采用GMAW工艺的X80环焊接头组织和性能研究.pdf

五油管材与仪器22PETROLEUM TUBULAR GOODS&INSTRUMENTS2023年1 0 月试验与研究采用月GMAW工艺的为X80环焊接头组织和性能研究*齐丽华,胡颖,王春林3,张世杰,高雄雄,杨耀彬,陈越峰（1 中国石油集团工程材料研究院有限公司，石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室/国家市场监管重点实验室（石油管及装备质量安全）陕西西安7 1 0 0 7 7；2.国家管网集团工程建设本部北京1 0 0 0 1 0；3.国家管网集团江苏天然气管道有限责任公司江苏盐城2 2 40 0 0）摘要：通过环焊接头的微观组织分析、力学性能试验和现场焊口破坏性能测试的大数据统计分析明确采用全自动实心焊丝焊接工艺（GMAW)的新建X80高钢级油气输送管道环焊接头的组织性能特点。结合微拉伸测试方法、根部微尺寸韧性测试分析环焊接头的整体性能分布特征，结合管道环焊接头在服役过程中的受力情况，利用数值模拟计算方法建模分析不同强度匹配环焊接头的起裂韧性，为解决X80管线钢环焊接头起裂韧性指标提供理论和技术支持，保证高钢级管道建设的安全施工和运营。关键词：力学性能；微拉伸；起裂韧性；数值模拟中图法分类号：TG142D0I:10.19459/ki.61-1500/te.2023.05.005QI Lihua,HU Ying,WANG Chunlin,ZHANG Shijie,GAO Xiongxiong,YANG Yaobin,CHEN Yuefeng”(1.State Key Laboratory for Performance and Structural Safety of Petroleum Tubular Goods and Equipment Materials/KeyLaboratory of Petroleum Tubular Goods and Equipment Quality Safety for State Market Regulation,CNPC TubularGoods Research Institute,Xian,Shaanxi 710077,China;2 PipeChina,Beijing 100010,China;3.Jiangsu Natural Gas Pipeline Co.Ltd.,yancheng,Jiangsu 224000,China)Abstract:Methods including micro-structure investigation,mechanical properties test and big data statistical analysis of field weld perform-ance are used to clarify the micro-structure and mechanical characteristics of girth welded joint of the automatic gas shield metal arc welding(GMAW)process of on-site X80 high-grade oil and gas transmission pipeline.Combined with the micro tensile test and micro-size tough-ness test of root pass,the overall distribution characteristics of the girth welded joint are analyzed.Combined with the stress of pipeline girthweld in service,numerical simulation method is used to model and analyze the cracking toughness of different strength matched girth weldedjoint,which provides theoretical and technical support for solving the cracking toughness index of X80 pipeline girth welded joints,so as toensure