管道环焊缝应力消减与评价方法

李玉坤，赵赏鑫 ，韩天昊，常景龙 ，彭启凤，杨进川, 韩志强

(1. 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东青岛 266580；

2.国家管网集团西部管道有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830013；

3.国家石油天然气管网集团有限公司，北京 100028；

4.齐鲁空天信息研究院，山东济南 250100; 5.新疆油田公司风城油田作业区，新疆克拉玛依 834000)

焊接时焊缝区域温度梯度大、变化迅速，焊接完成后不可避免地产生残余应力，而过大的残余应力是诱发管道焊接接头脆性断裂、疲劳断裂和应力腐蚀开裂等失效形式的重要原因[1-2]。同时受焊材及温度影响，环焊缝区域金相组织与母材存在显著差异，力学性能发生改变，是管道的薄弱环节[3]。选择合适的焊后处理工艺，通过应力检测方法评价处理效果，能够降低环焊缝残余应力，对保障管道服役安全具有重要意义。超声冲击技术是一种金属材料表面强化技术，能够在焊缝表面施加较大的压缩塑性变形，使表层焊缝组织发生有益的变化，从而降低残余应力，提高环焊缝力学性能[4]。矫顽力法自1981年提出以来由于其测量快速、结果稳定等优点受到国内外学者的广泛关注[5-6]。超声冲击法与矫顽力法已在大型钢结构、农用机械、动车钢轨车轮等方面开展了大量应用[7-12]，也有学者尝试应用于管道[13-14]，但关于环焊缝处的研究较少。笔者以带环焊缝的X80焊接管道为研究对象，将超声冲击法应力消减技术和矫顽力法应力评价技术结合，对焊缝残余应力进行测量、消减、评价，研究消减前后环焊缝金相组织、残余应力、力学性能变化。

1.1 超声冲击系统工作原理及设备

超声冲击技术是一种金属材料表面强化技术，能够在焊缝表面施加较大的压缩塑性变形。冲击设备主要包括控制器和冲击枪，如图1所示。控制器内有超声波驱动电源，能够将市电转换成高频高压交流电。冲击枪为执行机构，内部包括换能器、变幅杆和冲击头，如图2所示。换能器利用压电陶瓷的负压电效应将输入的电能转换成机械能，在纵向作往复伸缩运动形成超声波，伸缩运动的频率等同于驱动电源的交流电流频率，伸缩的位移量约为十几微米。换能器后接变幅杆，变幅杆的作用一方面将振幅放大至100 μm以上;另一方面对冲击针施加冲击力，推动冲击针做高速往返运动，冲击频率为两万赫兹。冲击头冲击工件后，能量向焊缝传递，以达到消除内应力的作用。冲击头受工件的反作用后回弹，碰到高频振动的变幅杆后，再次受到激发，又一次高速度撞向焊缝，反复多次完成冲击作业。由于执行机构冲击枪结构小重量轻，效率高，节能性好，处理速度快，每分钟可处理接近半米的焊缝，可以方便地应用到管道、采油平台、船舶、机车车辆、压力容器等野外和高空现场作业等场合。

图1 超声冲击设备Fig.1 Ultrasonic impact equipment

图2 超声冲击执行机构Fig.2 Ultrasonic impact actuator

1.2 矫顽力法测量原理及设备

矫顽力(Hc)是铁磁性材料剩磁降为零时所需施加反向外加磁场的磁场强度。应力对材料磁化过程产生影响，实质上是应力对磁化过程中畴壁运动造成了阻碍。磁畴结构发生畴壁位移和磁矩转动时需要能量，应力能作为一种能量储存在畴壁能中，改变了磁畴发生不可逆磁化运动的临界场强度，考虑应力作用时的临界磁场强度表达式[15]为

(1)

式中，H0σ为应力作用下临界场强度，A/m；
λs为磁致伸缩系数；
μ0为磁导率，H/m；
Ms为饱和磁化强度，A/m；
θ为外加磁场与磁化方向的夹角，弧度；
δ为畴壁厚度，m；
l为应力有效波长，m；
σ为应力，MPa。

