软化对X80管线钢管气体保护焊接头承载能力的影响_张晶.pdf

试验与研究第46卷 第3期2023年3月焊管WELDED PIPE AND TUBEVol.46 No.3Mar.2023软化对X80管线钢管气体保护焊接头承载能力的影响*张晶1，李霄1，韦奉2，3，牛辉2，3，席敏敏2，3，刘斌2，3（1.西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065；2.中油国家石油天然气管材工程技术研究中心有限公司，西安 710018；3.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西 宝鸡 721008）摘 要：针对X80管线钢管环焊接头热影响区软化造成环焊缝断裂失效的问题，采用数字图像相关法对焊接接头拉伸过程的应变分布情况进行了分析，并建立了焊接接头承载能力数值分析模型，对接头断裂位置及承载能力进行了预测，研究软化区宽度及软化程度对环焊接头强度和承载能力的影响。结果显示，焊趾处软化区宽度为0.3 mm、最大软化程度为2.6%时，拉伸过程中在母材处发生颈缩，软化对接头承载能力影响不明显；当软化程度为2.6%时，软化区宽度增大对接头承载能力没有明显影响；当软化区宽度为5 mm、25 mm，软化程度分别为25%和10%时，环焊接头承载能力降低约 10%。研究表明，接头承载能力降低与颈缩位置有关，随着软化区宽度的增加，颈缩位置逐渐由母材向软化区转移，达到某一临界值时颈缩发生在软化区，此时接头的承载能力主要取决于软化区的性能，因此导致接头承载能力降低。关键词：X80管线钢；气体保护焊；焊接接头；软化区宽度中图分类号：TG409 文献标识码：A DOI:10.19291/ki.1001-3938.2023.03.002Effect of Softening on Bearing Capacity of X80 Pipeline Gas Shielded Welding JointZHANG Jing1,LI Xiao1,WEI Feng2,3,NIU Hui2,3,XI Minmin 2,3,LIU Bin2,3(1.School of Materials Science and Engineering,Xi an Shiyou University,Xian 710065,China;2.Chinese National Engineering Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods Co.,Ltd.,Xian 710018,China;3.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008,Shaanxi,China)Abstract:In view of the softening of the heat affected zone of the girth welded joint of X80 pipeline steel pipe,which caused the fracture failure of the girth weld,the strain distribution of the welded joint during tensile was analyzed using the digital image correlation method,and the numerical analysis model of the bearing capacity of the welded joint was established,and the fracture location and bearing capacity of the joint were predicted and analyzed,and the influence of the width and softening of the softening zone on the strength and bearing capacity of the girth welded joint was studied.The results show that the width of the softening zone at the outer toe of the joint is 0.3 mm and the maximum softening degree is 2.6%,necking occurs at the base metal during tensile,and the softening has no obvious effect on the bearing capacity of the joint.When the softening degree is 2.6%,the increase of softening zone width has no obvious effect on the bearing capacity of the joint.When the softening zone width is 5 mm and 25 mm,and the softening degree is 25%and 10%respectively,the bearing capacity of the girth welded joint decreases by about 10%.The research shows that the reduction of the joint bearing capacity is related to the necking position.With the increase of the width of the softening zone,the necking position gradually