（石油与天然气工程专业论文）在役管道螺旋焊缝的力学性能及其缺陷评估方法应用研究.pdf

摘要 在役管道安全可靠运行是目前世界各国油气储运行业普遍关注和迫切需要解决的 重大课题。上世纪7 0 年代建设的东北原油管道作为原油运输的主要途径发挥了巨大作 用，但由于受当年技术和设备条件的限制，管体焊缝存在大量的焊接缺陷，严重威胁管 道的安全运行。为了保证含缺陷管道的完整性和运行安全，需要对已有缺陷进行适应性 工程评估，用以决定是否需要对缺陷点进行修复。 本文对东北管道焊缝缺陷评估中所涉及的材料性能测试进行了深入的研究。研究了 管道焊缝和母材性能的测试方法，并进行了测试结果分析，认为管道焊缝热影响区的性 能比较差，管道容易在此处形成裂纹并发生断裂，应该将焊缝热影响区域的性能数据用 于管道的安全评估。通过拉伸、冲击以及断裂韧性等性能测试得出了用于管道评估的基 础数据，并进行了数据分析。 简单介绍了b s7 9 1 0 的评估原理和方法，开展了管道螺旋焊缝缺陷的第一级断裂评 估研究，通过静水压力实验对方法的可行性进行了验证，认为此方法和本文中测试和模 拟的数据可以为东北管道的修复提供指导。 关键词：螺旋焊缝管道，力学性能，断裂韧性，b s 7 9 1 0 ，安全评估 r e s e a r c ho nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs p i r a lw e l d e do fp i p e l i n e i ns e r v i c ea n da p p l i c a t i o n so fa s s e s s m e n tm e t h o d sf o rs p i r a l w e l d e dd e f e c t so fp i p e l i n e z h a n gh u i f c n ( s t o r a g ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l iz i l i a b s t r a c t t h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fp i p e l i n ei ns e r v i c eh a sa t t r a c r e du n i v e r s a lc o n c e ni no i l a n dg a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r y t h en o r t h e a s t e r no i lp i p e l i n e ，w h i c hw a sb u i l ti n 19 7 0 s ，h a sp l a y e dah u g er o l ea sa na o r t ao fc r u d eo i lt r a n s p o r t a t i o n h o w e v e r , d u et ot h e l i m i t a t i o no ft e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sa tt h a tt i m e ，t h e r ee x i s tal a r g en u m b e ro fw e l d e d d e f e c t si np i p e l i n ew e l d s t oe n s u r et h ei n t e g r i t ya n do p e r a t i o ns a f e t yo fd e f e c t e dp i p e l i n e s ，i t i sn e c e s s a r yt oh a v eaf i t n e s s - f o r - s e r v i c ea s s e s s m e n tt ot h er e m a i n i n gd e f e c t sa n dd e t e r m i n e w h e t h e ri tn e e d st ob er e p a i r e d i nt h i s a r t i c l e ，t h em a t e r i a lp e r f o r m a n c et e s t i n gf o rt h ea s s e s s m e n to fn o r t h e a s t e r n p i p e l i n ew e l d e dd e f e c t s ，h a v eb e e nc a r r i e do u ta n ds t u d i e di n - d e p t h t h et e s t i n gm e t h o do f p i p e l i n em a t e r i a la n dw e l d sw e r es t u d i e da n dt h et e s t i