焊接完成后應進行24 h 以上的時效處理以改善導向彎曲效果。

（5） 導向彎曲試樣取樣前應進行無損檢測，避免母材夾雜物等缺欠對試驗結果造成影響。