凸台焊接对HFW焊管性能的影响

为解决阀门、仪表和法兰等安装过程中凸台焊机位置不当对HFW焊管整体性能影响的问题，研究了凸台直接焊接对HFW焊管原始残余应力、微观组织的影响。研究表明，HFW电阻焊管上整体残余应力值较小，直焊缝区域残余应力值低于管体区域；凸台焊接后，交叉焊缝附近直焊缝上的轴向和管体上环向残余应力值陡增了2.5和3.8倍，分别为444 MPa和433 MPa；凸台焊接对HFW焊管上表面的侵入宽度为15.167 mm，厚度为3.376 mm，侵入区域出现了链状贝氏体。综上所述，建议在凸台焊接时采用较小的焊接热输入。

站场与阀室是石油天然气储存与运输过程中必不可少的组成部分。为了满足阀门、仪表和法兰等的安装需要，站场和阀室设计中经常会遇到在主管上开孔，焊接凸台（支管座）连接支管的情况。凸台开孔位置一般应与主汇管本身的纵焊缝或螺旋焊缝错开100 mm[6]。但在实际操作中，由于HFW电阻焊管焊缝肉眼难以辨别，部分凸台安装位置距离HFW焊缝很近甚至重合。

当凸台安装焊缝和HFW直焊缝形成交叉焊缝，焊缝相交处附近复杂的残余应力分布和多道次焊接热循环后管体与焊缝热影响区组织的转变都会影响焊管的整体性能[7-9]。本研究采用小孔检测方法，针对西气东输二线站场/阀室中常用的HFW电阻焊管，研究了凸台焊接在HFW焊管直焊缝上对管道原始残余应力的影响、分析了凸台焊接对管体和热影响区组织的影响，研究结果对正确设计、指导施工现场进行凸台焊接具有一定的理论指导作用。

1试验材料与试验方法

1.1试验材料

目前，西气东输一线、二线站场/阀室内主管道常用HFW电阻焊管的钢级为L415MB，规格Φ406.4 mm×12.5 mm。试验用焊管取自宝钢生产的同钢级、同规格HFW电阻焊管，其化学成分见表1，材料的拉伸和冲击性能见表2。试验用凸台选用工作压力12 MPa、材料A350 LF2、规格DN400 mm×25 mm的焊接式凸台。

1.2试验方法

在HFW电阻焊管直焊缝位置通过热切割开Φ25 mm的小孔。根据西气东输二线站场/阀室焊接工艺规程，采用钨极氩弧焊（GTAW）打底、焊条电弧焊（SMAW）填充盖面的焊接方法焊接凸台，具体的焊接工艺见表3。

采用CM-1L-32型静态电阻应变仪和BE120-2CA-K型应变花测量了凸台焊接前后HFW焊管的残余应力变化。测试过程中，结合管道的具体尺寸，对盲孔位置进行了较合理的安排，保证各测点之间间距在12 mm以上。利用OLS 4100激光共聚焦显微镜和MEF4M金相显微镜及图像分析系统观察热切割和多道次焊接对HFW焊管母材和焊缝组织的影响。

2试验结果

2.1凸台焊接对HFW焊管残余应力的影响

HFW电阻焊管原始残余应力分布如图1所示。由图1可知，在HFW电阻焊管上，轴向残余应力高于环向残余应力，轴向和环向最大值为203 MPa和152 MPa。HFW电阻焊管直焊缝区域不存在应力集中。直焊缝上最大轴向、环向残余应力峰值分别为178 MPa、114 MPa，远低于材料的屈服强度，分别为焊管母材屈服应力的34%和22%。对比HFW焊管直焊缝上和距离直焊缝100 mm处残余应力的大小，如图1（a）所示。距离直焊缝100 mm区域的轴向和环向残余应力值都稍大于直焊缝上的残余应力值，其中最大轴向残余应力差值为47 MPa，最大环向应力差值为45 MPa。由图1（b）可知，残余应力在距离直焊缝不同距离的分布较为均匀，整体规律仍然为轴向残余应力值高于环向残余应力，两者的差异在距离焊缝45~55 mm之间较小，但是随着距离的继续增加，两者差异则增大。