n gr e s u l t sa n a l y z e d t h em e c h a n i c a l b e h a v i o ro fh a z ( h e a ta f f e c t e dz o n e ) o fw e l d e dp i p e l i n ew a sf o u n dt ob ep o o r , h e n c e ，t h e c r a c k sa l ee a s yt oi n i t i a t ei nt h i sa r e aa n di n d u c ep i p e l i n eb r o k e n c o n s e q u e n t l y , t h em a t e r i a l p e r f o r m a n c ed a t ai nt h i sa r e ao fp i p es h o u l db eu s e di nt h es a f e t ya s s e s s m e n to fp i p e l i n e t h e f u n d a m e n t a ld a t af o rp i p e l i n ea s s e s s m e n tw e r ep r o d u c e da n da n a l y z e dt h r o u g ht h et e n s i l e ， i m p a c ta n df r a c t u r et o u g h n e s st e s t i n g f i n a l l y , ab r i e fi n t r o d u c t i o n o fa s s e s s m e n tp r i n c i p l e sa n dm e t h o d so fb s7 910i s i n c l u d e di nt h i sa r t i c l e r e s e a r c ho na p p l i c a t i o n so fa s s e s s m e n tm e t h o d sf o rs p i r a lw e l d e d d e f e c t so fp i p e l i n e a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sm e t h o di sv e r i f i e dt h r o u g ht h eh y d r o s t a t i c v p r e s s u r et e s t i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ea n a l y s i sm e t h o d ，t h es i m u l a t i o nc o m p u t a t i o na n dt e s t d a t ai nt h i sa r t i c l ec o u l dp r o v i d eg u i d a n c ef o r t h er e p a i rw o r ko ft h en o r t h e a s t e r np i p e l i n e s k e yw o r d s ：s p i r a lw e l d e do fp i p e l i n e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，f r a c t u r et o u g h n e s s ， b s 7 9 1 0 ，s a f e t ya s s e s s m e n t v l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：羝童：垒 日期：k 少年够月石日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：洲辟u 月1 7 1 日期：打严幺月7 日 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 东部原油管网建于上世纪7 0 年代，螺旋焊缝钢管，管径7 2 0 m m ，1 6 m n ( x 5 2 ) 钢，全 长约2 0 0 0 k m ，设计压力3 9 2 4 3 6 m p a ，输送温度约为4 3 * ( 2 ，设计年输量4 0 0 0 万吨。 作为原油运输的主要途径，承担着大庆原油和俄罗斯进口原油外输的重要任务。 由于当时技术条件的限制，东北原油管道建设时期遗留的安全隐患很多，目前影响 管道安全的最大问题是管道焊缝缺陷，即钢管螺旋焊缝缺陷和管道对口环焊缝缺陷。 东部原油管道不仅管体存在腐蚀缺陷，还大量存在如螺旋焊缝未焊透、未熔合、夹 渣、错边等类型的缺陷，严重威胁管道的安全运行。1 9 7 3 年以来，由于螺旋焊缝开裂所 引起的管道泄漏事故达到7 次，说明螺旋焊缝缺陷是制约输送压力，导致事故的主要原 因。