X80管道环焊缝强度的仪器化压痕测试应用.pdf

损伤失效与新材料86X80 管道环焊缝强度的仪器化压痕测试应用孙永辉 周天宇 刘 凯 柳 旺 尤景泽 王汉奎（中国特种设备检测研究院 北京 100029）摘 要：对接环焊缝的强度在高钢级管线中起重要作用。本文利用仪器化压痕法、常规拉伸试验法和维氏硬度法对 X80 的环焊缝、热影响区以及母材的材料性能进行测试，并比较仪器化压痕法和常规拉伸试验方法获得的强度结果。测试结果表明，仪器化压痕法可以给出对接环焊缝的屈服强度、抗拉强度，仪器化压痕法可以正确反映管线的焊缝与母材的匹配关系，还可以获得焊缝热影响区等更加精细的强度分布。通过对环焊缝进行常规拉伸与仪器化压痕法测得的强度对比发现，上游母材、焊缝中心及下游母材的屈服强度误差分别为 6、6.5、7.5，抗拉强度误差分别为 16、5.5、3。仪器化压痕法测得屈服强度基本低于常规拉伸的屈服强度，测得抗拉强度高于常规拉伸的抗拉强度。但仪器化压痕法测试结果与常规拉伸试验结果的规律一致，即母材强度大于环焊缝中心强度且上游母材强度低于下游母材。关键词：高钢级管线 对接环焊缝 匹配关系 仪器化压痕法Instrumented Indentation Test Application of X80 Pipe Girth Weld StrengthSun Yonghui Zhou Tianyu Liu Kai Liu Wang You Jingze Wang Hankui(China Special Equipment Inspection&Research Institute Beijing 100029)Abstract The strength of butt girth weld plays an important role in high steel pipeline.In this paper,the material properties of X80 girth weld,heat affected zone and base metal were tested by instrumented indentation method,conventional tensile test method and Vickers hardness method,and the strength results obtained by instrumented indentation method and conventional tensile test method were compared.The test results show that the instrumented indentation method can give the yield strength and tensile strength of the butt girth weld,and the instrumented indentation method can correctly reflect the matching relationship between the weld and the base material of the pipeline,and can also obtain the more refined strength distribution of the weld heat affected zone.The yield strength errors of the upstream base metal,the weld center and the downstream base metal were 6%,6.5%and 7.5%,and the tensile strength errors were 16%,5.5%and 3%,respectively.The yield strength measured by instrumented indentation method is basically lower than that of conventional tensile,and the tensile strength measured by instrumented indentation method is higher than that of conventional tensile.However,the instrumented indentation test results are consistent with the conventional tensile test results,that is,the base metal strength is greater than the girth weld center strength and the