shifts from the base metal to the softening zone.When reaching a certain critical value,necking occurs in the softening zone.At this time,the joint bearing capacity mainly depends on the performance of the softening zone,resulting in the reduction of the joint bearing capacity.Key words:X80 pipeline steel;gas shielded welding;welding joint;softening zone width*基金项目：国家重点研发计划“L485高应变海洋管道环焊材料工艺技术”（项目编号2018YFC0310305）。8第3期张晶等：软化对X80管线钢管气体保护焊接头承载能力的影响HAN GUAN 0前 言随着X80管线钢全面应用于西气东输二线、三线1，一些管道需要经过山地、采空区等地质不稳定区域，在发生滑坡等灾害时，管道焊缝需要具有较高的承载能力及抗变形能力2。早期采用焊条电弧焊根焊与自保护药芯焊丝填充盖面的组合焊接工艺，管道在服役过程中常发生环焊缝断裂失效行为3-4，同时对接头进行工艺评定及性能检测时发现部分环焊接头存在软化现象，造成管道断裂风险5。近年来，有学者对X80钢焊接接头软化原因、轴向拉伸过程中接头变形、断裂行为及其影响因素进行了研究，发现焊接冷却时间延长导致X80钢接头位错消失、析出物尺寸增大，从而导致在临界区及细晶区发生软化5-6，同时发现母材合金元素、热输入及接头强度匹配是影响管线钢接头软化的主要因素7。低强匹配接头在拉伸过程中应变集中先出现在根焊及热影响区，高强匹配接头的应变集中、断裂位置转移至母材，并且热输入的增加使得断裂位置由母材逐渐转变为热影响区8-9。通过研究焊管承载能力的影响因素，发现母材屈强比、热影响区软化率以及焊缝母材间强度匹配系数对管道应变承载能力产生影响10，同时随着软化区宽度的增大，热影响区软化程度提高，焊管承载变形能力及承压能力降低11-12。以上研究已经明确了软化对轴向拉伸过程中接头应变集中位置及断裂模式、焊管承载能力的影响，而软化区宽度对接头轴向拉伸承载能力的影响有待明确。本研究采用数值模拟方法从软化区宽度的角度对气体保护焊接接头在轴向拉伸过程中承载能力以及断裂位置进行分析。1试验材料及方法采用气体保护焊对 X80 钢级 1 219 mm21.4 mm焊管进行对接，表1为主要焊接工艺参数，制备的焊接接头的宏观形貌如图1所示。从图1可以看出，热影响区从左往右依次为不完全相变区、细晶区和粗晶区。对外表面焊趾处热影响区各区域尺寸进行测量，确定不完全相变区、细晶区、粗晶区宽度均为0.3 mm。根据GB/T 2282018金属材料拉伸试验制备母材拉伸试样，试样尺寸如图2所示。从图1所示的X80管线钢焊接接头部位取样，取样位置及试样形式如图3所示，用以确定焊接接头抗拉强度及拉伸断裂位置。在MTSmodel64万能试验机进行轴向拉伸试验，采用位移控制加载，加载速率为2.5 mm/min，直至试样断裂。采用ARAMIS光学引伸计追踪观测试样厚度方向的应变行为。表1焊接工艺参数焊道顺序根焊热焊填充1填充2填充3盖面电流/A200240220250180210175200150200130150电压/V222322232123212321242325送丝速度/（cm min-1）8269271 2451 3729401 0929651 0927871 041610660行走速度/（cm min-1）-75775358435039494159摆宽/mm-0.60.81.21.91.32.42.83.72.44.3摆频/（次 min-1）-230145205140190140190150180左停留时间/ms-204070407540753050右停留时间/ms-203040404540453045图2母材拉伸试样尺寸示意图图1焊接接头宏观形貌及热影响区宽度 92023年 第 46 卷焊 管为明确焊接接头区域硬度分布特征，根据GB/T 26542008焊接接头硬度试验方法和GB/T 43402009金属材料维氏硬度试验要求，采用HVST-1000ZA自动转塔图像分析数显维氏硬度计进行硬度测试。测试前对试样表面进行打磨、抛光处理，对焊缝、热影响区和母材进行硬度测试，测试点距离外表面3 mm，间隔1 mm，四面锥形压头试验力为200 g，持荷时间为15 s。为分析软化对焊接接头承载能力和断裂位置的影响，采用ABAQUS软件建立数值分析模型。依据接头宏观形貌建立接头形状，依据拉伸试样确定模型宽度为 78 mm，长度为 400 mm。采用C3D8R实体单元网格类型划分网格，模型一侧施加完全固定边界，另一侧线性加载拉伸位移，边界条件如图4所示。将热影响区硬度低于母材的部分判定为软化区，软化区宽度定为接头外表面焊趾处软化区的宽度，并根据母材强度折算软化区的强度。建立软化程度为2.6%（图1接头）的不同软化区宽度的接头模型，分析接头在轴向拉伸过程中的颈缩位置及承载能力。为分析软化程度、软化区宽度对接头承载能力的影响，建立软化程度分别为 10.0%和 25.0%，软化区宽度分别为 0.3 mm、5 mm、12 mm、20 mm和25 mm的系列模型，分析其对接头承载能力的影响，并给出工程建议。2结果分析与讨论2.1焊接接头硬度和拉伸性能气体保护焊接头（图1）的硬度分布规律如图 5所示，其中母材（B）平均硬度为231 HV0.2，焊缝（W）硬度分布与母材基本一致，细晶区最低硬度为225 HV0.2，相较于母材下降了2.6%，细晶区（FCHAZ）硬度低于母材，出现一定程度软化现象，此接头中的软化区宽度为0.3 mm。X80管线钢焊接接头的拉伸性能见表2，根据热影响区硬度及母材硬度的比例折算各区的强度，其中细