随着俄罗斯进口原油输送的要求，东部管道已经不能满足安全输送的要求，因此， 必须对东部原油管道加强检测和失效分析，检测出螺旋焊缝缺陷，根据评价结果进行针 对性修复，是当前东部管道安全运行的关键。 在对内检测结果进行系统评价方面，国外对内、外检测结果有一定的验证方法和评 价方法，并且在外开挖检测程序和设备等技术方面相对成熟，而国内在此方面尚没有系 统的评价方法，并且对内检测结果验证方面缺少相应的方法和规范。在缺陷的外检测方 法、设备方面也同国外公司存在较大差距，国内各公司引进的如超声波探伤仪、超声测 厚仪等设备，存在诸如检测精度低、数据分析技术差等问题，导致检测结果利用率低， 不能够系统的提供对管道完整性状态的分析，对特殊缺陷更没有成熟的检测方法和标 准。而国外已形成了比较成熟的数据分析方法，同时，也开发了外检测的新技术和设备， 如超声导波、c 扫描等等。国内陆续引进了这些设备，但是对于后续的应用，还存在一 系列的问题。例如，如何根据国内管道的基本情况确定选用检测技术和方法；如何根据 缺陷的表面特性和缺陷特性制备标准样；检测数据的后续处理或数据库存储与应用，检 测操作运行导则等。 在缺陷评价方面，经过国内外几十年的研究，对低钢级管道的一些常规缺陷已经有 相对成熟的缺陷评价算法和标准，但是对于国内老管道的焊缝缺陷或母材缺陷，如未熔 合、未焊透、夹渣、气泡、噘嘴、翘边等以及高钢级管道存在的缺陷，国内外现有的缺 1 第一章绪论 陷评价方法、标准不能满足目前的缺陷评价的需要，造成缺陷评价的工程适用性差。且 国内没有完全掌握缺陷评价的基础理论和评价方法，更没有系统的评价验证方法和设 备。而国外在缺陷评价技术方面占有绝对优势，已经形成系统的基础理论和应用技术， 且仍在不断发展创新。有必要通过国际合作，借鉴国外缺陷评价的研究方法、验证方法， 引进其基础理论，针对国内的各种缺陷进行研究，形成国内管道的缺陷的系统评价方法、 算法和标准，指导工程实践，满足对管道进行完整性管理的技术需求。 2 0 0 7 年，由中国石油天然气股份有限公司立项，开展了管道检测与缺陷评价技术 国际合作项目的研究，主要研究内容包括： ( 1 ) 提出一套科学合理的内检测结果验证方法，并提出系统的外检测和开挖验证 方法和程序，形成验证与评价规范。 ( 2 ) 通过与国外专业公司的交流和合作，研究针对管道内、外检测结果，对螺旋 焊缝进行系统评价方法和技术研究，形成缺陷验证和评价标准，开发出缺陷评价软件。 本课题是该国际合作科技项目中的一部分内容。 1 2 东北螺旋焊缝管道的基本情况 东北管道在焊接时均采用手工焊接，存在大量的焊接缺陷，一种是管道几何形状缺 陷，包括错边、剖面的不圆度、屋顶状突出、凹陷等。另一类型是平面缺陷，包括裂纹 ( 热裂纹，冷裂纹( 氢致开裂) ) ，未熔合( 侧面未熔合，根部未熔合，焊道间未熔合) 或未焊透，根切( 咬边) 等( 焊缝根切有时处理为几何形状缺陷) 。还有非平面缺陷， 包括空洞、固体夹杂( 有时空洞和固体夹杂处理为平面缺陷) 、壁厚局部减薄( 例如由 于腐蚀造成) 等。非平面缺陷是体积缺陷；而平面缺陷的某一尺寸非常窄小。非平面型 缺陷不如平面型缺陷严重。焊缝表面缺陷比相同尺寸的内部缺陷更严重。图1 1 为未熔 合和未焊透缺陷示意图。图1 2 所示是东北管道螺旋焊缝未焊透缺陷的图片。 2 中国石油大学( 华东) i 程硕学位论文 硇匹勾 圈卜i 未熔合和未焊透缺陷示意圈 - _ _ - - _ 。一 l 一 _ _ 一一一一 l _ i _ _ l - _ - 一 圈卜2 管道焊缝未焊透缺陷 东北原油管道主干线全长2 0 0 0 k m ，对接焊1 3 超过2 5 0 0 0 0 道。其中，除大庆抚顺管 道( 超过3 0 0 k m ) 使用由宝鸡钢管厂生产的质量相对较好的螺旋钢管外，其余管道( 超 过2 0 0 0 k m ) 的钢管均由东北抢建的管厂生产，这些钢管在厂内未进行任何无损探伤，螺 旋焊缝的质量依据其水压试验检验报告。管道对口环焊缝质检采用超声波探伤，3 0 焊口 抽检，穿越段1 0 0 焊口超声波探伤。用水静压方法全面检验管道焊接质量。使用超声波 探伤方法对线型( 裂纹) 缺陷检测灵敏度较高，但对体积型缺陷不敏感。超声波探伤的 准确性也与操作者的经验有直接关系，特别是手工超声探伤会出现漏检。由此可以判断， 东北原油管道的螺旋焊缝和管口对接环焊缝处存在较多的缺陷。 第一章绪论 焊缝缺陷在管道的内压和外力作用下会逐步发展，使缺陷扩展增长，当缺陷长度达 到临界长度时，管道焊缝将产生破裂。东北管道建成投产后发生7 次失效案例，由考察 的失效案例可知，焊缝破裂处通常都是未焊透、夹渣、未熔合等几种缺陷类型并存，焊 缝破坏的特征基本都是断裂破坏，其根本原因是开裂处的应力值超过了材料的强度极 限。 通过东部管道大修，管线特殊地段的安全隐患能够得到治理。但大量存在的腐蚀和 管道焊接缺陷的存在对管道安全构成威胁。由于管道焊缝实际存在的缺陷情况、严重程度 和缺陷实际所受内压差别很大，试图通过有限的观察、有限的强度试验来分析评估整条管 道的承压能力，不能说明管道的实际问题。