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docERW钢管焊缝未熔合缺陷及其对性能的影响
ERW钢管焊缝未熔合缺陷及其对性能的影响
焊管?
第t7卷第2期?
1994年3月
ERW钢管焊缝未熔合缺陷
及其对性能的影响
……气管材嘉一721002)7(中国石油天然气总公司石油管材研究所陕西宝鸡lJ0,)f-)
摘要本文利用宏观和显微分析手段.对ERW钢管焊缝常见的三类未熔合缺陷进行了分
析,搞清了未熔合缺略的实质.从生产过程入手,论述了未熔合缺陷的产生原囡文中从脆断和疲
劳两方面论述了未熔合缺陷对ERW管性能的影响.{
主题词—
ERW
—~~'e逖使用丝焯毋
1未熔台缺陷的分类,形貌特征与实质
未熔合是ERW钢管的常见缺陷之一,
对钢管的强度和使用性能有很大的影响.按
其特征可分为以下三类:
(1)完全未熔合即钢
管焊缝整个壁厚均未熔合(图la);
(2)部分
未熔合即钢管焊缝的局部(焊缝壁厚中部或
内外表面)的未熔合(图lb);(3)未完全熔合
即焊缝熔合不良,主要是冷焊.
完全未熔合和部分未熔合区的宏观特征
一
般星黑色或探灰色,微观形貌为粒状氧化
物,见图2.冷焊是未完全熔合的一种典型特
征,其宏观特征呈灰色或深灰色,微观为浅平
韧窝,窝内伴有氧化物(图3),韧窝直径较
小,约为2m,氧化物较小且分散分布于浅
平韧窝内.冷焊有时与未熔合共存,这时,未
熔合区氧化物呈网片状(图4),冷焊区为微
小韧窝,并伴有大量的氧化物(图5).
出现未熔合或冷焊时,往往伴随着不合
理的金属流线分布,如图6所示.
经x射线能谱仪和电子探针分析,未熔
合区含有Fe,0等元素,主要为FeO;冷焊区
氧化物成分的电子探针分析结果见图7,可
见,冷焊区的氧化物主要为FeO,MnO和
SiO等,是在焊接过程中形成的.
钢管在焊接前,带钢两边对焊表面均需
进行机械加工,因此可以排除残留FeO的可
a完主者坼台
b部分未熔合
c未完垒熔合(冷焊)
囝l三种不同的未熔合形态
能性.
在焊接过程中,对焊表面接触的主要介
质是乳化液和空气,即环境中存在足够的
HO和O.当温度大于57O℃时,会发生如
第l7卷第2期冯耀荣,李鸹林:
ERW钢管焊缝未焙合映陷及其对性能的影响
圉2把瞎台区粒'七物形貌
圉3玲焊的微观形貌
圉4接近玲焊的未焙合区形貌
圉5接近未焙合区的冷焊区形貌
圉6出现未焙旨或冷焊时的焊缝
横向截面金相组织100×
F反应;
2Fe+O2—2FeO
Fe+H2O=FeO+H:
而且,在存在水的情况下,形成FeO的速度
很快.因此,表面FeO可在焊接加热过程中
很容易地形成如果工艺参数不当或板边形
状不良时,这种氧化物便会残留于焊缝中.
应当指出的是,在冷焊断口上,亦有
SiOz和MnO等氧化物存在.这是因为钢中
一
般均含有一定数量的si,在高温下可发生
如下反应:
2(FeO)+Esi3=(SiO)+2EF~3
反应的结果,生成稳定的SiO.
焊管
a定点分析
b面分析
圉7冷扞区氧化物电子探针分析结果
同样,高温下亦可生成Mn的氧化物
MnO,其反应方程式如下:
(FeO)+[-Mn]=(MnO)+I-re]
另外,亦可形成MnO—siO或
(Mn)O--SiO复合氧化物.钢中残留Al,
cr等元索在高温下氧化倾向更大,也可产生
AIzOs和cr.O氧化物.上述氧化物形成后,
在焊接工艺参数不当的情况下,会残留于焊
缝中,造成熔合不良.
