螺旋缝焊管成型应力对焊缝力学性能的影响及控制措施

刘洪飞，晁小陇

（辽阳石油钢管制造有限公司，辽宁 辽阳 111000）

螺旋缝焊管焊缝的力学性能是螺旋缝焊管的重要指标［1］。对于合格的螺旋缝焊管，除了几何尺寸满足工程要求外，其力学性能也要满足工程要求。在输送石油、天然气重点管线工程上，使用了高强度、大管径、大壁厚的螺旋缝焊管；而重点管线工程对该螺旋缝焊管焊缝的力学性能要求更加严格，若焊缝拉伸试验、夏比冲击试验、弯曲试验等其中一项不合格，就会被判为不合格。

影响螺旋缝焊管焊缝力学性能的因素有很多，如焊接材料，焊丝、焊剂，焊接参数，弧压、电流等。在制造螺旋缝焊管时，要根据母材焊接性能及力学性能选择焊丝、焊剂，做到等强度或略高于母材及可焊性匹配。在生产中，螺旋缝焊管的残余应力对焊缝力学性能的影响被忽略，成型应力较大，若不及时调整，螺旋缝焊管的残余应力会增大，焊缝的力学性能下降，有时甚至不合格。实践表明，当成型应力达到某一程度时，就会将应力传递到焊缝熔池中，影响焊缝结晶的稳定形成，降低力学性能。因此，控制螺旋缝焊管的成型应力十分重要。

1 焊缝熔池受力分析

管坯在实施焊接时，管坯转动，焊头不动，管体在成型器按螺旋方向转动，先进行管壁内焊，焊接电流、弧压通过焊丝接触母材板缝将输入的电能转变成热能［2-3］，从而熔化焊丝与母材形成焊接熔池，焊点处为热源最高温度，熔化的钢水为液态，随着管坯的转动，管坯转动离开焊点钢水完成从液相→液固混合相→固液混合相→固相的转变过程，同时焊剂融化，覆盖在熔池上形成一种保护壳，最后固相成为焊道。因此，焊缝力学性能的形成过程是焊接熔池冶金化学反应及相变的过程。焊缝的力学性能降低，其中有在焊缝熔池中力的作用和冶金化学反应的原因。

在冶金方面，焊缝熔池中参加冶金反应的母材、焊丝及焊剂含有微量S、P、C元素，在结晶时形成共晶。选取3组试样，分析L485M钢级Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋缝焊管管体母材与焊缝的化学成分，其结果见表1。

表1 L485M钢级Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋缝焊管管体母材与焊缝化学成分（质量分数）%

从表1可以看出：焊缝的P、S含量很低，但比母材略高0.1个百分点，其主要来源于参与冶金反应的焊丝、焊剂；焊缝的碳当量CEPcm为0.18%，CEⅡW为0.41%。

在冶金反应中S、P、C元素结晶时易形成液态薄膜，不利于力学性能的稳定。满足API Spec 5L—2013 标准 PSL2 等级要求［4］的带钢的 w（S）≤0.02%、w（P）≤0.01%、w（C）≤0.12%；H08C 焊丝的 w（S）≤0.030%、w（P）≤0.030%、w（C）≤0.11%时，焊缝不易出现疏松或微裂纹；当H08C焊丝的w（S）≥0.030%、w（P）≥0.030%、w（C）≥0.12%时，焊缝的偏析、疏松或裂纹倾向加剧，但在没有力的作用时，晶间距不会被拉开，也就不会产生微裂纹。

在力方面，熔池受应力的作用是焊缝力学性能降低的主要原因［5］。为了便于分析，将焊接熔池的相变过程划分成几个阶段，螺旋缝焊管的成型及内、外焊熔池相变分段如图1所示，焊缝熔池相变温度T与强度σ关系如图2所示。

在液相区（ab段），焊点处熔池的温度最高，在焊剂的覆盖下，板缝母材与焊丝熔化，形成液态，在应力σh的作用下，焊缝受拉，分子间产生间隙，但液态具有流动性，分子间的间隙立即被填补，这时焊缝的强度接近于0，分子间没有形成间隙，不易产生微裂纹。