只有解决了管道螺旋焊缝的检测与评价的技术 难题，评估出其剩余强度，对焊缝缺陷的严重程度进行分级排序。才能使当前东北管道修 复工程采取有效措施，进行有针对性的全面修复以确保管体的完整性。 1 3 管道螺旋焊缝的力学性能研究方法概述 因为现用东北管道的壁厚为8 - 9 m m 左右，管道的厚度比较薄，所以对于管道母材 和焊缝的力学性能测试无法用现有标准中的标准试样进行测试。对于拉伸试样多数文章 推荐用全壁厚的试样进行测试【2 4 1 ，这样可以显示管体材料的整体性能，但是要对焊缝处 进行特殊的处理，否则由于焊缝的强度较母材要高，拉伸时无法在焊缝处断裂。同时由 于管道自身有一定的弯曲，所以在测试前要注意试样的弯曲对测试结果的影响，因此测 试前也要对板状试样的弯曲进行处理，可是对试样进行压平又给试样加上的附加的内应 力，所以要对试样进行退火处理，才能保证试样不因含有内应力而影响测试结果。这样 试样的处理过程就比较繁琐，而且需要较大的实验机器，实验条件比较苛刻。本课题尝 试用小试样进行拉伸实验的测定，并选取不同方向的试样进行拉伸实验。 对于材料韧性方面的测定，有的文章采用了c h a r p yv 切口冲击试验方法，但是由 于管道壁厚的原因，仍然无法制作标准的试样进行测试，于是使用小试样进行实验测量， 算出材料的冲击韧性值【2 5 1 。标准b s7 9 1 0 中推荐使用b s7 4 4 8 标准进行断裂韧性测试。 对于本文中所测试的材料，由于材料的韧性比较高，所以无法得到材料在平面应变下的 断裂韧性值。为了评估的需要，本文尝试测试材料的j m 值以用于管道的安全评估【2 6 1 ， 对于数值的选取问题，有文章提出用测试的最低值或是次低值，但是考虑评估的保守性 问题，为了降低评估的保守性，减少维修次数从而降低维修费用，要找出合适目前东北 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 管道断裂韧性值的选取方法，并应用于管道的剩余强度评定。 1 4 国内外管道焊接缺陷评估的技术现状 长距离油气输送管道及化工企业的压力管道由于材料成型、焊接及施工过程中存在 外部损伤和难以探察的焊接缺陷，随着服役年限的增加，在一定服役环境和力学条件下， 这些缺陷就成为裂纹的发源地，进而引起管道局部或大范围被破坏，造成巨大财产和人 员损失。据统计，我国目前在役长输油气管道总长超过5 x 1 0 4 k m ，其中相当部分经多年 服役，产生了不同程度的失效，需进行更新、改造、大修或降压运行。同时在长输管线 用焊管生产以及现场环焊缝焊接过程中，不可避免地会产生一些焊接缺陷，这些缺陷一 般可以分为体积型缺陷和平面型缺陷两类。体积型缺陷主要包括夹渣、气孔、表面凹坑 等，平面型缺陷则主要包括裂纹、未熔合、未焊透以及存在尖锐夹角的咬边等。这些缺 陷的存在严重威胁长输管线的运行安全，甚至可能导致管线失效事故。由此引发出如何 定量分析管道当前的性能，避免对含缺陷管道盲目维修和更换带来的经济损失，确定保 证管道安全经济运行的对策，成为一项极其重要的工作。管道剩余强度评价是目前确定 对策的最可靠的依据i l 吲。 1 5 研究内容 本课题研究的内容是管道剩余强度评估中材料力学性能研究，并将研究结论应用于 管道剩余强度的评估，具体为： ( 1 ) 测量管道母材和螺旋焊缝区的基本力学性能； ( 2 ) 测量管道母材和螺旋焊缝区的断裂韧性值； ( 3 ) 管道螺旋焊缝缺陷的第一级断裂评估研究，并验证实验数据测试的准确性。 1 6 技术路线 本课题研究的内容是管道剩余强度评估中材料力学性能研究，并将研究结论应用于 管道剩余强度的评估，通过与t w i 、g ep i i 、s w r i 等国外公司的交流与合作，针对东 部管道螺旋焊缝缺陷内检测结果，测量管道母材和螺旋焊缝区的基本力学性能；计算管 道母材和螺旋焊缝区的断裂韧性值；并开展管道螺旋焊缝缺陷的第一级断裂评估研究， 并验证实验数据测试的准确性。针对以上研究目标，技术路线如下： 5 1 6 技术路线 l 、通过对东北管道废弃旧管的螺旋焊缝和环焊缝进行1 0 0 的超声检测，查找缺陷 及明确缺陷类型，然后对查出的缺陷进行x 射线等检测，明确缺陷的类型及缺陷的尺寸。 2 、从一部分管段上截取无缺陷的母材试样和焊缝试样进行拉伸、冲击以及断裂韧 性等力学性能测试，获得当前管材和焊缝的力学性能。 3 、针对缺陷的特征，通过对未焊透类缺陷进行评价方法的调研和研究，确定比较 适合用于螺旋焊缝缺陷的评价方法，完成初级评价方法的研究。 1 7 课题目标 通过对东北管道螺旋焊缝力学性能的研究工作，要达到以下目的： ( 1 ) 确定管道母材和焊缝区力学性能测试的取样和测试方法，并测试出管道母材 和焊缝区的力学性能，为管道的缺陷评估提供有效数据； ( 2 ) 确定对于管道螺旋焊缝断裂韧性测试的取样和测试方法，测量出管道焊缝区 材料j m 值，为管道的缺陷评估提供有效数据； ( 3 ) 通过打压实验数据验证评估的准确性，得出较为合适的评估方法，指导在役 东北输油管道的修复工作。