凸台焊接对不锈钢焊管性能影响的模拟研究

为了满足阀门、仪表和法兰等的安装需要，站场/阎室焊接工程中经常会遇到在主管道上开孔、焊接凸台（支管座）连接支管的情况。利用热电偶和测温仪，实时记录了凸台焊接时不锈钢焊管外表面的焊接热循环。利用Gleeble3500热-力学模拟试验机，通过物理模拟方法研究凸台焊接对不锈钢焊管管体和直焊缝拉伸、冲击性能的影响规律。试验结果表明：凸台焊接时焊缝附近不锈钢焊管外表面距离角焊缝0.89mm，3.01mm处峰值温度分别高达1372℃和1004℃。不锈钢焊管管体和直焊缝模拟粗晶区和细晶区的抗拉强度高于不锈钢焊管直焊缝，冲击韧性高子不锈钢焊管管体。

高频电阻焊（high-requencyelectricwelding，HFW）管由于生产效率和尺寸精度高、易于防腐涂覆等优点广泛应用于西气东输二线站场/阀室的管道建设中。为了满足阀门、仪表和法兰等的安装需要，站场/阀室建设工程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。在实际操作中，由于HFW高频电阻焊管焊缝肉眼难以辨别，部分凸台安装位置距离焊管焊缝很近甚至重合，存在安全隐患。

物理模拟技术通过对小型金属试样在不同受热受力条件下变形（或变态）行为的模拟实验，为金属材料的物理冶金研究及科研开发提供既揭示微观机理，又指导实际工艺的分析资料。本文以站场/阀室高频电阻焊管上的凸台焊接为研究对象，根据焊接时实时测量的热循环曲线，利用Gleeble3500热-力学模拟试验机，通过物理模拟方法研究凸台焊接对不锈钢焊管管体和直焊缝拉伸、冲击性能的影响规律。

1试验材料与试验方法

1.1试验材料

试验用钢管选用西气东输二线站场/阀室中常用的HFW高频电阻焊管，钢级1415MB、规格406.4mmx12.5mm，化学成分见表1。表1中同时列出计算所得的CEnw、C和P值。材料的拉伸和冲击性能见表2。凸台选用工作压力为12MPa、材料A350LF2，规格DN400mmx25mm的焊接式凸台。

1.2试验方法

利用热切割的方法在HFW高频电阻焊管焊缝中心开直径为025mm的小孔。根据西气东输二线管道规程站场/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，具体的焊接工艺参数见表3。

利用储能焊机将K型热电偶固定在焊管表面距离凸台角焊缝0.89mm和3.01mm位置（焊接后实测位置）。测试设备采用日本基恩士TR-THO8高精度温度/电压测量仪，可同步查看和记录不同位置的温度变化情况，如图1所示。

制备HW高频电阻焊管管体和纵焊缝的6mmx71mm、10.5mmx10.5mmx71mm的热模拟试样。利用Gleeble3500热-力学模拟试验机，如图2所示。将前文测得的焊接热循环曲线温度加载在制备的热模拟试样上。热模拟试验后将试样加工成标准的拉伸试样和冲击试样。

2试验结果和分析

凸台焊接总共为四道次，第一道次为打底焊接、第二、三道次为填充焊接，第四道次为盖面焊接。图3为凸台焊接时距离角焊缝0.89mm3.01m（焊接结束后实测距离）处热电偶测得的热循环曲线。凸台打底焊接采用的是钨极氩弧焊接，通过对距离角焊缝0.89mm处的焊接热循环曲线分析可知，第一道次焊接的加热阶段可以分为三个阶段：0~600℃，加热速度为150℃/s；600-850℃的加热速度增加为256℃；850~915℃则加热速度降为50℃/s。热循环峰值温度达到了915℃后缓慢冷却，从915℃降低到800，700，650和400℃的冷却速度依次为82、52.32和23C/s，凸台填充和盖面焊接采用焊条电弧焊。三道次的平均加热速度依次为：59278和414℃/s，峰值温度则依次为：586、1355和1372℃。在盖面焊接时，测点在1372℃的停留时间约为2s。测点在高温的停留时间（1000℃）依次为9.2和6s焊接后800℃到500℃的停留时间依次为：10.9，8.5s通过上述统计可知，随着焊接道次的增加，凸台角焊缝附近区域的加热速度、峰值温度、高温停留时间以及冷却速度都逐渐增加。在每个道次的焊接中，加热速度在焊接温度快速达到高温后（1000C）、峰值温度前，存在快速降低的情况，而焊后冷却速度则随着温度的降低而逐渐小。距离凸台角焊缝3.01mm处的焊接热循环的规律同上述一致，峰值温度在最后焊接道次也达到了约1004℃。

不锈钢焊管管体和直焊缝横向拉伸试样经过图3所示峰值温度高达1372℃和1004℃的焊接热循环后，测得的拉伸试验结果如图4所示。由图4可知，不锈钢焊管直焊缝的抗拉强度最低，为524.5MPa，约为HFW管体的88%。通过凸台焊接的热模拟试验后，HFW管体粗晶区（1372℃）和细晶区（1004℃）的抗拉强度相对于管体降低，其中细晶区抗拉强度降低为535MPa，约为HFW管体的90%，ERW焊管直焊缝横向拉伸试样经过焊接热循环后，模拟焊接粗晶区（1372℃）和细晶区（1004℃）的抗拉强度则稍有上升，粗晶区和细晶区抗拉强度分别增加为564.551.5MPa，约为ERW管体的94.8%和92.7%。

HFW管体和直焊缝冲击试样经过峰值温度高达1372℃和1004℃的焊接热循环后，测得在0℃和-40℃的冲击试验结果如图5所示：在0℃时，管体和纵焊缝的冲击韧性值分别为207J和365J，都远远高于标准要求。通过凸台焊接热模拟试验后，粗晶区和细晶区试样的冲击韧性都远高于ERW焊管原始性能。在-40℃，管体和纵焊缝的冲击韧性值稍有降低，分别为191J和344J，凸台焊接热模拟后，粗晶区组织韧性低于焊缝而高于管体，约为249J，细晶区组织则高于管体和纵焊缝，在-40℃仍然高达379J。

3结论

以站场/阀室高频电阻焊管上的凸台焊接为研究对象，根据焊接时实时测量的热循环曲线，通过物理模拟方法研究凸台焊接对不锈钢焊管管体和直焊缝拉伸、冲击性能的影响规律，结论如下：

1）凸台焊接时焊缝附近不锈钢焊管外表面距离角焊缝0.89mm和3.01mm处峰值温度分别高达1372℃和1004℃。

2）凸台焊接后不锈钢焊管管体和直焊缝模拟粗晶区和细晶区的抗拉强度高于不锈钢焊管直焊缝。

3）凸台焊接后不锈钢焊管管体和直焊缝模拟粗晶区和细晶区的冲击韧性高于不锈钢焊管管体。