在液固混合相区（bc段），焊点处的焊缝离开热源，温度下降，少部分金属元素形成固体，大部分处于液体，液态部分包围固体，这是金属结晶初期，液体部分流动性较差，焊缝的强度较低，在应力 σh的作用下，σh∧［σc，σd］，分子间受拉产生间隙，极少部分没被填补，大部分空位被补充，称为浅度脆性温度区Tb~Tc。

图1 螺旋缝焊管的成型及内、外焊熔池相变分段

图2 焊缝熔池相变温度T与强度σ关系

在固液混合相区（cd段），管坯继续向上转动，焊点距焊缝变远，焊接热向外散发，温度比前一段低，大部分钢水形成固态，少部分分子仍有液态，金属结晶处于中期，焊缝的强度较低，脆性较大，称为深度脆性温度区Tc~Td。剩余液相很少，流动性很差，几乎停止流动，若有间隙则无法填充，当应力传递到固液混合相焊缝中，应力σh∧［σc，σd］脆性温度区强度，分子之间产生错动，焊缝在脆性温度区塑性低，出现间隙或疏松，甚至裂纹。

在固相区（de段），管坯继续向上转动，焊点距焊缝更远些，焊接热继续向外散发和传导，比前一段更低，钢水凝固，称固相。在液固相、固液相形成分子之间的间隙和晶粒间距无法消除，已固化形成事实。这时虽然焊缝的强度升高σe∧σh，从微观上看焊缝晶粒大小不一，排列不均匀焊缝内部金相组织，晶间距拉大，部分出现了微裂纹。

螺旋缝焊管工艺是先内焊、后外焊，内焊缝焊接完成后，管壁转到半个螺距后进行外焊缝焊接，在外焊缝焊接时由于没有成型器外框架辊对管壁的约束控制，管壁应力还会向外焊缝熔池中释放，同样经过相变过程，分之间距拉大，成为固相形成焊道后，未产生微裂纹，经超声波探伤仪检测显示无缺陷；当成型应力过大时，形成晶间距拉大时，形成微裂纹，经超声波探伤仪检测出微裂纹，甚至用X光射线检验也能看到微小裂纹；在进行力学性能试验时，上述微裂纹造成焊缝力学性能下降，尤其是做面弯或背弯试验时会出现不合格。当螺旋缝焊管壁厚∧10 mm时，随着钢板厚度的增加，熔池深度加深加宽，脆性温度区会增长，在有害元素分布不均匀，成型应力较大时，焊缝很容易产生微裂纹，这也是高强度、厚壁管焊缝力学性能容易出现不合格的原因。

2 成型应力

成型应力是带钢在成型器中因弯曲变形不充分而产生的应力［6］，工程上称为结构应力，即管体残余应力［7-8］。螺旋缝焊管应力的测量如图3所示，假设螺旋缝焊管的管径为D，用等离子切割器切取一段管段，并沿轴向切开，管壁就会向外（或向内）张开一道口，管径从原来的D，变为切开后的D1，切口沿钢管轴向错开一段距离为λ（错位长度），沿环向张开一段距离为l（张口长度）［9-10］。

图3 螺旋缝焊管应力的测量示意

文献［9］对螺旋缝焊管的残余应力进行了理论分析，并推导出残余应力分量环向应力σmax、剪切应力 与轴向张口长度l和错位长度λ的函数关系：

式中E——弹性模量，GPa；

G——抗剪切弹性模量，GPa。

而环向应力与剪切应力在一个平面内，并相互垂直、截面相同。因此，合应力σh为：

3 成型应力计算实例

西气东输三线港清线采用的L485M钢级Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋缝焊管的技术规格书要求：切管段b为100 mm，距焊道300 mm外，纵向切开，测量张口长度l为97 mm，错位长度λ为30 mm，弹性模量E为206 GPa，抗剪弹性模量G为79 GPa。