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章管道螺旋焊缝的力学性能研究 2 1 螺旋缝埋弧焊钢管概况 我国自上个世纪5 0 年代以来主要采用螺旋埋弧焊缝钢管作为油气输送管道。9 0 年 代以来，国内石油行业与冶金企业通力合作，开发生产出了a p i5 lx 6 0 、x 6 5 、x 7 0 高 强度、高韧性管线钢和s s a w 螺旋缝埋弧焊钢管。我国已建天然气管道除少量直缝高频 电阻焊管外，都是螺旋缝埋弧焊管，如涩宁兰、陕京线、鄯乌线、塔轮线等。可以说， 在相当长的一段时间内，螺旋缝埋弧焊管仍是我国油气长输管线的主要产品。 目前国际上生产s s a w 螺旋缝埋弧焊钢管主要有两种工艺方法，一种是成型、焊接 在一套生产装置上完成( 即成型终焊工艺) ，我国的s s a w 钢管机组均采用这种制管工 艺；另一种是成型、预焊在一套生产装置上完成，精焊在专用的焊接装置上完成( 即预 精焊工艺) ，这种生产工艺在发达国家使用多年。成型终焊工艺成型稳定性好，易于人 工调型控制，但生产效率低，成型与焊接工序相互影响和制约。预精焊工艺成型速度快， 生产效率高，但人工调型比较困难，自控部分投资较高【2 7 1 。 螺旋焊管可以由一种宽度的钢卷连续成形焊接生产，易于实现生产自动化，并且采 用双面埋弧自动焊的焊接形式，又有多种探伤方法检查把关保证焊缝质量等优点。文献 【2 8 】介绍了埋弧焊的工作原理特点和主要优点，指出螺旋缝埋弧焊在大口径油气输送管和 连续油管钻井生产中有广泛应用。认为焊缝呈螺旋线分布大大提高了油管的轴向强度， 连续油管的可靠性也得到了明显的提高。我国自5 0 年代生产螺旋焊缝埋弧焊钢管以来， 至今已有半个多世纪，制管水平已经取得了很大进步，但同发达国家同类产品相比，仍 然有一定差距，极需进一步研究发展。文献1 2 9 】指出，螺旋埋弧焊管相对于直缝埋弧焊管 来说有残余应力较大、热影响区大、焊缝流线和几何尺寸精度较难控制等特点。由于表 面质量和残余应力因素，国产s s a w 钢管抗硫化氢应力腐蚀性能比进口钢管差。这些特 点制约了螺旋埋弧焊管的发展，应该对残余应力、表面质量、韧性指标进行严格控制。 在螺旋焊管成形焊接过程中，由于操作失误或工艺欠成熟等方面的原因，导致焊管 产生各种各样的缺陷。文献【3 0 】分析了东北原油管道在建设时期遗留的安全隐患，特别是 钢管螺旋焊缝缺陷和管道对口环焊缝对管道安全的影响，认为在运行的管道上难以消除 这些先天性焊缝缺陷隐患，对经过多年运行的带有缺陷的管道的研究具有重要意义。 7 第二章管道螺旋焊缝的力学性能研究 熔合不良类型的缺陷是油气管线沿螺旋焊1 ：3 发生断裂事故的主要原因。熔合不良类 缺陷包括未熔合和未焊透。未焊透是指焊接金属母材与母材之间未被电弧熔化而留下的 空隙，对于双面焊螺旋焊管一般产生在焊缝中部。未熔合是指焊缝金属与母材之间、多 焊道时焊缝金属之间彼此没有完全熔合在一起的现象。前者称为边缘未熔合，后者称为 层间未熔合。由于未熔合大面积地降低了焊缝强度，未熔合比未焊透一般更具危害性。 尽管国内已经在螺旋焊缝管的应用研究方面取得了很大的成绩，但研究大多是将螺 旋焊缝缺陷等效为一个管道轴向和环向的平面缺陷进行初级的评估，而缺少对各种复杂 因素的影响的研究，例如管道螺旋埋弧焊缝的残余应力的测试和计算，不均匀焊缝和热 影响区材料的强度和断裂韧性测试和计算，螺旋焊缝几何缺陷的影响和评估，螺旋焊缝 作为圆柱壳的曲面裂纹的断裂力学评估，螺旋焊缝漏磁检测信号的识别，螺旋焊缝高精 度超声波探伤等等。这也就是我们选择将管道材料性能研究以及螺旋焊缝缺陷的剩余强 度评估作为研究课题的理由。 、 要评估现在东北管道焊缝的安全性，根据现有的评估标准必须对管道母材以及焊缝 的力学性能进行研究测试，得出完整的评估数据，应用于管道剩余强度的评估。下面将 分别介绍管道母材及焊缝材料的力学性能测试方法研究和结果讨论等。 2 2 非标准试样基本力学性能测试方法研究 针对东北管道管材进行了金相组织分析和力学性能的测试。 对管材进行了能谱分析，结果见表2 1 ： 表2 - 1 管道钢材能谱分析( w t ) s im nf e 0 3 2 1 4 4 9 8 2 4 根据国家标准压力容器用钢板g b6 6 5 4 1 9 9 6 的规定，1 6 m n 的化学成分( 嘶) 为： c 0 0 2 ，s i = 0 2 0 0 5 5 ，m n = 1 2 0 - 1 。6 0 ，p 0 0 3 5 ，s o 0 3 0 。 东北管道钢中包括碳在内的合金元素含量极低，无法用现有设备准确测出。可以从 结果中看出管线钢材质为1 6 m n 。 另外中国国家标准压力容器用钢板g b6 6 5 4 - 1 9 9 6 中对钢的性能规定如下，抗拉强 度：5 1 0 6 4 0 m p a ，屈服点：3 4 5 m p a ，伸长率：2 1 。 r 中国6 油大学( 毕末) i 程硕士学位论文 实验从焊缝各个区的组织入千，首先进行焊缝区域的组织观察，由焊缝各个区域的 组织差别初步分析各个区域的性能特点，为后续的拉伸、冲击以及断裂韧性测试研究莫 定基础。 