Page 114 - 机械工程材料2025年第三期

李洋阳，等：双金属复合管中L360MS管线钢焊接接头的疲劳裂纹扩展行为以及疲劳寿命预测

1 试样制备与试验方法 于99.99%的氩气）打底、焊条电弧焊填充的多层多
［5］
道焊工艺对复合管进行焊接，采用较小的熔合比 ，
1.1 试样制备
焊接坡口采用V型坡口，尺寸如图1所示。在焊接
母材为气田集气管线更换工程采用的新
过程中严格控制层间温度不高于100 ℃， 具体焊接
L360MS管线钢/N08825 镍基合金双金属复合管， 参数见表2。焊接完成后，为消除接头残余应力，将
L360MS中的M代表热机械轧制态，S代表酸性服 焊接接头在 600 ℃下保温 3 h，炉冷。对焊接接头
役管线。焊接材料选用ERNiCrMo-3 合金焊丝或 进行100%的射线和超声无损检测，确保接头无气
ENiCrMo-3合金焊条。L360MS管线钢和焊接材料 孔、裂纹等缺陷。焊接完成后，将 2 mm厚的覆层
［10］
的化学成分见表1 。 N08825镍基合金剥离，剩余的L360MS管线钢规格
选用全自动钨极氩弧焊（保护气体为纯度不低 为ϕ710 mm×24 mm。
表1 L360MS管线钢和焊接材料的化学成分
Table 1 Chemical composition of L360MS pipeline steel and welding materials
质量分数/%
材料
C Si Mn P S Ni Cr Mo Cu V Ti Fe Al Nb
L360MS管线钢 0.100 0.45 1.65 0.025 0.003 0.05 0.04 余
焊接材料 0.030 0.40 0.30 0.010 0.010 61.60 22.00 8.70 0.03 3.00 0.10 3.7

或者失效（泄露或爆裂）等情况下的压力波动（即应
力比R≈0.1） ，不考虑管道运行中频繁发生的小压
力波动（ R≈0.8） 。按照GB/T 6398—2017，在焊接
接头的母材、焊缝以及热影响区（HAZ） 截取疲劳试
样，其中HAZ的取样位置如图 3所示，试样为标准
图 1 焊接坡口尺寸示意 紧凑拉伸（CT） 试样，试样取向皆为L-T（L为长度
Fig. 1 Schematic of welding groove size 或主变形方向，T为宽度或最小变形方向），尺寸如
1.2 试验方法 图4所示，每组不少于3个试样。将所有试样的两面
按照GB/T 4340—2009，采 用HXD-2000TM/ 打磨光滑后，采用PWS-50型电液伺服疲劳试验系
LCD型显微硬度计测L360MS管线钢焊接接头根 统预制长度为2 mm的疲劳裂纹，试验频率f为8 Hz，
部焊道和填充焊道的截面硬度分布，载荷为9.8 N， R=0.1，最大载荷为4.5 kN，加载方式为正弦波，试
保载时间为 10 s。按照GB/T 228.1—2010 和GB/ 验温度为25 ℃； 预制疲劳裂纹完成后，保持其他试
T 2651—2008，采 用 SHT4605 型万能试验机在 验参数不变，将最大载荷降为4 kN进行疲劳裂纹扩
室温下对焊接接头进行拉伸试验，拉伸速度为 展试验。试验过程中采用三晶YC10/2型断裂力学
1 mm · min −1 ，试样尺寸如图2所示，共测3个试样。 夹式引伸计通过柔度法 ［11］ 测量裂纹长度a，并记录
管道的疲劳断裂多源于交变应力，管道运行时输送 相应的循环次数N。待裂纹扩展至试验载荷急剧下
压力的波动范围通常在15%~20%。为简化计算， 降时停止试验。
在计算管道疲劳裂纹扩展时只考虑管道在停止输送 疲劳裂纹扩展试验后截取金相试样，经打磨、

表2 焊接工艺参数
Table 2 Welding process parameters
−1
气体流量/（L · min ） 热输入/
焊道 焊材型号 焊材直径/mm 电源极性 焊接电流/A 电弧电压/V −1
正面 背面 （kJ · mm ）
根焊 ERNiCrMo-3 2.4 直流负极 76~85 8~11 10~12 15~20 0.54~0.95
过渡焊 ERNiCrMo-3 2.4 直流负极 92~100 8~11 10~12 10~15 0.70~1.12
填充焊 ENiCrMo-3 3.2 直流正极 72~78 22~25 10~15 0.95~1.40
盖面焊 ENiCrMo-3 3.2 直流正极 72~85 22~25 5~10 1.23~2.03

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