2未熔合缺陷的产生原因
2.1焊接热输入量和带钢边缘形状的影响
ERW钢管是用高频电流来加热进行焊
接的.焊接时,由于集肤效应和邻近效应,对
焊两边表面金属在很短的时问内被加热到很
高的温度,在挤压力的作用下,两边金属钹焊
台在一起形成焊接接头.在高频电阻焊过程
中,较高的加热温度是两边金属结合以形成
良好焊接接头的先决条件.正常加热时,焊接
热输入量充足,带钢边缘被加热到足够的温
度,这时不论带钢边缘开状如何,其整体温度
均较高,塑性变形易于进行,在挤压力作用下
两边金属很容易结合在一起,而且焊缝内部
杂质在高温下有较好的流动性,易于清除.而
当焊接热输入量不足时,在带钢边缘为如图
8a的情况时,内外表面棱角处的温度比内部
高一些,故内外表面棱角处的金属首先结合,
中问部位温度较低难以结合,于是极易在中
部形成未熔合缺陷.在这种情况下,中部原来
的氧化物被密闭在焊缝中,不可能被去除而
残留于焊缝中.
量度()
跏
妊戤㈣綦征
沮—二
{一
圉8管坯边缘形状与温度分布示意图
管坯边缘形状为图8b的情况时,若焊接
热输入量不足,外表面棱角处首先被加热到
较高的温度,越向内表面,温度越低,这时焊
接后形成外表面熔合而其余部分产生未熔合
缺陷的情况,同样,由于温度太低,钢板对焊
表面原来残留的或焊接过程中形成的氧化物
不能排除.管坯边缘形状为图8c的情况时,
第l7卷第2期冯耀粲.李鹤林:
ERW钢管扞缝未熔合缺硝及其对性娩的影响
内侧棱边先被加热首先熔台,其余部分出现
未熔台.在管坯边缘形状为图8b的情况下,
如焊接热输入量再大一些,内表面的温度要
比次内表面高一些,故亦会出现内外表面熔
合,中部未熔台的情况,但因外表面温度高一
些,外表面的熔合区要比内表面深一些.
如果焊接热输入量小到一定程度时,对
焊两边金属不能熔台,会形成完全未熔台.
2.2带钢边缘变形量的影响
对出现未熔台的管子外表面检查,常可
发现焊缝呈内凹形貌及规律性分布的损伤,
说明带钢边缘变形量较大.正常焊接后焊缝
处金属变形流动的中心线应与壁厚中心线基
本一致即沿板厚中心基本对称但当管坯对
接边缘呈V型或^型而出现未熔台管子时,
焊缝横向截面的金相分析结果表明,焊缝金
属变形流动中心线与壁厚中心线相差一距离
e(囝9),金属流动中心线向外表面处偏移,
偏移量最大达2~3ram,大部分金属向内表
面处变形流动.这种不台理的金属流线的形
成,表明在未熔合形成处必然有一由外表面
向内表面的弯曲力矩在起作用,这表明在钢
管生产过程中,成型管坯边缘弯曲变形过大
且上压辊压力过大,从而使钢管焊接后在焊
缝外表面形成内凹形貌.带钢边缘过大的变
形加强了当焊接热输入量不足时形成未熔合
缺陷的倾向,同理当管坯边缘弯曲过小或上
压辊压力不足时亦会产生内部熔合而外部未
熔台的现象.
2.3带钢月形弯的影响
从出现未熔台管子焊缝外表面焊脚压痕
来看,易发现焊缝扭转现象,即焊脚一边在焊
缝,而另一边在距焊缝一定距离处,这与带钢
的月形弯有很大关系.焊缝扭转造成焊脚偏
移,是引起焊接热输入量不是的原因之一,对
焊缝未熔台缺陷的产生有较大的促进作用
2.4带钢边级锈蚀的影响
带钢边缘生锈,会影响焊脚与管子触点
的导电性,易造成焊接加热不足,产生各种未
熔台缺陷
囝9出现未焙合管焊缝金属澹缓分布示意图
3未熔舍缺陷对ERW管性能的影响
3.1对机械性能的影响
完全未熔台和部分未熔台由于缺陷部分
失去强度,会严重影响焊缝的机械性能,未熔
合缺陷尺寸越大,其影响便越大,反之亦然.
当焊缝存在冷焊时,会降低焊缝强度,尤
其是对焊缝的塑韧性下降更为显着,见表1.
3.2对使用性能的影响
焊缝存在未熔台和冷焊缺陷时,一方面
使焊缝有效承截面积减小,钢管焊缝强度降
低另一方面,在缺陷处会产生高的应力集
中,这种管子若投入使用,有发生管道泄骧或
断裂事故的危险.