22 1 金相组织分析 时1 6 m n 在役管道钢焊缝截面余相组织进行观察，试样要经过打磨、抛光、腐蚀( 使 用3 的硝酸酒精溶液进行腐蚀) 等方法进行处理，利用低倍观察组织演变趋势，用高 倍进行具体组织的观察。拍摄宏观焊缝区域组织照片，观察焊缝、熔合线、热影响区， 并拍摄不同区域高倍金相照片。通过对金相组织的观察分析，研究组织对力学性能的影 响。 东北管道用钢的金相组织是由铁素体( f ) 和珠光体( p ) 组成。如图2 1 所示为焊 缝焊趾处的会相照片，图2 2 为母材及焊缝截面各个区的盒相组织照片。 图2 - 1 焊趾( 2 5 x ) i 【j 【j i jum 第= 章管道螺旋焊缝的力学性能研究 e ) 重结晶区( 5 0 0 x )n 重结晶区向熔合区过渡( 2 0 0 x ) 0 中国6 油大学( 华束) i 程顾学位论女 图2 - 2 母材及焊缝截面各个匿的盒相组织 从母材至焊缝共分为5 个区域，分别为：母材，不完全重结晶区，重结晶区，过热 区，熔合区。从图2 = 2a ) 和b ) 可以看出，母材组织为铁素体和珠光体，铁素体晶粒在 沿轧制方向被显著拉长，能看出明显的轧制方向。 不完全重结晶区，又称为不完全正火区或部分相变区，加热到的峰值温度在a c 到 a 0 3 之间。该区特点为：只有部分金属经受了重结晶相变，剩余部分为未经重结晶的原 始铁索体晶粒。因此它是一个租晶粒和细晶粒的混台，见图2 2d ) 所示。未经重结晶 的粗大铁索体之间分布着经过重结晶后的细小铁素体和粒状珠光体的群体。形成这种组 织的原凼是由于焊接的升温速度太快，当加热到a c 至a c ，之间时，实际上只有珠光体 转变为奥氏体，铁素体基本上还没有能够来得及发生转变，而且此时珠光体的转变也很 不完善。这是因为珠光体转变为奥氏体也是一个扩散过程，因此在连续的快速加热情况 下，珠光体的转变就不能像甲衡状态时那样在等温( a e i ) 条件下转变完了，而是需 要在一个特定的温度区问内进行。加热速度愈快，则珠光体开始转变为奥氏体温度也愈 高，而且温度区间也愈太。由于这一区域内除了细的珠光体外，还存在有部分未经重结 晶的粗大的铁索体，因此它的力学性能也并不很好。 重结晶区，该区又称正火区或细晶区，加热到的峰值温度范围在a e ，到晶粒开始急 剧长大以前的温度区间。该逛的组纵特征是由于在加热和挎却过程中经受了两次重结晶 相变的作用，使晶粒得到显著的细化。得到的组织为均匀而细小的铁素体和珠光体，见 图2 - 2 e ) 所示，相当于低碳钢正火处理后的细晶组织。因此该区具有较高的综合力学性 能- 甚至优于母材的性能。 第二章管道螺旋焊缝的力学性能研究 过热区，该区紧邻焊缝，又称粗晶区。它的温度范围包括从晶粒急剧长大的温度开 始至固相线温度。由于加热温度很高，特别是在固相线附近处，一些难溶质点，例如碳 化物和氧化物等，也都溶入奥氏体，因此奥氏体晶粒长得非常粗大。这种租大的奥氏体 在比较适宜的冷却速度下形成一种呈针状( 片状) 形态与片状珠光体混合存在的过热组 织一魏氏组织。其组织特征是：魏氏组织中的铁素体以起便机制形成；它沿着奥氏体的 ( 1 1 1 ) 丫面切变长大，往往优于晶界网状铁素体向奥氏体晶粒内部生长，在一个粗大的 奥氏体晶粒内部生长，在一个粗大奥氏体晶粒内形成许多平行的铁素体片，在铁素体片 之间的剩余奥氏体最后转变为珠光体，如图2 2g ) 所示。这种魏氏组织是有结晶位向 相近的铁素体片形成的粗大组织单元，严重地降低了热影响区的韧性。由于奥氏体晶粒 愈粗大，愈容易生成魏氏组织。因此魏氏组织的形成愈焊接热影响区过热区的过热程度 有很大关系，即与金属在高温的停留时间有关。由于此管道的焊接采用埋弧自动焊，大 热量的输入可以提高生产效率，但同时大热量使焊缝周围的热影响区晶粒长大，降低了 管道材料的韧性，螺旋焊缝出现缺陷的机率高。 熔合区焊缝呈现粗大柱状晶组织如图2 2h ) 所示。柱状晶沿垂直熔合区方向生长， 形成的平行生长的粗大柱状晶组织。在柱状晶的生长方向，如果开缺口进行冲击实验， 其冲击吸收功会很低。埋弧自动焊的焊接工艺，是采用大的热输入量焊接，焊缝金属高 温停留时间长，冷却速度慢，使焊缝金属出现粗大的柱状晶组织。 2 2 2 硬度测试 1 ) 焊接区硬度梯度基本测试方法 实验机为h x z 1 0 0 0h x s 1 0 0 0 ah x s 1 0 0 0 型数字式显微硬度计，表格记录母材的 硬度值。 每个测试点距表面1 5 m m ，焊缝金属区内至少有三个测试点。在热影响区( h a z ) 内，从尽量靠近熔合线开始每隔0 5 m m 一个测试点直到未受影响的母材。两边未受热 影响的母材至少个3 个测试点，间距大概l m m 。示意图如图2 3 所示。 