1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。【doc】ERW鋼管焊縫未熔合缺陷及其對性能的影響【doc】ERW鋼管焊縫未熔合缺陷及其對性能的影響ERW鋼管焊縫未熔合缺陷及其對性能的影響焊管?第t7卷第2期?1994年3月ERW鋼管焊縫未熔合缺陷及其對性能的影響氣管材嘉一721002)7(中國石油天然氣總公司石油管材研究所陜西寶雞lJ0,)f-)摘要本文利用宏觀和顯微分析手段.對ERW鋼管焊縫常見的三類未熔合缺陷進行了分析,搞清了未熔合缺略的實質.從生產過程入手,論述了未熔合缺陷的產生原囡文中從脆斷和疲勞兩方面論述了未熔合缺陷對ERW管性能的影響.

2、主題詞ERW'e逖使用絲焯毋1未熔臺缺陷的分類,形貌特征與實質未熔合是ERW鋼管的常見缺陷之一,對鋼管的強度和使用性能有很大的影響.按其特征可分為以下三類:(1)完全未熔合即鋼管焊縫整個壁厚均未熔合(圖la);(2)部分未熔合即鋼管焊縫的局部(焊縫壁厚中部或內外表面)的未熔合(圖lb);(3)未完全熔合即焊縫熔合不良,主要是冷焊.完全未熔合和部分未熔合區的宏觀特征一般星黑色或探灰色,微觀形貌為粒狀氧化物,見圖2.冷焊是未完全熔合的一種典型特征,其宏觀特征呈灰色或深灰色,微觀為淺平韌窩,窩內伴有氧化物(圖3),韌窩直徑較小,約為2m,氧化物較小且分散分布于淺平韌窩內.冷焊有時與未熔合共存

3、,這時,未熔合區氧化物呈網片狀(圖4),冷焊區為微小韌窩,并伴有大量的氧化物(圖5).出現未熔合或冷焊時,往往伴隨著不合理的金屬流線分布,如圖6所示.經x射線能譜儀和電子探針分析,未熔合區含有Fe,0等元素,主要為FeO;冷焊區氧化物成分的電子探針分析結果見圖7,可見,冷焊區的氧化物主要為FeO,MnO和SiO等,是在焊接過程中形成的.鋼管在焊接前,帶鋼兩邊對焊表面均需進行機械加工,因此可以排除殘留FeO的可a完主者坼臺b部分未熔合c未完壘熔合(冷焊)囝l三種不同的未熔合形態能性.在焊接過程中,對焊表面接觸的主要介質是乳化液和空氣,即環境中存在足夠的HO和O.當溫度大于57O時,會發生如第l7

4、卷第2期馮耀榮,李鴰林:ERW鋼管焊縫未焙合映陷及其對性能的影響圉2把瞎臺區粒'七物形貌圉3玲焊的微觀形貌圉4接近玲焊的未焙合區形貌圉5接近未焙合區的冷焊區形貌圉6出現未焙旨或冷焊時的焊縫橫向截面金相組織100×F反應;2Fe+O22FeOFe+H2O=FeO+H:而且,在存在水的情況下,形成FeO的速度很快.因此,表面FeO可在焊接加熱過程中很容易地形成如果工藝參數不當或板邊形狀不良時,這種氧化物便會殘留于焊縫中.應當指出的是,在冷焊斷口上,亦有SiOz和MnO等氧化物存在.這是因為鋼中一般均含有一定數量的si,在高溫下可發生如下反應:2(FeO)+Esi3=(SiO)+2

5、EF3反應的結果,生成穩定的SiO.焊管a定點分析b面分析圉7冷捍區氧化物電子探針分析結果同樣,高溫下亦可生成Mn的氧化物MnO,其反應方程式如下:(FeO)+-Mn=(MnO)+I-re另外,亦可形成MnOsiO或(Mn)O-SiO復合氧化物.鋼中殘留Al,cr等元索在高溫下氧化傾向更大,也可產生AIzOs和cr.O氧化物.上述氧化物形成后,在焊接工藝參數不當的情況下,會殘留于焊縫中,造成熔合不良.2未熔合缺陷的產生原因2.1焊接熱輸入量和帶鋼邊緣形狀的影響ERW鋼管是用高頻電流來加熱進行焊接的.焊接時,由于集膚效應和鄰近效應,對焊兩邊表面金屬在很短的時問內被加熱到很高的溫度,在擠壓力的作用

