1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善?！綿oc】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(jìn)行了分析,搞清了未熔合缺略的實質(zhì).從生產(chǎn)過程入手,論述了未熔合缺陷的產(chǎn)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(zhì)未熔合是ERW鋼管的常見缺陷之一,對鋼管的強(qiáng)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(nèi)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(qū)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(nèi)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(nèi).冷焊有時與未熔合共存

3、,這時,未熔合區(qū)氧化物呈網(wǎng)片狀(圖4),冷焊區(qū)為微小韌窩,并伴有大量的氧化物(圖5).出現(xiàn)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(jīng)x射線能譜儀和電子探針分析,未熔合區(qū)含有Fe,0等元素,主要為FeO;冷焊區(qū)氧化物成分的電子探針分析結(jié)果見圖7,可見,冷焊區(qū)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(jìn)行機(jī)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(tài)能性.在焊接過程中,對焊表面接觸的主要介質(zhì)是乳化液和空氣,即環(huán)境中存在足夠的HO和O.當(dāng)溫度大于57O時,會發(fā)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(qū)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(qū)形貌圉5接近未焙合區(qū)的冷焊區(qū)形貌圉6出現(xiàn)未焙旨或冷焊時的焊縫橫向截面金相組織100×F反應(yīng);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(shù)不當(dāng)或板邊形狀不良時,這種氧化物便會殘留于焊縫中.應(yīng)當(dāng)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(shù)量的si,在高溫下可發(fā)生如下反應(yīng):2(FeO)+Esi3=(SiO)+2

5、EF3反應(yīng)的結(jié)果,生成穩(wěn)定的SiO.焊管a定點分析b面分析圉7冷捍區(qū)氧化物電子探針分析結(jié)果同樣,高溫下亦可生成Mn的氧化物MnO,其反應(yīng)方程式如下:(FeO)+-Mn=(MnO)+I-re另外,亦可形成MnOsiO或(Mn)O-SiO復(fù)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(chǎn)生AIzOs和cr.O氧化物.上述氧化物形成后,在焊接工藝參數(shù)不當(dāng)?shù)那闆r下,會殘留于焊縫中,造成熔合不良.2未熔合缺陷的產(chǎn)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(jìn)行焊接的.焊接時,由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng),對焊兩邊表面金屬在很短的時問內(nèi)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(jié)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(jìn)行,在擠壓力作用下兩邊金屬很容易結(jié)合在一起,而且焊縫內(nèi)部雜質(zhì)在高溫下有較好的流動性,易于清除.而當(dāng)焊接熱輸入量不足時,在帶鋼邊緣為如圖8a的情況時,內(nèi)外表面棱角處的溫度比內(nèi)部高一些,故內(nèi)外表面棱角處的金屬首先結(jié)合,中問部位溫度較低難以結(jié)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(nèi)表面,溫度越低,這時焊接后形成外表面熔合而其余部分產(chǎn)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(nèi)側(cè)棱邊先被加熱首先熔臺,其余部分出現(xiàn)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(nèi)表面的溫度要比次內(nèi)表面高一些,故亦會出現(xiàn)內(nèi)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(qū)要比內(nèi)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(xiàn)未熔臺的管子外表面檢查,?？砂l(fā)現(xiàn)焊縫呈內(nèi)凹形貌及規(guī)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(yīng)與壁厚中心線基本一致即沿板厚中心基本對稱但當(dāng)管坯對接邊緣呈V型或型而出現(xiàn)未熔臺管子時,焊縫橫向截面的金相分析結(jié)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(dá)23ram,大部分金屬向內(nèi)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(nèi)表面的彎曲力矩在起作用,這表明在鋼管生產(chǎn)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(nèi)凹形貌.帶鋼邊緣過大的變形加強(qiáng)了當(dāng)焊接熱輸入量不足時形成未熔合缺陷的傾向,同理當(dāng)管坯邊緣彎曲過小或上壓輥壓力不足時亦會產(chǎn)生內(nèi)部熔合而外部未熔臺的現(xiàn)象.2.3帶鋼月形彎的影響從出現(xiàn)未熔臺管子焊縫外表面焊腳壓痕來看,易發(fā)現(xiàn)焊縫扭轉(zhuǎn)現(xiàn)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(guān)系.焊縫扭轉(zhuǎn)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(chǎn)生有較大的促進(jìn)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(dǎo)電性,易造成焊接加熱不足,產(chǎn)生各種未熔臺缺陷囝9出現(xiàn)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(jī)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(qiáng)度,會嚴(yán)重影響焊縫的機(jī)械性能,未熔合缺陷尺寸越大,其影響便越大,反之亦然.當(dāng)焊縫存在冷焊時,會降低焊縫強(qiáng)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(qiáng)度降低另一方面,在缺陷處會產(chǎn)生高的應(yīng)力集中,這種管子若投入使用,有發(fā)生管道泄驤或斷裂事故的危險.關(guān)于脆性斷裂問題.當(dāng)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(biāo)距50.8蛐n.標(biāo)距內(nèi)寬38.1蛐n的條狀試樣(經(jīng)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(yīng)力集中,困此有可能發(fā)生脆性斷裂脆性斷裂是在工作應(yīng)力達(dá)到材料發(fā)生脆斷的臨界應(yīng)力時發(fā)生的材料或構(gòu)件是否發(fā)生脆斷,取決于工作應(yīng)力()與斷裂應(yīng)力()的相對大小.可按斷裂力學(xué)方法進(jìn)行估算:2,rfK咒1一lPI一H式中:為材料的流變應(yīng)力;M為鼓脹效應(yīng)系數(shù);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(guān)材料的尼越低,n越大,越小

12、,工作應(yīng)力越易達(dá)到,越易發(fā)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(yīng)從兩方面著手,一是提高材料的斷裂應(yīng);二是降低工作應(yīng)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(xiàn).丘是由材料本身決定的,當(dāng)構(gòu)件形狀,尺寸,處理狀態(tài)和溫度一定時為一常數(shù).溫度升高,臣增大.根據(jù)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(yīng)力(即降壓),直至滿足<.關(guān)于疲勞斷裂問題,如果管道焊縫存在未熔合缺陷,在工作應(yīng)力作用下缺陷會發(fā)生疲勞擴(kuò)展

13、管內(nèi)介質(zhì)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(kuò)展問題.腐蝕疲勞與普通疲勞的顯著區(qū)別是無明顯疲勞極限,也就產(chǎn)說,它比普通疲勞更易發(fā)生疲勞總壽命N,=裂紋萌生壽命r+裂紋擴(kuò)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(yīng)力遠(yuǎn)低于其實際屈服強(qiáng)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(yīng)力強(qiáng)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(shù)從上式可見,管道焊縫的初始缺陷尺寸a.和應(yīng)力強(qiáng)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(kuò)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(yīng)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(yīng)適當(dāng)降低工作應(yīng)力,或適當(dāng)提高工作溫度,或二者并舉.4結(jié)論綜上所述,未熔合缺陷,應(yīng)當(dāng)作為當(dāng)前影響ERW管產(chǎn)品質(zhì)量主要問題來