矫顽力是由磁畴结构不可逆运动形成的，数值上为材料内部各个磁畴结构临界场强度的平均值，因而应力与矫顽力间的力磁耦合计算公式为

(2)

式中，Hcσ为被测区域的矫顽力，A/m。

矫顽力与应力之间具有良好的线性对应关系，应力集中处矫顽力显著增大，可通过矫顽力法有效评估环焊缝处应力集中现象。本文中所使用的矫顽力测量设备为NOVOTEST KRC-M2铁磁性材料矫顽力测量仪，如图3所示，量程为1.0～40.0 A/cm，测量精度为0.1 A/cm，测量前需使用矫顽力为2.6和13.9 A/cm的标准试块进行标定。

图3 NOVOTEST KRC-M-2测量仪及标定试块Fig.3 NOVOTEST KRC-M-2 measuring instrument and calibration block

2.1 环焊缝超声冲击试验

图4 X80焊接管道和消减后焊缝Fig.4 X80 welded pipe and weld after reduction

采用LM-30超声冲击设备对规格为直径1 219 mm、壁厚16.5 mm、长度40 cm带有环焊缝的X80焊接管道进行环焊缝表面冲击试验，如图4(a)所示。冲击位置为整个焊缝表面，移动速度约为200 mm/min，消减方位为管道的0～ 6点，使冲击枪基本在自重作用下垂直于焊缝对焊缝进行冲击处理，并与未处理的6～12点进行对比。消减后焊缝外表面如图4(b)所示，焊缝表面呈亮银色，并产生过渡半径1.5～2.0 mm、深度0.1～0.2 mm的圆滑凹槽，焊趾处过渡更加均匀。

2.2 对显微组织影响

如图5所示，使用线切割机，从0点两侧消减和未消减区域，以焊缝为中心，切割长度、宽度和高度均为20 mm的试块，观察管道环焊缝截面的组织变化。试块首先经过粒径分别为55.0、38.5、25.7、19.3、15.4、12.8和10.3 μm砂纸打磨，之后使用抛光机进行抛光，最后用体积分数3%硝酸酒精进行侵蚀。侵蚀后环焊缝处呈灰白色颗粒状，光泽略暗；
母材处呈亮银色颗粒状，光泽明亮，表明焊材与X80管线钢组织或化学成分存在一定差异。

图5 侵蚀后试件表面和观测区域示意图Fig.5 Surface of specimen after erosion and observation area diagram

采用蔚仪WY-20BD倒置明暗场金相显微镜，观察消减前后试件的金相组织，观察区域如图5(b)所示，分别位于焊趾处的熔合线(区域Ⅰ)及焊缝外表面中心以下2～3 mm处(区域Ⅱ)。试验结果如图6(图中线段1 cm代表20 μm)所示，其中(a)和(c)为消减前试件的显微组织，(b)和(d)为消减后试件的显微组织。由图6可知，焊缝处金相组织均以多边形铁素体及粒状贝氏体为主，母材处晶粒较细，更加均匀；
焊缝处晶粒均匀程度较差，晶粒更加粗大。通过消减前后区域Ⅰ处显微组织对比可知，消减前焊缝与母材交界处有清晰的熔合线，晶体颗粒大小及光泽存在显著区别，熔合线处晶粒粗大，焊缝组织与母材组织排列较为规整，晶粒取向均匀，呈层带状分布；
消减后分界线较为模糊，母材处组织向焊缝一侧生长，焊缝处组织与母材处组织交界处晶粒取向呈随机状分布。熔合线附近受到大应变量、高应变速率和多方向载荷的共同作用，应力场逐渐叠加，内应力达到机械变形的临界应力，晶粒产生大量位错运动，不同晶粒之间产生了一定的取向差，最终表现为环焊缝熔合线附近层带破碎，形成了取向呈随机分布的晶粒组织，相互交织分布，有利于力学性能提高。消减前后距焊缝中心2～3 mm处显微组织则差异不显著。显微组织变化可知环焊缝处塑性变形量由表及里逐渐减小，超声消减作用范围有限，只能对表层组织产生显著影响。环焊缝经过强烈的塑性变形后，晶粒缠结在一起，压缩变形量越大，晶粒变化越明显。超声冲击作用后，焊趾处几何形状更加均匀，焊缝与母材的熔合线处显微组织由均匀层带状分布转变为交织分布，大块的晶粒得到细化，有利于力学性能提高。