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 ) 硬度梯度测试结果与分析 图2 - 3 硬度测试点示意图 硬度测试数据见表2 2 和图2 - 4 所示： 表2 - 2 焊缝各区h ，硬度数据 位置编号间隔距离( m m ) 距离第一个点距离( m m )硬度数据( h v ) 备注 平均值 l0 00 o1 6 6 2 2 1 o 1 o1 9 4 2 31 02 01 7 5 5 母材1 7 1 0 41 03 o1 6 2 3 51 0 4 01 6 9 2 61 05 o1 5 8 5 71 06 01 8 5 7 8o 56 51 7 6 6 不完全重 1 7 1 9 90 57 o1 5 7 2结晶区 1 01 o8 o1 6 8 2 l l0 58 51 6 4 2 1 2o 59 01 7 0 2 重结晶区 1 7 6 5 1 3 0 59 51 7 3 4 1 40 51 0 o1 9 8 o 1 5 0 5 1 0 51 8 8 o 1 6 o 51 1 01 9 1 7 过热区 1 8 8 i 1 7o 51 1 51 8 4 5 1 8 o 51 2 o1 7 0 2 1 90 51 2 51 5 8 5 2 0o 5 1 3 o 1 6 6 2 熔合区 1 7 3 3 2 10 51 3 51 7 8 8 2 2 0 5 1 4 0 1 5 8 5 2 31 01 5 o1 7 1 3 第二章管道螺旋焊缝的力学性能研究 表2 - 2 焊缝各区h v 硬度数据( 接上表) 2 4 1 0 1 6 01 7 2 3 2 52 0 1 8 o1 8 6 8 2 60 51 8 51 8 2 2 2 70 5 1 9 o1 8 8 0 2 9o 52 0 01 7 4 4 过热区 1 7 6 6 3 0 0 52 0 51 7 8 8 3 l0 52 1 o1 6 3 2 重结晶区 1 7 3 9 3 2o 52 1 51 8 4 5 3 31 o2 2 51 9 2 9 不完全重 1 7 5 7 3 40 。52 3 o1 5 8 5结晶区 3 5 1 o2 4 01 7 7 7 3 61 o2 5 01 7 8 8 母材 1 7 5 6 3 7 1 o2 5 0 1 7 0 2 从理论上讲，金属的强度越高高，其硬度也就高。从上述表2 2 和下图2 - 4 可以看 出，焊接接头各区的硬度值比较接近。说明管道焊缝个区域的性能比较接近，焊缝的在 焊接时比较均匀。而且经过3 0 多年的使用之后，焊缝的质量没有发生太大的变化。 从图2 - 4 看到，过热区的硬度较其它区域高，说明过热区的强度比较高，但是韧性 较其它区域就比较低，这也就是焊缝的粗晶区，管道焊接时此处受到了重复加热，形成 了粗大的晶粒，为组织的弱化区域，材料的韧性比较低，对焊接接头的性能影响比较大， 管道容易在此处萌生裂纹并发生断裂，因此在材料的断裂韧性测试时，要特别注意对焊 缝粗晶区的测量。 附注l ：m 母材f 1 不完全重结晶区f 2 一重结晶区c 过热区s 熔合区 图2 4 焊缝各区域硬度 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 2 3 拉伸性能测试 1 ) 拉伸试验设计 实验试样设计为三个位置：全焊缝，跨焊缝以及母材。用以研究焊管不同位置的屈 服强度和抗拉强度，以选出适用于管道剩余强度评估的数据。 r = 4 + 2 5 2 8 8 0 图2 - 5 拉伸试样示意图 试样采用圆棒型设计，因管材的厚度为大概为8 - 9 m m ，无法得到较大的试样，所以 只能使用小试样进行测试，试样设计如图2 5 所示。为了管道剩余强度评估时可以有足 够的数据提供参考，考虑道焊缝焊接的不均匀性或是焊缝缺陷对测试的影响，因而可能 产生的数据分散性，不能真实反应焊缝的性能，所以有效的测试数据不能低于3 个。又 考虑到实验材料数量等因素，全焊缝和跨焊缝的试样各8 个，母材共选取5 个试样。 使用s a n sc m t 5 5 0 4 型万能试验机进行室温( 1 7 5 c ) 拉伸试验，测量其应力应变 曲线，屈服强度，抗拉强度以及断后延伸率等数据。 2 ) 拉伸试验结果与分析 由于在实验中带焊缝试样本身存在夹杂等各种缺陷，所以跨焊缝测试只得到6 个有 效数据。 跨焊缝的拉伸实验数据见表2 3 ，全焊缝的拉伸实验数据见表2 4 ，母材的拉伸实验 数据见表2 5 。 1 5 - j k r 第二章管道螺旋焊缝的力学性能研究 表2 - 3 跨焊缝拉伸试验数据 试样序号 屈服强度( m p a )抗拉强度( m p a ) 延伸率( ) l 3 9 4 15 9 0 7 62 3 3 5 23 9 6 15 8 4 4 22 3 3 34 0 7 25 8 6 2 32 2 8 5 4 4 0 2 25 7 4 5 51 2 3 5 54 2 0 45 7 8 6 01 2 4 5 63 7 8 24 6 2 8 97 8 0 平均值 3 9 9 75 6 2 9 l1 7 0 2 表2 - 4 全焊缝拉伸试验数据 试样序号 屈服强度( m p a )抗拉强度( m p a ) 延伸率( ) l3 9 5 45 5 0 3 6 1 5 4 5 24 0 5 15 7 2 4 42 6 0 5 33 8 3 75 8 5 8 52 6 4 5 43 9 2 35 8 6 5 83 3 9 54 0 0 95 7 6 1 9 2 7 3 64 5 6 65 7 0 2 93 3 4 74 6 7 85 3 2 1 71 8 6 83 5 35 1 8 6 71 6 5 5 平均值 4 0 6 8 55 6 1 5 72 4 7 1 表2 - 5 母材拉伸试验数据 试样序号 屈服强度( m p a )抗拉强度( m p a ) l3 1 5 75 1 4 3 23 3 1 75 1 3 7 33 3 0 。