集輸管線管L360QS的焊接性能試驗研究

趙興亮，楊 迅 ，李 艷鄭 飛，丁 磊，蔡彩霞，姚 俊

（1.天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301；2.中原油田分公司采油工程技術研究院，河南濮陽 457000）

集輸管線管L360QS的焊接性能試驗研究

趙興亮1，楊 迅1，李 艷1鄭 飛1，丁 磊1，蔡彩霞2，姚 俊2

（1.天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301；2.中原油田分公司采油工程技術研究院，河南濮陽 457000）

在選定焊接方法、焊接材料和工藝參數條件下,進行了L360QS管線管試樣焊接和接頭性能評價試驗。結果表明，L360QS管線管具有良好的可焊性,焊接接頭具有優異的抗腐蝕性能，選用的焊接材料和工藝參數可用于該種材料管道的現場焊接。

L360QS；管線管；抗H2S腐蝕；焊接

1 引言

目前，大口徑大壁厚管線管廣泛應用于石油、化工、能源和市政建設等國民經濟的重要部門，承擔著輸送石油、天然氣以及易燃、易爆介質等任務，是石油、天然氣管網建設中用量最大的管線管之一。無縫管在抗腐蝕和管道安全方面具有天然的優勢，是惡劣環境下輸送管道首選管材。輸送無縫管連接方式是通過管與管對接焊接方式連接的，這需要管線材料具有很好的焊接性能和耐腐蝕性能，因此開發出具有優異焊接性能和抗腐蝕性能的大口徑大壁厚管線管具有重要意義。本文通過手工電弧焊的焊接方式研究公司生產的集輸管線?508.0mm×22.2 mm，L360QS抗H2S腐蝕管線管接頭處的焊接性能以及抗腐蝕性能。

2 L360QS焊接

2.1 焊接方法

選用最常用的手工電弧焊接方法。

2.2 焊接材料

選擇焊接材料時，不僅要考慮材料的焊接性，還要保證其使用性能，即滿足強度要求下不發生腐蝕開裂。為提高焊接接頭的抗腐蝕性能，根據電化學腐蝕的原理，采用與母材相同類型的焊接材料。

2.3 焊接坡口形式

試樣坡口形式符合API 5L的要求，單面單邊V形30°，坡口鈍邊1.0～1.5 mm。對接間隙：2.5～3.0mm。坡口邊緣不小于20mm兩側的鐵銹、油污等污垢，清理干凈。

2.4 焊接程序

試樣清理→對接點焊→打底焊接→測溫→焊接→焊后檢查→射線探傷→超聲波探傷。

2.5 焊接工藝及參數

試驗選用前期研究推薦的焊接線能量 (10～15 kJ/cm)和焊前預熱溫度（≥60℃）進行焊接,焊接試驗設備為直流電弧焊機，焊接過程中的焊接參數見表1。

表1 焊接參數

3 焊接試驗結果及分析

焊接接頭性能評價試驗項目包括：化學成分、拉伸試驗、側彎試驗、刻槽試驗、硬度試驗、沖擊試驗、金相檢驗、HIC試驗、SSC試驗。

3.1 化學成分

分別在L360QS管線管母材和焊縫上取樣進行化學成分分析，結果見表2，均滿足標準API 5L的要求。

3.2 拉伸性能

L360QS管線管和帶焊縫管材的拉伸性能如表3所示，母材及焊縫滿足抗拉強度Rm≥460MPa的要求。同時依據標準API 1104，進行了4組拉伸評價試驗，試驗均斷裂在母材，抗拉強度分別為520、530、535、525 MPa，滿足標準要求。

3.3 側彎試驗

依據標準API 1104，側彎試驗進行了4組，根據標準要求，側彎試樣長230mm、寬13 mm。將側彎試樣以焊縫為中心放置在下模上，焊縫表面與模具成90°，給上模施加壓力，將試樣壓入下模內，直到試樣彎曲成近似U形，然后檢驗焊縫表面。通過檢驗得知，4組側彎試驗焊縫處均無裂紋，滿足標準要求[3]。

3.4 刻槽試驗

依據標準API 1104，刻槽試驗進行了4組，根據標準要求，刻槽試樣長230mm、寬25 mm，每個刻槽深度約為3 mm。刻槽試樣在拉伸試驗機上拉斷，然后檢驗刻槽斷裂面。通過檢驗得知，4組試樣的斷裂面完全是焊透和熔合的，無任何氣孔，刻槽試驗合格，滿足標準要求[3]。

3.5 硬度試驗

依據標準用維氏硬度計測試焊接接頭截面上的硬度，分別測得母材、焊縫和熱影響區的硬度。如表4所示，母材、焊縫和熱影響區的硬度較低，焊縫處硬度值高于母材和熱影響區，但均沒有超過最大允許硬度250HV10的要求[2]。

3.6 沖擊試驗

沖擊試樣缺口（V形）分別位于母材、焊縫和熱影響區。試驗溫度為-20℃，四組沖擊試樣的刻槽位置分別在焊縫中心、熔合線外0.5 mm、熔合線外2mm和熔合線外5 mm。試驗結果如表5所示，沖擊性能滿足標準要求。