凸台焊接改变了HFW焊管上残余应力的原始分布，如图2所示。图2（a）中，凸台焊接后凸台附近HFW焊管直焊缝上的残余应力值陡升，轴向残余应力的增加幅度远大于环向残余应力。轴向残余应力和环向残余应力的幅值分别为444 MPa和201 MPa，约为母材屈服强度的84%和38%，相对于HFW电阻焊管原始状态峰值分布增加了2.5和1.4倍。图2（b）中，随着距凸台距离的增加，残余应力值的增大幅度逐渐减小。直焊缝上应力集中的范围约为92 mm。同HFW直焊缝上的变化规律一致，凸台焊接后凸台边缘管体残余应力值也迅速上升。但在焊管管体环向残余应力的增加幅度远远大于轴向残余应力。轴向残余应力和环向残余应力的幅值分别为256 MPa和433 MPa，约为母材屈服强度的48%和82%，相对于HFW电阻焊管原始状态峰值分布增加了1.4和3.8倍，焊管管体环向应力集中的范围约为51 mm。

2.2凸台焊接对HFW焊管微观组织影响

HFW电阻焊管的管体组织为多边形铁素体、珠光体和少量粒状贝氏体的混合物（PF+P+B粒），晶粒度为10.6级，如图3（a）所示。HFW焊管直焊缝组织为多边形铁素体和少量珠光体的混合物（PF+P），晶粒度为10级，如图3（b）所示。

凸台焊接后侵入HFW焊管上表面的宽度为15.167 mm，厚度为3.376 mm，约占壁厚总厚度的27%。凸台焊接后，侵入区域原始的管体和直焊缝组织消失，组织主要转变为以下三种类型：少量的堆焊层焊缝组织、粗大的热影响区组织和细晶区组织，具体如图4所示。

堆焊的焊缝组织为直接在母材金属上形核长大的粗大柱状晶，先共析白色铁素体沿着细长柱状晶晶界勾勒出晶粒形态，晶粒内为细小的针状铁素体组织，如图4（a）所示。在HFW焊管管体和直焊缝的粗晶组织分别为粗大的粒状贝氏体（如图4（b）所示）、少量多边形铁素体和粗大粒状贝氏体的混合物（如图4（c）所示）。粒状贝氏体晶界处断续分布的块状M-A连接成线，出现链状结构。在HFW焊管管体和直焊缝的细晶区组织基本一致，为多边形铁素体PF、准多边形铁素体QF和晶界处少量珠光体的混合物，如图4（d）所示。

2.3结果分析

HFW焊管制管焊接完成后，通过在线热处理改善直焊缝和热影响区的组织和性能，这导致直焊缝及其附近区域的残余应力值低于管体，HFW焊管直焊缝区域不存在常规焊缝的应力集中现象。但是当凸台直接在直焊缝附近开孔焊接后，交叉焊缝附近直焊缝的轴向残余应力和管体环向残余应力分别陡增了2.5和3.8倍。即在实际运行过程中，凸台焊接后交叉焊缝附近93 mm区域内直焊缝在承受内压的同时，还承受轴向、环向的拉应力，这对于管道的实际运行安全极为不利。

HFW焊管原始组织均匀细小，管体和焊缝冲击韧性高。凸台焊接热循环后，在厚度为3.376 mm区域出现的三种组织类型，除了细晶区显微硬度平均值同母材一致，为180HV1外，其他组织硬度值皆高于HFW焊管直焊缝的203HV1。HFW管体和直焊缝区域出现的粗晶区组织的粒状贝氏体原始奥氏体晶粒大小基本一致，但M-A的形态、数量和大小不同。粗晶区粒状贝氏体晶粒晶界处的链状M-A岛极易形成裂纹源和裂纹扩展通道，对韧性特别是低温韧性影响较大。因此，建议在凸台焊接时采用较小的焊接热输入，增加焊接冷却速度，该措施可避免在HFW焊管侵入区域链状组织的生成。

3结论

（1）HFW电阻焊管上整体残余应力值较小，轴向和环向残余应力最大值分别为203 MPa和152 MPa。直焊缝及其附近区域的残余应力值低于管体区域。

（2）凸台焊接后，交叉焊缝附近直焊缝轴向和管体环向残余应力陡增了2.5和3.8倍，分别为444 MPa和433 MPa。

（3）凸台焊接后，HFW焊管上表面的侵入宽度为15.167 mm，厚度为3.376 mm。侵入区显微硬度高于原始管体，粗晶区出现链状贝氏体组织，建议焊接时采用较小的焊接热输入。