由公式（1）~（2）可计算出 L485M 钢级 Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋缝焊管的最大环向应力、剪切应力：

由公式（3）可计算出L485钢级Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋缝焊管管体的合应力：

由此可见，通过测量错位长度λ和张口长度l可以计算出成型应力，从而判断成型应力对焊缝力学性能的影响。

成型应力的大小对焊缝的力学性能影响不同。L485M钢级Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋缝焊管成型应力与焊缝力学性能见表2。

表2 L485M钢级Ф1 016 mm×17.5 mm螺旋缝焊管成型应力与焊缝力学性能

从表2可以看出：序号1~5试样的l≥110 mm、λ≥40 mm，出现焊缝抗拉强度下降、冲击功下降［12］；在进行180°导向弯曲试验时，观察试样面弯、背弯曲，弯心直径6t（t为试样厚度），当弯曲压头下压试样弯曲角度达到140°时，焊缝中间略有塌陷；试样弯曲角度达到170°时，出现宽约0.5 mm、深度1.2 mm、长度10 mm（长度≤3.2 mm）的裂纹，面弯、背弯曲试验不合格［13］。序号6~9试样的l≤97 mm、λ≤30 mm，焊缝抗拉强度、导向弯曲试验、夏比冲击试验全部合格。由此可以看出，成型应力增大时焊缝的力学性能下降，成型应力对焊缝的力学性能影响很大。

4 控制措施

焊缝熔池中有害化学成分是产生力学性能下降的充分条件，成型应力是产生力学性能下降的必要条件。

对于参加焊接冶金反应的焊丝、焊剂，选择S、P、C含量少的焊丝、焊剂焊接材料，以减少焊缝中的有害元素，为焊缝力学性能的稳定创造有利条件。

严格把好成型调试关，精准调好成型辊每一组辊的角度及下压辊的下压量，精准调好前、后桥角度及导架辊角度，使成型合口稳定，不产生“犟劲”，使带钢在成型器中充分弯曲变形，增大塑性变形量，减小弹性变形量，以减少成型应力对焊缝熔池的影响。

5 结 语

在螺旋缝焊管的生产过程中，只有选择含有害元素少的焊接材料，并在成型上减小成型应力，才能保证焊缝的力学性能，确保焊缝的焊接质量达到技术标准要求。辽阳石油钢管制造有限公司在为西气东输管线生产螺旋缝焊管时，重视上述问题，其生产的螺旋焊管满足工程需要，为西气东输三线管道建设提供了合格的产品。

［1］李鹤林.石油管工程文集［M］.北京：石油工业出版社，2011.

［2］郝建军，马璐萍.熔焊基础与金属材料焊接［M］.北京：北京理工大学出版社，2010：107-229.

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［4］ API Spec 5L—2013管线钢管规范［S］.45版.北京：石油工业标准化研究所，2013.

［5］张丽红.金属材料焊接工艺［M］.北京：北京理工大学出版社，2014：128-136.

［6］吴建军，周维贤.板材成形性基础理论［M］.西安：西北工业大学出版社，2010.

［7］熊庆人，李霄，霍春勇，等.X80钢大口径螺旋焊管的残余应力［J］.机械工程材料，2011，35（10）：4-7.

［8］王凤成，王建，李哲.高钢级厚壁螺旋缝焊管残余应力控制［J］.钢管，2014，43（2）：49-52.

［9］刘洪飞.螺旋缝焊管残余应力的测量与计算［J］.钢管，2015，44（5）：62-65.

［10］马利芳.螺旋焊管残余弹复问题的分析与研究［J］.钢管，2009，38（5）：20-27；2009，38（6）：20-26.

［11］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 229—2007金属材料 夏比摆锤冲击试验方法［S］.2007.

［12］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 228—2010金属材料 拉伸试验室温试验法［S］.2010.

［13］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB/T 232—2010金属材料 弯曲试验法［S］.2010.