75 1 1 6 43 2 7 85 1 1 3 53 4 4 65 1 5 8 平均值 3 3 0 15 1 3 3 4 分析三个位置的拉伸数据，将三个位置( 全焊缝、跨焊缝、母材) 试样的拉伸数据 进行对比，见图2 - 6 所示。 1 6 第一章管道螺旋焊缝的力学性能研究 要由焊缝金属来承担，裂纹尖端应力集中较严重，在较低裂纹扩展驱动力下裂纹即会扩 展；高匹配焊接接头试样，屈服和塑性变形不但由焊缝，而且还有母材金属来承担，因 此塑性区较大裂纹尖端应力集中情况也得到了改善，在较高的裂纹扩展驱动力下裂纹 才会扩展【”1 。所以，高匹配焊接接头试样焊缝的抗断性能比低匹配焊接接头试样的要好。 作为汗估应用，可以将跨焊缝测试结果用于以后章节的评估。 3 ) 拉伸断口的形貌观察 在进行了拉伸实验后，对断口在扫描电镜f 进行了形貌观察。如下图2 - 7 ，2 - 8 所示。 圈2 - 7 为跨焊缝拉伸试样的断口照片，幽2 8 为全焊缝拉伸试样的断1 3 照片。可以 清晰地看出在常温( 1 75 ) 下拉伸断口形貌为韧窝，明显表明其为韧性断裂，说明焊 缝具有一定的韧性管道在经过3 0 多年的使用之后没有发生太大的变化，管道材料和 焊缝还没有发生脆化。在罔2 - ga ) 中可以观察到焊缝的缺陷，初步分析可能为焊缝的央 杂或是气孔，在后面的夏比冲击实验中将详细讨论焊缝缺陷的问题。 a ) 6 5 x 图2 7 跨焊缝拉伸试样 中国石油大学( 华车) i 程硕士学位论盘 n ) 6 5 x 圈2 全焊缝拉伸试样 2 24 冲击性能测试 1 ) 韧脆转变厦断口形貌介绍 韧性- 脆性转变：材料的断裂属于脆性还是延性，不仅取决于材料的内在因素，而 且与廊力状态、温度、加载速率有关。试验表明，大多数塑性的金属材料随温度的下降， 会发生从韧性断裂向脆性断裂过渡的情况，这种断裂类型的转变称为韧性脆性的转变， 所对应的温度称为韧性脆性转变温度。 转变温度的试验评定方法：由于某些金属材料具有韧性一脆性转变特性，斟此，确 定材料的韧一脆转变温度对于预防结构的脆性断裂是十分重要的。材料的韧性一脆性转变 温度试验通常是采用具有缺口的试件在不同温度下测定其韧性值，建立缺口韧性与温度 的关系，次得到韧脆转变温度。目前已发展了多种转变温度试验方法，这里主要包 括冲击试验，爆炸膨胀试验，落锤试验动态撕裂试验，宽半拉伸试验等【”j 。 缺口冲击试样的断口一般可能存在三种不同的区域，纤维区、放射区和剪切唇区， 其相对份额及分布视材料韵塑形而定。通常裂纹源位于缺口根部的终端稍离表面处，对 塑形较好的材料，裂纹沿两侧和深度方向稳定扩展，叶1 央部分较深，构成中部突进式的 纤维状区域，然后失稳扩展而呈放射区。由于试样的无缺口侧受压应力，应力状态变化， 因而可在此侧再次出现二次纤维区。如材料的塑性很好，则材料的塑性区可以完全消失 整个断面上只存在纤维区和两侧及底部蛀后形成的剪切唇。反之，如材料的塑性很差， 则受压侧的塑性变形区很小，二次纤维区消失，甚至观察d ；n 剪r n n ，这时全部断口几 第二章管道螺旋焊缝的力学性能研究 乎为放射区。 由于放射区表征脆性断裂，纤维区及剪切唇区表征韧性断裂。所以在冷脆转变的典 型情况下，几乎可以观察到由1 0 0 纤维区加剪切唇区断口向1 0 0 放射区断v i 的过渡【3 4 1 。 2 ) 冲击试验方法研究 为测量焊缝不同区域的冲击韧性，以及低温韧性。分别对东北管线钢焊缝进行五个 位置七个温度的v 型缺口摆锤夏比冲击试验并观察断口形貌。 由于管材的厚度一般为8 - 9 m m ，所以试样采用5 m m 1 0 m m 5 5 m m 的冲击试样， 缺口位置分为五类：焊缝，熔合线( f l ) ，f l + 2 m m ，f l + 5 m m ，f l + 8 m m 。试样取 样位置如图2 - 9 所示，试样示意图如图2 1 0 所示。 图2 _ 9 冲击试样取样位置示意图 部放大圈 2 2 5 生1 矿 图2 一1 0 冲击试样图纸 ? o 荔 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 用一升的保温壶作为容器，低温利用液氮酒精调配温度，高温利用热水调配温度， 分别在6 0 、- 4 0 、2 0 、o 、1 1 、3 0 以及6 0 。c 七个温度进行夏比冲击试验。 试样在调好温度的保温壶中保温应大于5 m i n ，并随时关注保温壶中温度，在温度发生 变化时及时进行温度补偿，加入适量热水或液氮。同时，夹试样的钳子也要放入保温壶 中使得其与试样温度相同，并在每做完一个试样后放入保温壶中使其温度回复。为了弥 补试样离开保温壶到冲断这个过程中的温度变化，将试样在保温壶中给予一定的过冷 度，具体讲为试验温度为1 5 - - 0 ( 3 ，o 6 0 c ，