摘 要:采用小拉伸试样分层试验的方法测试了 X70管道环焊缝的力学性能,从小试样的试验 结果中不仅可以得到对接环焊缝的抗拉强度,还可以得到环焊缝不同区域的抗拉强度分布。结果 表明:该对接环焊缝的屈服强度低于母材的屈服强度约20%,且环焊缝内部不同层的屈服强度也 有较大差别。
关键词:管线钢;环焊缝;强度;拉伸试验;小试样
中图分类号:TG457.6 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)05-0001-03
长输管线的安全运行对于经济社会的发展具有 重要意义。长输管线是由一系列平均长度约为10 m 的螺旋焊管或直缝管段通过对接环焊缝连接而 成的[1-2]。长输管线对接环焊缝的施工现场环境差、 劳动强度高、现场受多种约束条件的限制,使得环焊 缝的焊接质量稳定性较差[1-7]。
1 试验方法与试验材料
笔者以已经投入使用的 X70管线钢焊接接头 为研究对 象:首 先 对 试 样 上、下 游(上 游 为 管 道 某 个环焊缝的石油、天然气供给方向;下游为管道某 个环焊缝的石油、天然气接收方向)母材以及环焊 缝进行化学 成 分 分 析,确 认 了 材 料 化 学 成 分 及 焊 接方式与原记录相符[4,7] ;然后通过硬度试验测定环焊缝及周围材料的硬度分布;再分别对试样上、 下游母材以 及 环 焊 缝 材 料 进 行 拉 伸 试 验;最 后 采 用小拉伸试 样 对 环 焊 缝 材 料 进 行 逐 层 测 试,为 了 验证小试样 拉 伸 结 果 的 准 确 性,对 试 样 母 材 进 行 小试样拉伸试验。
试样的主体材料为 X70钢[1-2],设计输送压力 为10MPa,外径为1016mm,壁厚为17.5mm,管 线对接环焊缝的焊接方式为手工电弧焊(SMAW) 打底,药心焊丝焊填充(FACW),每层焊缝金属高度 约为3mm。
2 试验结果分析
2.1 化学成分分析
采用直读光谱仪分析试样上、下游母材以及环 焊缝的化学成分,分析结果如表1所示。试样上、下 游母材化学成分均符合标准 GB/T9711—2017《石 油天然气工业 管线输送系统用钢管》中对 X70钢化 学成分的要求;与母材相比,环焊缝材料中含有较多 铝元素。
2.2 硬度试验
试样环焊缝的最大硬度为224 HV,位置为热 影响区内的粗晶区,最小硬度为164HV,位置为焊 缝填充 金 属 内。 环 焊 缝 金 属 的 硬 度 主 要 分 布 在 170~190 HV,母材硬度主要为200~220 HV,环 焊缝金属硬度低于母材硬度。在环焊缝内部,材料 硬度也呈明显的分层特征。环焊缝内不同硬度区域 所对应的材料强度也有差异,为测量环焊缝内不同 层的强度,采用小试样试验技术对环焊缝内不同层 的强度进行测试。
2.3 整体拉伸试验
依据标准 GB/T228.1—2010 《金属材料 拉伸 试验 第1部分:室温试验方法》,将试样上、下游母 材制成直径为10mm 的棒状拉伸试样,环焊缝材料 制成直径为5mm 的棒状拉伸试样,取样方向均为 环向取样,试验结果分别如表2,3所示,拉伸试验应 力-应变曲线如图1所示。结果表明:环焊缝材料的 屈服强度和抗拉强度均低于母材20%以上,环焊缝 材料的屈强比平均为0.78,而母材的屈强比平均为 0.89,环焊缝材料与母材断后伸长率比较接近。
2.4 小试样拉伸试验
管线钢环焊缝的体积较小,仅可以取出直径为5mm 的圆棒拉伸试样,试验结果可表征环焊缝材 料的整体性能。为研究环焊缝材料内不同层的力学 性能差别,采用小拉伸试样进行拉伸试验。由原始 试样先分层加工至厚度为0.9~1mm,然后通过双 面研磨机对其表面进行磨抛至厚度为0.75mm,总 长度为50mm 的试样,小拉伸试样如加工过薄,可 能会导致试样加工形变,其取样位置和拉伸完的试 样分别如图2,3所示。环焊缝不同区域所对应的强 度分布结果如图4所示。对环焊缝区域相同层的硬 度试验结果与小试样拉伸试验结果进行对比发现, 两种试验对环焊缝区域同一层所得的力学性能试验 结果是一致的。
3 结论
(1)高钢级管道焊材和焊接工艺的不同,以及 焊接工艺参数的波动导致了环焊缝不同微区的性能 差异较大,小试样测试技术可以较好地揭示环焊缝 的微区性能。
(2) 环 焊 缝 金 属 硬 度 主 要 分 布 在 170~ 190HV,母材硬度主要分布在200~220HV,环焊缝金属硬度低于母材硬度。拉伸试验结果表明:环 焊缝金属的屈服强度和抗拉强度均低于母材的屈服强度和抗拉强度。
(3)环焊缝金属的小试样拉伸试验结果表明: 在环焊缝内部,不同区域的屈服强度、抗拉强度不 同,靠近根部的焊缝金属强度更低,但整体焊缝金属 强度低于母材强度。环焊缝金属的低强度会影响管 道整体受载变形过程中的局部应力应变分布,小试 样技术可在高钢级管道环焊缝的断裂行为研究中发 挥重要作用。
参考文献:
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