图6 消减前后金相组织Fig.6 Metallographic structure before and after reduction

2.3对残余应力影响

试验采用矫顽力法评价管道环焊缝区域的残余应力，通过消减前后矫顽力变化研究超声冲击对管道环焊缝残余应力的影响。如图7所示，规定垂直于环焊缝方向即管道轴向为x，平行于环焊缝方向即管道环向为y。以环焊缝起焊处为0点，按表盘12个钟点方位标记环焊缝，沿着环焊缝方向每隔30 min取为一个待测方位，如0:00、0:30、1:00、1:30等，测量至6:00。每个待测方位沿管道轴向取5个待测点，其中③号点位于焊缝中心，②、④号点位于焊趾处，①、⑤号点位于母材上，测点距离为5 cm。使用NOVOTEST KRC-M2铁磁性材料矫顽力测量仪测量了管道消减前后的矫顽力，同时使用盲孔法测量了消减前后的残余应力。

图7 管道钟点划分及测点示意图Fig.7 Piping clock division and measuring point diagram

图8为消减前后的轴向矫顽力Hcx和环向矫顽力Hcy测量数据绘制的焊缝中心与焊趾处矫顽力变化曲线。由图8可知，焊缝中心处矫顽力都有不同程度减小，焊趾处个别点矫顽力增大。轴向矫顽力消减前平均为10.9 A/cm，消减后为10.3 A/cm，降低了0.6 A/cm；
环向矫顽力消减前平均为9.5 A/cm，消减后为9.2 A/cm，降低了0.3 A/cm。整体而言近焊缝区域矫顽力是降低的，表明残余应力有所减小。

使用盲孔法对矫顽力法评价效果进行验证，盲孔法测得超声冲击前后焊缝中心1点、2点、3点、4点方位的残余应力如表1所示。

图8 消减前后矫顽力变化Fig.8 Coercivity change before and after reduction

表1 消减前后盲孔法的残余应力测量Table 1 Residual stress measurement results of blind hole method before and after reduction

由表1可知，在环焊缝表面进行冲击后，焊缝中心轴向残余应力平均值由121 MPa变为-103 MPa，环向残余应力由93 MPa降低为-97 MPa，全部由拉应力变为压应力，应力集中程度降低，与矫顽力法测量结果相同。试验结果表明超声冲击法能够有效消减管道环焊缝残余应力，矫顽力法可以正确评价应力消减效果，利用超声冲击消减技术和矫顽力测量应力技术可以有效提高环焊缝安全裕度。

2.4 对力学性能影响

依据GB/T 228-2016《金属材料室温拉伸试验方法》和GB/T 2651-2008 《焊接接头拉伸试验方法》加工等壁厚拉伸试样，在室温下进行单向拉伸力学性能试验。试样以焊缝为中心，试件每隔30 min取一块，共计22个(消减后12个，消减前10个)，其中取自5:00方位的试件存在一定错边现象。试验前以焊缝为中心取100 mm作为标距，测量拉断后标距的长度，计算试件延伸率。以5 mm/min的位移速率进行加载并一次性拉断。拉断后所有试件如图9所示，拉伸试验结果如表2所示。

由表2可知，该段X80管线钢屈服强度为611～653 MPa，抗拉强度为702～750 MPa，整体强度较高，但性质不均，离散程度较大，相邻位置取材的试件仍存在30 MPa的强度差别。消减后焊缝中心矫顽力降低了0.8～1.4 A/cm，屈服强度和抗拉强度提高了约10 MPa，屈强比和延伸率变化较小。试验结果表明超声应力消减对焊缝区拉伸力学性能略有改善，但影响程度较小。SY/T 4103- 2006《钢质管道焊接及验收》中，环焊缝验收标准为焊缝拉伸试验断开位置在母材上且大于同钢级管材规定的最小强度，即屈服强度大于555 MPa、抗拉强度大于625 MPa，可知本段焊接管道拉伸力学性能合格。