the safe construction and operation of high steel grade pipeline.Key words:mechanical properties;micro stretching;crack initiation toughness;numerical simulation0引言近二十年来，我国管道建设高速发展，油气输送管文献标识码：AMicrostructure and Mechanical Properties of X80Girth Welded Joint by GMAW Process文章编号：2 0 9 6-0 0 7 7(2 0 2 3)0 5-0 0 2 2-0 5线用钢的强度等级和管径逐渐增大，管道输送压力逐渐提高,对管道现场焊接技术提出了新的挑战1-3。国外X80管道工程主要采用全自动焊接方法2-4,根焊一般初投稿收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 1;修改稿收稿日期：2 0 2 3-0 4-1 5*基金项目：国家管网科研课题“管道施工装备及焊接材料性能提升研究专题一国产焊接材料性能提升研究”（编号：PNPCM-GCGL-GS-GG-FWJF-2022-191）；国家管网科研课题“高钢级（X80）管道环焊缝缺陷容限评估准则及关键技术研究”（编号：GDXB22-2019-017)；“国际焊接中心支撑研究项目“焊接材料强度失配和热影响区软化行为研究”第一作者简介：齐丽华，1 9 7 3年生，女，正高级工程师，博士，2 0 0 8 年毕业于北京科技大学，主要从事高钢级油气管道用钢管组织性能研究和环焊工艺及组织性能研究，致力于高钢级管道环焊起裂及损伤机理方向研究。E-mail：q i l h c n p c.c o m.c n2023年第9 卷第5 期采用低强度级别的实心焊丝ER70S,因为根部焊接的冷却速度快拘束应力大，易产生根部裂纹。但随着科研的深和近年来发生的环焊缝失效案例分析可知，根部焊趾处存在缺陷易引起应力集中，当其强度和韧性较低时,环焊接头在综合应力作用下，极易在根焊的低强度缺欠处起裂并扩展失效5-7 。因此,本文研究CMAW环焊工艺下,不同强度匹配的环焊接头的组织性能和强韧性分布特征,从GMAW焊接工艺的环焊接头性能特点和受力建模等方面综合分析，得到该工艺条件下管道服役安全性的影响因素，以期提高管道工程环焊缝质量8-1 0 C钢管0.06母材成分标准规定0.07焊接方法焊道GMAWI根焊AWSA5.18 ER70SGMAWI热焊AWSA5.28ER80SGMAW I填充焊AWSA5.28 ER80SGMAWI盖面焊AWSA5.28ER80S1.2行微观组织分析环焊缝上截取金相试样，经硝酸酒精溶液浸蚀后用OLS4100激光共聚焦显微镜和MEF4M金相显微镜及图JM3-1齐丽华等：采用GMAW工艺的X80环焊接头组织和性能研究1环焊工艺和焊口性能分析1.1环焊工艺试验室中环焊接头采用实心全自动焊丝ER80S直径0.9 mm根焊，填充盖面ER80S直径1.0 mm焊接，钢管的尺寸规格为Q1219mm22mmX80级管线钢，钢管的合金成分见表1,GMAW焊接工艺参数见表2。针对新建X80管道工程的焊口进行破坏性检测，同时采用微测试方法进行环焊接头各部分的拉伸试验和根焊的冲击试验，结合服役管线环焊接头受力特点进行数值模拟计算，研究环焊接头的起裂韧性影响。表1X80钢管的合金成分（质量分数）SiMn0.191.770.0100.0010.300.200.421.850.0220.00050.45表2 CMAW焊接工艺下的焊丝和焊接工艺参数焊丝级别焊丝直径/mm0.91.01.01.0323%PS焊接电压/V916817202620 26像分析观察环焊缝接头横截面低倍形貌和焊缝、热影响区金相组织，如图1 所示。焊缝由根焊、填充焊缝和盖面焊组织组成，热影响区由粗晶区和细晶区组成。CrMo0.35焊接电流/A焊接速度/（cmmin-）焊接热输入/（kJmm-l）115 195130 200155235160 235Ni0.130.50Nb0.080.0010.0100.110.060.0250.300.00056 111.08 1.626 111.03 1.8313 191.35 1.9215 191.38 1.72VTiCu0.10.00010.0300.06BAI42(a)环焊接头焊缝根焊焊缝填充焊焊缝盖面焊图1 CMAW焊口环焊接头不同部位的金相组织照片热影响区熔合线?