表2 化學成分分析結果/wt.%

表3 拉伸性能測試結果

表4 硬度試驗測試結果

表5 L360QS鋼級管線管焊接沖擊試驗結果

3.7 金相檢驗

L360QS母材組織為由針狀鐵素體（F）+回火貝氏體（B）雙相顯微組織，見圖1。針狀鐵素體上彌散分布著細小的碳化物，細小的粒狀回火貝氏體彌散分布，形成穩定的組織結構，保證材料的抗腐蝕性能。在焊接后的試件上取樣，進行焊縫及熱影響區金相檢驗。焊縫及熱影響區無任何宏觀可見缺陷，見圖2。其微觀金相組織檢驗結果是,焊縫顯微組織為晶內成核針狀鐵素體+貝氏體（見圖3）；熱影響粗晶區的顯微組織為針狀鐵素體+貝氏體（見圖4）。焊縫熱影響區包括過熱區（粗晶區）、正火區、不完全相變區、回火區，其中熔合線附近的粗晶區，由于加熱峰值溫度高、晶粒長大粗化傾向大。由于母材含有均勻細小的組織，抑制了過熱區晶粒長大，組織粗化并不明顯。熔合線及熱影響區均未發現淬硬組織。由此可見，由此焊接工藝得到的L360QS管線管焊接接頭具有良好的組織結構。

圖1 母材組織F+B

圖2 焊縫及熱影響區組織

圖3 焊縫中心部分組織

圖4 焊縫熱影響區組織

3.8 HIC性能檢測

沿管子縱向在L360QS管線管和帶焊縫的管材上各取3個樣，試樣長度100mm，寬度20mm，厚度取管子全壁厚，其中帶焊縫試樣中焊縫位于試樣中心。依據NACE TM0284-2003標準分別對L360QS管線管和帶焊縫管材抗氫致開裂性能進行測試，溶液為A溶液，時間為96 h[3]。

試驗結束后，試樣表面清洗吹干，L360QS管材和帶焊縫的管材試樣上均未見氫鼓泡現象。試樣的觀察面依據NACE Standard TM0284-2003標準條款7.1切取。每個截面采用金相拋光。將制備后的試樣置于金相顯微鏡下觀察（放大倍數為100倍），L360QS管材和帶焊縫的管材試樣上均未發現裂紋，裂紋敏感率（CSR）、裂紋長度率（CLR）和裂紋厚度率（CTR）均為0,說明母材和焊接接頭均具有很好的抗HIC的性能[3]。

3.9 SSC性能檢驗

依據NACE TM0177-2005標準分別對L360QS管線管和帶焊縫管材抗氫致開裂性能進行測試。四點彎曲試樣沿管材中部縱向各取3個，使試樣的表面與管子的表面平行，試樣尺寸為115×15×5 mm，試驗溶液為A溶液，施加載荷為288 MPa（80%YSmin），試驗時間為 720h[4]。SSC試驗結束后，L360QS管材和帶焊縫管材的測試結果如圖5和圖6所示。從圖上可以看出，在288 MPa（80%YSmin）應力下測試 720h 之后，所有試樣均未斷裂。用10倍放大鏡檢查試樣，均未發現垂直于拉應力方向的裂紋,說明母材和焊接接頭均具有很好的抗SSC的性能。

圖5 L360QS管材SSC測試結果

圖6 帶焊縫管材SSC測試結果

4 結論

（1）L360QS管線管具有良好的焊接性能，焊接接頭的焊縫拉伸試驗結果，焊縫強度高于母材；側彎試驗、刻槽試驗和金相檢驗結果表明焊接接頭良好焊縫完全融合，沒有氣孔、加渣等缺陷，且組織均勻；焊接接頭的硬度試驗、沖擊試驗均符合標準要求。

（2）L360QS抗腐蝕無縫管線管焊接性能試驗表明，采用手工電弧焊工藝可以滿足現場使用要求。

（3）L360QS焊接接頭具有良好的抗腐蝕性能。母材和管體的HIC試驗，裂紋敏感率（CSR）、裂紋長度率（CLR）和裂紋厚度率（CTR）均為0,說明母材和焊接接頭均具有很好的抗HIC的性能；母材和管體的SSC試驗，所有試樣均未斷裂，完全能夠滿足酸性環境下使用要求。

[1]API SPEC 5L（45版），管線鋼管規范[S]．

[2] 王孝建.X65 級管線鋼板焊接性能研究[J]．焊管，2007，30（1）：30-34.

[3] NACE TM0284-2003 Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking[S]．

[4] NACE TM 0177-2005 Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environment[S]．

Trail and Study on Welding Performance of L360QS Gathering Pipeline Pipe

ZHAO Xing-liang1,YANG Xun1,LI Yan1,ZHENG Fei1,DING Lei1,CAI Cai-xia2and YAO Jun2
(1.Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China;2.Oil Production Technology and Engineering Institute,Zhongyuan Oil Field Subsidiary,Puyang,Henan Province 457000,China)

Under the conditions of given welding method,welding material and process parameters,the sample of L360QS pipeline pipe was welded and its connector properties were tested and assessed.Results showed that L360QS pipeline pipe had good weldablity while its welding connector had excellent corrosion resistance;the selected welding material and process parameters could be used on the welding site of this kind of pipe.

L360QS;pipeline pipe;H2S corrosion resistance;welding

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.024

2013-09-15

2013-10-1 2

趙興亮（198 2—），男，碩士，工程師，主要從事鋼管的腐蝕與防止方面研究工作。