制作了消减前后的标准轴向冲击试件10组，消减前5组，消减后试件5组，焊缝中心开口和焊趾处开口为一组。试件具体尺寸如图10(a)所示，缺口为V型。试验后试件照片如图10(b)所示，断口呈灰白色颗粒状，由于试件韧性较高，所有试件均未完全撕裂。

测得各个试样的冲击功如图11所示。由图11可得，消减前焊缝开口试件冲击功平均值为201 J，熔合区为162 J，表明焊缝中心冲击韧性高于熔合区。消减后试件冲击功增大，焊缝中心冲击功由201 J提高到228 J，提高了27 J，提高比例为13.2%，熔合区由162 J提高到196 J，提高了34 J，提升比例为21.5%，表明超声冲击法对焊接管段冲击韧性的提高较为显著，尤其是焊趾处冲击功提高比例超过20%。结合超声冲击后熔合线与焊缝中心显微组织变化可知，未消减前熔合线附近晶粒呈带状分布，组织分布不均，抵抗外载能力较差，冲击功低；
超声冲击导致表面塑性变形不断叠加，带动内部晶粒重新排列，晶粒取向改变，焊趾处晶体交织分布，冲击韧性提高，力学性能改善。

图10 冲击试件尺寸示意图和冲击韧性试件断面Fig.10 Impact specimen size diagram and fracture surface of impact specimen

图11 冲击试验结果Fig.11 Results of impact test

某天然气长输管道经射线检测发现相邻两道焊口存在未超标的缺欠，其中1号焊口1点钟至6点方向存在错边现象，错边量为1～2 mm；
2号焊口8点半方向存在夹渣，深度为7 mm，长度为5 mm，如图12所示。两道焊口两侧均为直管段，直径为1 219 mm，壁厚为16.5 mm，实时运行压力为7.2～7.3 MPa。错边与夹渣是管道环焊缝均为管道常见环焊缝缺陷类型，缺陷的存在会引发管道存在应力集中现象，导致该区域成为管道的薄弱环节，可通过超声应力消减技术降低管道应力集中程度。现场应用时剥离管道防腐层，将待测区域打磨光亮，使用矫顽力测量仪对消减区域进行消减前矫顽力测量；
之后将超声冲击枪对准管道焊趾部位，枪身垂直于管道表面，将冲击头的冲击针阵列沿焊缝方向排列，以0.1～0.5 m/min的处理速度沿焊趾平滑移动，以便使焊趾部位获得更好的光滑过渡外形；
最后使用矫顽力测量仪对消减后环焊缝进行测量，对比消减前后矫顽力变化值判断消减效果。通过超声冲击技术对1号焊口的0～6点方向和2号焊口的8点半方向环焊缝处进行了应力消减，并在消减前后测量了1号口1点至5点方向的矫顽力以及2号口8点半方向的矫顽力，对效果进行评价。

消减前后的焊口缺陷附近的矫顽力测量结果如表3所示。消减后大多数测点位置矫顽力降低，与室内试验结果一致；
其中环向矫顽力平均降低0.32 A/cm，轴向矫顽力平均降低0.2 A/cm。长输管道带压运行状态下，消减效果矫顽力降低程度减小，但作用效果同样显著。

图12 消减焊口结构示意图Fig.12 Subtractive welding structure diagram

表3 消减前后矫顽力变化

(1)超声冲击作用后，焊趾处几何形状更加均匀，焊缝与母材的熔合线处显微组织由均匀层带状分布转变为交织分布，大块的晶粒得到细化，有利于力学性能提高。

(2)超声冲击法残余应力消减效果显著，消减后焊接管道表面矫顽力降低，焊缝中心残余应力由拉应力转变为压应力，残余应力性质发生改变，应力集中程度降低，且现场应用效果良好，超声冲击法是环焊缝残余应力消减的有效手段。

(3)超声冲击后强度符合X80管道标准，冲击功提高了26～37 J，焊趾处冲击功提高比例可达20%，超声冲击可有效提高环焊缝力学性能，焊趾处韧性提升最为显著。

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