6、下,兩邊金屬鈸焊臺在一起形成焊接接頭.在高頻電阻焊過程中,較高的加熱溫度是兩邊金屬結合以形成良好焊接接頭的先決條件.正常加熱時,焊接熱輸入量充足,帶鋼邊緣被加熱到足夠的溫度,這時不論帶鋼邊緣開狀如何,其整體溫度均較高,塑性變形易于進行,在擠壓力作用下兩邊金屬很容易結合在一起,而且焊縫內部雜質在高溫下有較好的流動性,易于清除.而當焊接熱輸入量不足時,在帶鋼邊緣為如圖8a的情況時,內外表面棱角處的溫度比內部高一些,故內外表面棱角處的金屬首先結合,中問部位溫度較低難以結合,于是極易在中部形成未熔合缺陷.在這種情況下,中部原來的氧化物被密閉在焊縫中,不可能被去除而殘留于焊縫中.量度()跏妊戤綦征沮二一

7、圉8管坯邊緣形狀與溫度分布示意圖管坯邊緣形狀為圖8b的情況時,若焊接熱輸入量不足,外表面棱角處首先被加熱到較高的溫度,越向內表面,溫度越低,這時焊接后形成外表面熔合而其余部分產生未熔合缺陷的情況,同樣,由于溫度太低,鋼板對焊表面原來殘留的或焊接過程中形成的氧化物不能排除.管坯邊緣形狀為圖8c的情況時,第l7卷第2期馮耀粲.李鶴林:ERW鋼管捍縫未熔合缺硝及其對性娩的影響內側棱邊先被加熱首先熔臺,其余部分出現未熔臺.在管坯邊緣形狀為圖8b的情況下,如焊接熱輸入量再大一些,內表面的溫度要比次內表面高一些,故亦會出現內外表面熔合,中部未熔臺的情況,但因外表面溫度高一些,外表面的熔合區要比內表面深一些

8、.如果焊接熱輸入量小到一定程度時,對焊兩邊金屬不能熔臺,會形成完全未熔臺.2.2帶鋼邊緣變形量的影響對出現未熔臺的管子外表面檢查,常可發現焊縫呈內凹形貌及規律性分布的損傷,說明帶鋼邊緣變形量較大.正常焊接后焊縫處金屬變形流動的中心線應與壁厚中心線基本一致即沿板厚中心基本對稱但當管坯對接邊緣呈V型或型而出現未熔臺管子時,焊縫橫向截面的金相分析結果表明,焊縫金屬變形流動中心線與壁厚中心線相差一距離e(囝9),金屬流動中心線向外表面處偏移,偏移量最大達23ram,大部分金屬向內表面處變形流動.這種不臺理的金屬流線的形成,表明在未熔合形成處必然有一由外表面向內表面的彎曲力矩在起作用,這表明在鋼管生產過

9、程中,成型管坯邊緣彎曲變形過大且上壓輥壓力過大,從而使鋼管焊接后在焊縫外表面形成內凹形貌.帶鋼邊緣過大的變形加強了當焊接熱輸入量不足時形成未熔合缺陷的傾向,同理當管坯邊緣彎曲過小或上壓輥壓力不足時亦會產生內部熔合而外部未熔臺的現象.2.3帶鋼月形彎的影響從出現未熔臺管子焊縫外表面焊腳壓痕來看,易發現焊縫扭轉現象,即焊腳一邊在焊縫,而另一邊在距焊縫一定距離處,這與帶鋼的月形彎有很大關系.焊縫扭轉造成焊腳偏移,是引起焊接熱輸入量不是的原因之一,對焊縫未熔臺缺陷的產生有較大的促進作用2.4帶鋼邊級銹蝕的影響帶鋼邊緣生銹,會影響焊腳與管子觸點的導電性,易造成焊接加熱不足,產生各種未熔臺缺陷囝9出現未焙