热影响区细晶区24图1(a)中,为根焊组织,该处为板条铁素体和针状铁素体构成，晶粒边界存在析出的珠光体组织。为焊缝层间组织形态，该处的组织晶粒尺寸比盖面焊小，约5 0 1 0 0 m，晶粒内部的针状铁素体组织较小，晶粒边界有长条的板条铁素体出现。为盖面焊组织，该处的组织晶粒尺寸较大约1 0 0 m左右，晶粒内部存在大量的格栅状的针状铁素体板条,细小均匀。粗晶区组织受热源影响大，最高温度近1 35 0，因焊接热输入很小,因此该部位的组织晶粒相对均匀，晶粒尺寸在5 0 80m。细晶区的温度近9 0 0,其组织晶粒细小,尺寸约为3 5 m左右，晶粒内部存在大量的亚晶界。1.3力学性能分析图2 为GMAW焊口环焊接头的拉伸性能和韧性分布趋势图。780760：2区7403区4区720700680660640620600F580560503503002502001501005000350300T/ZVH25020015010050图2 GMAW焊口环焊接头的拉伸性能和韧性分布趋势五油管材与仪器图2(a)为现场破坏性焊口检测的拉伸性能数据分布。可见，焊口拉伸性能波动范围为6 2 0 7 6 0 MPa。部分拉伸试样断在母材上，其拉伸强度值略低于标准625MPa要求,是因直缝埋弧焊钢管的纵向拉伸强度低于横向拉伸强度而导致。同一焊口不同部位的强度波动范围最大为40 MPa,说明焊接工艺参数的波动对焊口强度影响较小。图2(b)为破坏性焊口焊缝中心在0 点、3点和6 点位置的冲击性能分布。可见，不同位置的冲击性能分布集中，整体波动范围约1 0 0 2 2 0 J。图2(c）为环焊接头热影响区0 点、3点和6 点位置的冲击性能分布，可见该部位的冲击性能明显分为两部分,其中0 点位置的冲击性能大部分位于波动图下半部分，与焊缝中心韧性相当，而3点和6 点位置的韧性高于焊缝0 点性能8 0 100J,位于波动图的上半部分，接近于母材的韧性。说明GMAW焊接工艺焊口具有很好的韧性。2环焊接头微测试分析2.1微拉伸测试标准要求6 2 5 MPa对环焊接头不同部位采用微拉伸方法进行测试分析,如图3(a)所示。各区域的拉伸应力应变曲线分别155(b)焊缝中心冲击性能标准要求38 J/single510试样数量(c)焊缝HAZ冲击性能2023年1 0 月1015试样数量(a)拉伸性能标准要求38 J/single1015试样数量15201212斤202512点点202525如图3(b)和(c)所示。图3（b)为焊缝处不同位置的拉伸曲线，根焊采用ER80S等强度实心焊丝，得到的最大拉伸强度约7 40 MPa,均匀延伸率较大达到1 0%具有良好的塑性形变能力。盖面焊的拉伸强度最高，约8 30MPa。整个焊缝中心的层间焊缝拉伸强度最低，约6 2 0MPa,其它部位拉伸强度约为7 0 0 7 40 MPa,均匀延伸率较大达到1 5%。图3(c）为热影响区不同位置的拉伸曲线，可见，由于焊接热输入量较小，焊接热影响区的冷却速度增加，未出现软化情况，其拉伸强度与母材的强度相当,约6 5 0 7 0 0 MPa。考虑环焊接头的各部分本构特点建模，进行环焊接头的受力分析。mm(a)环焊接头微拉伸试样分布B2023年第9 卷第5 期1000r800F600F400F200F00.00(b)焊缝不同位置的拉伸曲线80070060050040030020010000.00(c)热影响区不同位置的拉伸曲线图3CMAW焊口环焊接头的微拉伸性能2.2根焊韧性特征图4为根焊采用ER80S焊材针对0 点和6 点位置的根焊部位焊缝中心、熔合线（FL）、熔合线+1mm（FL+1mm)位置的韧性分布趋势分析。可以看出，根焊各部位均有较好的韧性，根焊部位各区域的整体韧性约为9 0 170J。焊缝中心、FL和FL+1mm位置韧性分布均匀，整体变化不明显。不同钢管环焊接头的根焊各部位韧性差别不大。200180160140120100806040200CO-WMCO-FLCO-FL+1 C6-WM测试位置图4GMAW工艺下环焊接头根部韧性分布图3类数值模拟及分析采用计算机模拟的方式进行有限元建模，模拟不同强度匹配条件下的环焊接头应变过程。有限元网格如图5(a)所示，共约8 6 0 0 0 个C3D8和C3D4单元。图5(b)为根焊与填充盖面等强度匹配的数值模拟计算图。