upstream base metal strength is lower than the downstream base metal strength.Keywords High steel pipeline Butt girth weld Matching relation Instrumented indentation method中图分类号：X924.2 文献标志码：B文章编号：1673-257X(2023)S2-0086-04 DOI:10.3969/j.issn.1673-257X.2023.S2.017作者简介：孙永辉（1986 )，男，本科，工程师，从事金属材料常规力学测试评价、材料微损测试评价、新能源材料测试评价工作。通讯作者：王汉奎，E-mail:。（收稿日期：2022-11-08）天然气管线用于天然气的长距离、大量输送，是国家能源的主要输送干道。长输管线的安全运行对于经济社会发展有重要意义。长输管线是由一系列平均长度约 12 m 的螺旋焊管或直缝焊管通过对接环焊缝连第 39 卷 增刊 2 损伤失效与新材料87接而成，对接环焊缝的安全性直接影响整条长输管线的安全运行。长输管线的大多数对接环焊缝是由现场施工完成。管线施工现场环境差、劳动强度高，现场受多种约束条件限制，环焊缝焊接质量分散性大。尽管可以采用机器自动焊接的方式取代部分人工劳动，但弯管、爬坡等位置不便于焊接机器人开展作业，依然存在大量的手工焊口，为环焊口的焊接质量引入一定的不确定性。环焊缝的屈服强度直接影响管线的安全性。埋地管线长期埋藏于地下，管线易受到山体滑坡、地震、泥石流等地质灾害的影响，使得管线在承受内压的同时承受额外的轴向载荷。轴向载荷也导致管线环焊缝事故频发，为此美国管线与危险化学品管理局PHSMA 和加拿大能源局 CRA 针对管线环焊缝多次发布安全警示。环焊缝的安全性控制，除控制焊接质量，保证环焊缝无未熔合、未焊透等缺陷，尽量避免含有夹渣、气孔等缺陷。环焊缝的强度，特别是与母材的匹配关系也是影响管线安全的重要因素。若环焊缝屈服强度低于母材，会导致环焊缝变形时，过量塑性应变在环焊缝内集中，进而导致焊缝破坏。环焊缝的屈服强度检测一直是管线检测中的一个技术难点。通常的屈服强度测试为破坏性试验，需要将环焊缝加工成标准的拉伸试样，再由拉伸试验机测试完成，这种测试方法测量准确，但是对环焊缝为破坏性试验，不适用于已经服役的环焊缝强度检测。仪器化压痕法是新发展出来的一种微损测试方法，其测试原理类似于硬度测试，将一定形状的压头压入待测金属表面，获得压力-位移曲线，通过对压力-位移曲线进行解算获得材料强度信息。仪器化压痕法对试样的表面损伤小，无须取样即可获得材料的强度信息，应用于高钢级管线环焊缝的测试具有天然的优势。本文以来自于真实的 X80 管线开挖取样的环焊缝为研究对象，开展了常规的拉伸试验、仪器化压痕试验和阵列硬度试验，并将测试结果进行对比分析。1 常规拉伸测试依据标准，将环焊缝上、下游母材制成直径 10 mm 棒状拉伸试样，焊缝材料制成直径 5 mm 全焊缝棒状拉伸试样，所有试样均取自 3 点位置，为环向取样。试验用设备为 1 台 250 kN 的 Zwick Z250 型万能试验机，试验依据 GB/T 228.12021金属材料 拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法进行，拉伸应变速率保持 0.000 25/s 全程不变速，拉伸应变测试结果见表1，拉伸曲线如图1所示。常规拉抻试验结果表明，焊缝的抗拉强度小于等于母材的屈服强度，焊缝为弱匹配；上游母材强度低于下游母材强度。表 1 母材与焊缝金属拉伸试验结果试样类型试样尺寸 d/mm屈服强度/MPa抗拉强度/MPa焊缝金属5652694焊缝金属5631684平均值642689上游母材10685764上游母材10690754上游母材10691751平均值689756下游母材10797867下游母材10820896下游母材10803873平均值807879图 1 母材与焊缝金属材料拉伸曲线?MPa?%10002003004005008009001 0007006002684121014181620220?A?1?A?2?A?3?B?1?B?2?B?3?QHF?1?QHF?22 仪器化压痕法测试本次测试选的试验仪器为韩国 FRONTICS 公司的AIS3000 Compact便携式仪器化压痕测试仪，见图2。图 3 所示对取自 X80 管线钢环焊缝的全厚度板条环焊缝截面进行仪器化压痕法强度测试，测试位置示意如图 4 所示，测得各位置强度结果见表 2。图 5 所示对 X80 管线钢环焊缝外表面进行仪器化压痕法强度测试，测试位置示意如图 6 所示，测得各位置强度结果见表 3。试验依据 GB/T 396352020金属材料 仪器化压入法测定压痕拉伸性能和残余应力进行，最大压痕深度为 150 m。