关于脆性断裂问题.当焊缝存在未熔台
和冷焊缺陷时,一般均伴随着不良的显微组
衰I冷焊试样与正常试样焊缝性能对比'
岫5mAhn
项目
MPaMPa20℃一20℃一40℃
正常样24.8}8~5612~578~l6
狰焊样595~645496~5263.6~8.812~176~104~8
拉伸试{葶尺寸为标距50.8蛐n.标距内宽38.1蛐n的条状试样(经冷展平)}冲击试样为5×lOx55ram的cVN试
样(套取).
焊管
织,加之缺陷处的应力集中,困此有可能发生
脆性断裂脆性断裂是在工作应力达到材
料发生脆断的临界应力时发生的材料或
构件是否发生脆断,取决于工作应力()与断
裂应力()的相对大小.可按断裂力学方
法进行估算:
2,rfK咒1]
一lPI一H
式中:
为材料的流变应力;M为鼓胀效应
系数;K为管道材料的断裂韧性;n为缺陷
深度.可见,主要与咒和a有关材料的
尼越低,n越大,越小,工作应力越易达到
越易发生脆断.
由此可见,在管道焊缝存在部分未熔合
和冷焊缺陷的情况下,防止脆断应从两方面
着手,一是提高材料的断裂应;二是降低
工作应力.提高的途径有两方面即提高
材料的断裂韧性和减小缺陷尺寸.在缺陷尺
寸一定的情况下,只能用提高断裂韧性的方
法来实现.丘是由材料本身决定的,当构件
形状,尺寸,处理状态和温度一定时为一常
数.温度升高,臣增大.根据上述分析,对存
在一定缺陷尺寸的焊管,为防止脆断,只有两
条措施可供选择,一是提高材料的断裂韧性
(即提高工作温度);二是降低工作应力(即降
压),直至满足<.
关于疲劳断裂问题,如果管道焊缝存在
未熔合缺陷,在工作应力作用下缺陷会发生
疲劳扩展管内介质或多或少带有一定的腐
蚀性,因此,管道实际上面临的是腐蚀疲劳裂
纹扩展问题.腐蚀疲劳与普通疲劳的显着区
别是无明显疲劳极限,也就产说,它比普通疲
劳更易发生疲劳总寿命N,=裂纹萌生寿命
Ⅳr+裂纹扩展寿命Ⅳ,对高周疲劳,裂纹萌
生寿命占总寿命的绝大部分一般来说,管道
的工作应力远低于其实际屈服强度,因此,属
于高周疲劳的范畴.若缺陷已存在,那么
M0,N,Ⅳ,N,会显着降低存在缺陷管
道的疲劳寿命可由下式估算:
N,一1f~,da
式中:
△为裂纹或缺陷尖端应力强度困子
的变化幅,n.为初始裂纹或缺陷深度,n为
临界裂纹或缺陷尺寸为材料常数从上
式可见,管道焊缝的初始缺陷尺寸a.和应力
强度因子变化幅AK越大,疲劳寿命越低.另
外,材料的韧性越低,裂纹扩展速度越大,
疲劳寿命越低,反之亦然.困此,在材料性能,
缺陷尺寸一定的情况下,为提高疲劳寿命,也
只能降低AK即降低工作应力.
以上从脆断和疲劳两方面简要分析了未
熔合缺陷对管道使用的影响.在管道焊缝存
在一定尺寸的部分未熔合和冷焊的情况下,
为防止脆断,提高管道的疲劳寿命,应适当降
低工作应力,或适当提高工作温度,或二者并
举.
4结论
综上所述,未熔合缺陷,应当作为当前影
响ERW管产品质量主要问题来抓,首先要
加强焊缝的超声波探伤,将第一,二类未熔钢
管抓出来,以提高钢管的可靠性同时应加强
焊接工艺及焊接温度自动控制和焊缝冷焊自
动报警装置等的研制和使用,以保证不产生
第三类未熔合缺陷(冷焊)钢管,提高焊管质
量.'
(收稿日期≈19g3一O6—18)
石家庄市精细焊管研究所和有关单位联合主办的"首届全
国焊管行业经验交流订货会",将于今年4月28El~5月2El
在广西省北海市福利大厦召开.
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