齐丽华等：采用GMAW工艺的X80环焊接头组织和性能研究可知，当填充焊与根焊处于同等强度条件下，仅在焊缝的根焊焊趾处和盖面焊与母材连接处首先发生应力集中和变形，应变首先达到6%，此时热影响区和填充焊层均处于均匀的低应变状态,母材基本处于低应变区域,均H2JOJ1J2J4J5J6J90.05L4L5L60.050.10应变IC6-FLC6-FL+125约为2%。图5（c)为根焊的强度低于填充焊强度模拟计算，首先在根焊周围形成应力集中，包括根焊与母材连接处和根焊与填充一层连接处。该处的整体形变量0.100.15应变0.15G055-F071M085XYO1-XY02XY03-0.200.250.20达到6%时，熔合线和填充焊层发生形变，达到约4%的应变量，同时盖面焊与母材连接处约为4%5%应变量。整个环焊接头的整体形变远大于等强匹配的环焊接头。A图5 根焊与填充盖面不同强度匹配下的数值模拟根据微测试获得的环焊接头进行数值建模起裂韧性计算，图6 为环焊接头不同强度匹配下，根焊等强匹配和根焊弱匹配的裂纹驱动力计算。可知，对于等壁厚无错边含缺陷焊接接头，在归一化远端轴向应力分别为0.5.0.7、0.9 和1.1时，保持裂纹长度和深度不变，根焊与填充焊缝强度一致时，随着轴向应力的增加，裂纹尖端CTOD增大。保持裂纹长度和深度不变，随着轴向应力的增加，CTOD增加幅度远小于根焊弱匹配情况。当轴向应力达到0.9 时，可得到低强匹配且根焊比填充盖面强度低的环焊接头起裂韧性值要求最高为0.1mm；其次为根焊低于填盖强度的等强匹配环焊接头，CTOD约为0.7 mm；根焊与填盖焊缝等强的焊缝与母材高强匹配的环焊接头，需要的起裂韧性最低,CTOD为0.4mm。(a)单元格划分(b)根焊与填充盖面等强（c)根焊强度是填充盖面强度的8 0%26因此，保证环焊接头安全服役的首要条件是环焊接头的强度匹配形式。同时管道服役地势复杂，环焊接头承受组对应力、焊后残余应力、土壤作用外力和第三方应力等复杂受力，为确保管道运营安全性，建议高钢级管道环焊应选取等强匹配或高强匹配的环焊工艺。0.7一填盖低强，根焊=填盖0.6F填盖低强，根焊=8 0%填盖填盖等强，根焊=填盖0.5填盖等强，根焊=8 0%填盖填盖高强，根焊=填盖0.4F填盖高强，根焊8 0%填盖0.3F0.20.10.0F-0-0.4-0.200.00.2 0.40.60.81.01.20/o.图6不同强度匹配和根焊匹配条件下的起裂韧性和CTOD曲线4结论通过环焊接头的力学性能的宏观统计分析和微区测试研究，进行不同强度匹配条件下环焊接头的受力数值建模研究，得到X80管道GMAW工艺环焊接头具有如下特点：1)GMAW焊接工艺热输入小,环焊接头获得良好的拉伸性能和冲击性能,且焊缝冲击韧性均在10 0 J以上。2)通过微拉伸测试得到，使用等强匹配焊材，GMAW环焊接头的根焊、填盖焊缝强度和热影响区强度相当,热影响区没有软化现象，且根焊的冲击性能与焊缝宏观试样的冲击性能相当。3)数值模拟计算表明根焊强度低于填盖焊缝强度下，首先在根焊焊趾和根焊与填充焊连接处产生较大应变6%，盖面焊与母材连接处约为4%5%应变量。整个环焊接头的整体形变远大于等强匹配的环焊接头。4)不同强度匹配下的起裂韧性计算可知,环焊接头弱匹配下，根焊强度低于填盖焊缝强度要求的起裂韧性五油管材与仪器CTOD最高为0.1mm,建议高钢级管道采用等强或高强匹配的焊接材料和相对应的焊接工艺。参考文献1】李为卫，胡美娟，齐丽华，等.高压力高强度天然气管道国内外标准对比分析M.西安：陕西科学技术出版社,2 0 2 0.2周桂娟，童志，陈晓华，等.X80管线钢焊接与焊缝开裂影响因素研究进展J.材料导报,2 0 2 2,36(2）：2 110 0 16 9.3许远斌,郭晓疆，曾惠林，等.X80管线钢焊接接头微区材料力学性能研究J.石油工程建设,2 0 2 1,47(S1):146-150.4周祯童，周建平,许燕，等.X80管线钢GMAW的数值模拟及组织研究J.热加工工艺，2 0 2 2，5 1（2 1）：134-139,143.5齐丽华，王磊，高雄雄，等.FCAW-S工艺条件下X80环焊接头性能及安全运行影响因素研究J.焊管，2 0 2 1,44(8):1-6.6齐丽华，王磊，杨耀斌，等.X80管线钢半自动自保护药芯环焊接头性能影响因素研究J.焊管,2 0 2 1,44(6):7-12.7胡平,郭纯,孔红雨，等.X80管线钢自保护药芯焊丝冲击离散性分析及改进J.金属加工（热加工）2 0 16（2）：6 8-69,72.8 WANG YY,LIU M.A 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