基于压痕测试的特点，可以对焊接区域的焊缝中心、热影响区及熔合线部分进行分区测损伤失效与新材料88试，结果表明，母材、熔合线区域的强度大于焊缝中心强度，焊缝中心强度大于热影响区强度；上游母材强度小于下游母材强度；焊缝中心位置的打底焊的强度最低，其次是盖面焊。图 7 为常规拉伸测试与仪器化压痕法强度测试折线对比图，对比 2 种试验方法得到的结果存在一定的差异，通过对环焊缝进行常规拉伸与仪器化压痕法测得的强度对比发现，上游母材、焊缝中心及下游母材的屈服强度误差分别为 6、6.5、7.5，抗拉强度误差分别为 16、5.5、3。仪器化压痕法测得屈服强度基本低于常规拉伸的屈服强度，测得抗拉强度高于常规拉伸的抗拉强度；但仪器化压痕法测试结果与常规拉伸试验结果的规律一致，即母材强度大于环焊缝中心强度且上游母材强度低于下游母材。且仪器化压痕法的优势是可以在现场不破坏原管道的情况下，对管线钢表面每隔 2.5 3 mm 间隔进行压痕测试，从而获取母材、热影响区及环焊缝中心的材料强度，从而判断其环焊缝的强匹配或弱匹配关系。图 2 便携式仪器化压痕测试仪图 3 仪器化压痕测试样品（环焊缝截面）图 4 仪器化压痕测试位置示意图（环焊缝截面）?14?屈服强度/MPa上游母材上游热影响区焊缝下游热影响区下游母材684.8561.4578.7（近盖面）591.9694.4643.7634.7580.6637.6608.2715.1613.3676.3557.5594.4593.3766.9633.1686.6589.0527.4（打底焊）626.0750.9平均值670.6572.1604.0604.9731.8抗拉强度/MPa上游母材上游热影响区焊缝下游热影响区下游母材815.9723.2726.3（近盖面）766.1920.7793.3848.2757.5785.2784.4965.8743.2848.9717.7760.8770.9945.1780.6844.4758.6656.7（打底焊）800.7957.8平均值839.4739.3749.4780.5947.4表 2 仪器化压痕测得强度结果（环焊缝截面）图 5 仪器化压痕测试样品（环焊缝外表面）图 6 仪器化压痕测试位置示意图（环焊缝外表面）?屈服强度/MPa上游母材上游热影响区焊缝下游热影响区下游母材735.5683.6649.8596.0750.2571.1725.2637.3577.6583.3743.9平均值730.35660.5599.5589.7747.1抗拉强度/MPa上游母材上游热影响区焊缝下游热影响区下游母材883.2776.7806681.4910.7693.8871.7819.5681.1705.7899.5平均值877.5798.1727.0693.6905.1表 3 仪器化压痕测得强度结果（环焊缝外表面）第 39 卷 增刊 2 损伤失效与新材料89图 7 常规拉伸测试与仪器化压痕强度测试折线对比图MPa?550600650700850900950800750?3 维氏硬度测试测试样品见图 8，取自 X80 管线钢环焊缝的全厚度样块，测试位置为环焊缝截面，试验设备为一台 NEMESIS 9103 型万能硬度计，试验依据 GB/T 4340.12009金属材料 维氏硬度试验 第 1 部分：试验方法进行。焊缝金属最大硬度为 290，最小硬度为 219，焊缝金属硬度低于母材硬度，测试结果见表4。在焊缝内部，材料硬度也呈现出明显的分层特征，打底焊位置的硬度小于焊缝内部其他位置。下游母材硬度大于上游母材硬度，母材硬度高于焊缝区域硬度。通常认为材料硬度与材料强度有一一对应关系，间接证实了焊缝为弱匹配关系和焊缝内不同硬度区域所对应的材料强度也有差异。图 8 硬度测试样品4 结论1）高钢级管道环焊缝根焊和填充焊采用不同的焊材和焊接工艺方法，以及焊接工艺参数的波动造成焊缝不同微区的性能差异较大，仪器化压痕法可以较好地揭示高钢级管道环焊缝的微区性能。2）X80 钢级环焊缝的焊缝金属硬度主要分布在219 265 之间，影响区硬度主要分布在 230 290之间，母材硬度主要分布在 250 307 之间，从焊缝金属、热影响区、母材的硬度值逐渐增大。常规拉伸试验结果及仪器化压痕法测得的结果特征一致，焊缝金属强度低于母材强度，上游母材强度低于下游母材强度；且仪器化压痕法测得热影响区及熔合线区域的强度相比焊缝金属的强度基本一致。3）仪器化压痕法测试结果表明在管线环焊缝内部，不同位置的屈服强度、抗拉强度不同，但整体焊缝金属强度低于母材。焊缝金属的低强匹配必将影响管道整体受载变形过程中的局部应力应变分布，仪器化压痕法可在高钢级管道环焊缝断裂行为研究中发挥重要作用。参考文献1 宋明,王汉奎,刘昕宇,等.高钢级油气管道环焊缝断裂问题研究 J.化工机械,2022,49(02):350-355.2 何小东,高雄雄,David Han,等.不同强度匹配的 X80 钢环焊接头力学性能及变形能力 J.