10、合管焊縫金屬澹緩分布示意圖3未熔舍缺陷對ERW管性能的影響3.1對機械性能的影響完全未熔臺和部分未熔臺由于缺陷部分失去強度,會嚴重影響焊縫的機械性能,未熔合缺陷尺寸越大,其影響便越大,反之亦然.當焊縫存在冷焊時,會降低焊縫強度,尤其是對焊縫的塑韌性下降更為顯著,見表1.3.2對使用性能的影響焊縫存在未熔臺和冷焊缺陷時,一方面使焊縫有效承截面積減小,鋼管焊縫強度降低另一方面,在缺陷處會產生高的應力集中,這種管子若投入使用,有發生管道泄驤或斷裂事故的危險.關于脆性斷裂問題.當焊縫存在未熔臺和冷焊缺陷時,一般均伴隨著不良的顯微組衰I冷焊試樣與正常試樣焊縫性能對比'岫5mAhn項目MPaMPa

11、20一20一40正常樣24.885612578l6猙焊樣5956454965263.68.8121761048拉伸試葶尺寸為標距50.8蛐n.標距內寬38.1蛐n的條狀試樣(經冷展平)沖擊試樣為5×lOx55ram的cVN試樣(套取).焊管織,加之缺陷處的應力集中,困此有可能發生脆性斷裂脆性斷裂是在工作應力達到材料發生脆斷的臨界應力時發生的材料或構件是否發生脆斷,取決于工作應力()與斷裂應力()的相對大小.可按斷裂力學方法進行估算:2,rfK咒1一lPI一H式中:為材料的流變應力;M為鼓脹效應系數;K為管道材料的斷裂韌性;n為缺陷深度.可見,主要與咒和a有關材料的尼越低,n越大,越小

12、,工作應力越易達到,越易發生脆斷.由此可見,在管道焊縫存在部分未熔合和冷焊缺陷的情況下,防止脆斷應從兩方面著手,一是提高材料的斷裂應;二是降低工作應力.提高的途徑有兩方面即提高材料的斷裂韌性和減小缺陷尺寸.在缺陷尺寸一定的情況下,只能用提高斷裂韌性的方法來實現.丘是由材料本身決定的,當構件形狀,尺寸,處理狀態和溫度一定時為一常數.溫度升高,臣增大.根據上述分析,對存在一定缺陷尺寸的焊管,為防止脆斷,只有兩條措施可供選擇,一是提高材料的斷裂韌性(即提高工作溫度);二是降低工作應力(即降壓),直至滿足<.關于疲勞斷裂問題,如果管道焊縫存在未熔合缺陷,在工作應力作用下缺陷會發生疲勞擴展

13、管內介質或多或少帶有一定的腐蝕性,因此,管道實際上面臨的是腐蝕疲勞裂紋擴展問題.腐蝕疲勞與普通疲勞的顯著區別是無明顯疲勞極限,也就產說,它比普通疲勞更易發生疲勞總壽命N,=裂紋萌生壽命r+裂紋擴展壽命,對高周疲勞,裂紋萌生壽命占總壽命的絕大部分一般來說,管道的工作應力遠低于其實際屈服強度,因此,屬于高周疲勞的范疇.若缺陷已存在,那么M0,N,N,會顯著降低存在缺陷管道的疲勞壽命可由下式估算:N,一1f,da式中:為裂紋或缺陷尖端應力強度困子的變化幅,n.為初始裂紋或缺陷深度,n為臨界裂紋或缺陷尺寸為材料常數從上式可見,管道焊縫的初始缺陷尺寸a.和應力強度因子變化幅AK越大,疲勞壽命越低.另外,材料的韌性越低,裂紋擴展速度越大,疲勞壽命越低,反之亦然.困此,在材料性能,缺陷尺寸一定的情況下,為提高疲勞壽命,也只能降低AK即降低工作應力.以上從脆斷和疲勞兩方面簡要分析了未熔合缺陷對管道使用的影響.在管道焊縫存在一定尺寸的部分未熔合和冷焊的情況下,為防止脆斷,提高管道的疲勞壽命,應適當降低工作應力,或適當提高工作溫度,或二者并舉.4結論綜上所述,未熔合缺陷,應當作為當前影響ERW管產品質量主要問題來