油气储运,2022,41(01):63-69+98.（下转第 92 页）表 4 硬度测试结果硬度值（HV10）测点 1 测点 2 测点 3 测点 4 测点 5 测点 6 测点 7 测点 8 测点 9测点10测点11测点12测点13测点14测点15测点16测点17测点18测点19测点20测点21测点22测点23第 1 行270276273266255252279261265264255261264256246256290244259253265271274第 2 行270269262260250260236275259259264247253253254255251248250258270278274第 3 行272273266259256257238248262256227252257262259246272250262265275283279第 4 行260261259257250252240252232225257219225222233232253271265272277287289第 5 行262261257254253250244223234230233231236229226232250281261285280307297第 6 行256268252254250252267247231243237239239235241246232258268275275280305第 7 行255257257254253251262231245250230228230257258247254265268274279282279第 8 行259256254253252252257247232248259259255255248239271265272276283276280第 9 行258262253255257254256236269243225232241232227248271263275285292293292第 10 行270265264262262254253258235282253248238242247236271260279286295296303第 11 行277278274273274262260274230238234229224266234248268266282285289295297注：母材 热影响区 焊缝损伤失效与新材料92在相同工况下，刷隔热胶比刷一般防锈漆可使表面温度降低 10 左右4。4.2 埋地管道腐蚀防护措施1）做好管道涂层的防护。经过多年使用，现有防腐层已经基本失效，站内埋地管道长度较短，应在条件具备时对埋地管道进行整体开挖，采用综合性能较好的复合涂层如二层聚乙烯与三层聚乙烯等对管道防腐层进行总体修复。开挖时应根据现场实际检测情况，对重度腐蚀的管段进行更换。2）对埋地管道段设置阴极保护。阴极保护是指通过外加电流将电解质中的管道金属表面极化成为阴极，从而避免金属被腐蚀。阴极保护主要分为牺牲阳极法和外加电流法。牺牲阳极法是将负电位技术和被保护金属直接相连，在电解质溶液中构成原电池，负电位金属为阳极，输出时被损耗，被保护金属为阴极，输出时避免被腐蚀。牺牲阳极法的防腐效果好且投资少，在液化石油气、输油输气管道防腐保护中应用广泛。外加电流法指以地床为阳极，管道为阴极，接通电流后将管道极化，当管道对地的电位为最小保护电位时，则得到阴极保护。地床作为阳极和直流电源的正极直接相连，从而形成导电体，主要使用的为高硅铁、石墨与碳钢等。在管道上安装阴极保护系统后对杂散电流具有抑制作用，可降低杂散电流对管道的干扰影响。5 结束语目前，国内对高原复杂条件下使用的管道已开展了部分研究，但研究重点在冻土下敷设的埋地管道5，缺乏对民生和工业管道的安全技术探讨。而随着社会发展，对能源的需求日益增加，液化石油气站的普及率稳步上升，其防腐与防护工作不仅影响使用寿命与节能减耗，更关系周边群众的民生与生命财产安全，其重要性不容忽视。为了保障高原液化石油气管道的安全，从高原特殊环境的特点出发，结合液化石油气管道的腐蚀原理进行在用管道的腐蚀现状调查，对腐蚀产生的原因进行了分析，并针对分析结果提出相应的防护措施。在今后的工作中应进一步结合其使用条件及环境特征对管道腐蚀的宏观表现和微观原理进行具体分析，结合研究成果制定出更合适的防腐方式、防腐技术和防腐措施，真正做到本质安全，保雪域高原一方平安。参考文献1 萧以德,王光雍,李晓刚,等.我国西部地区大气环境腐蚀性及材料腐蚀特征 J.中国腐蚀与防护学报,2003,23(04):248-255.2 刘必强.液化石油气管道防腐保护工作的探讨 J.中国新技术新产品,2015(12):79.3 赵改青,牛耀玉,陶振春.输送流体管道的沥青防腐层寿命、破坏原因及其危害 J.全面腐蚀控制,2005,19(01):40-41.4 董海洋.原稳轻烃储罐上应用凉凉隔热胶 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