X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管全壁厚補焊工藝研究

楊 軍 ，茍世峰 ，符利兵 ，陳長青

(1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 輸送管公司 陜西 寶雞721008)

X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管全壁厚補焊工藝研究

楊 軍1，2，茍世峰3，符利兵1，2，陳長青1，2

(1.國家石油天然氣管材工程技術研究中心，陜西 寶雞 721008；2.寶雞石油鋼管有限責任公司鋼管研究院，陜西 寶雞721008；3.寶雞石油鋼管有限責任公司 輸送管公司 陜西 寶雞721008)

利用夏比沖擊、顯微硬度和拉伸試驗對6種焊材在相同補焊工藝下的全壁厚刨透補焊焊縫進行了性能對比研究,篩選出焊縫性能較優的對應補焊焊材。并以此焊材作為X80M級φ1219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管焊縫缺陷手工修補用專用焊材，進行了不同補焊工藝參數的全壁厚刨透補焊試驗，并對補焊焊縫進行低溫沖擊試驗，通過比較確定出X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管全壁厚刨透補焊工藝方案。結果表明,上海焊接器材廠生產的SH J557焊條用于X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管焊縫缺陷全壁厚刨透手工修補更為合適，各項性能指標更高；確定的補焊工藝參數合理可行，確保了補焊焊縫的質量和鋼管的批量化生產。

焊接材料；多層多道；層間溫度；熱輸入；補焊工藝

隨著能源需求的不斷增長，遠距離高壓油氣輸送已成必然，油氣輸送管道必然向著高強、高韌、大壁厚、大直徑及大輸量方向發展[1-3]。提高鋼級、減小壁厚可有效節約管線生產、運輸、敷設等投資費用，管線鋼每提高一個鋼級可減少建設成本7％[4-5]。高壓力、大流量管線的建設無疑對管道用鋼管的可靠性提出了更高要求。在提高管線鋼強度的同時，仍需保證原料具有良好韌性、抗疲勞性能、抗斷裂特性和耐腐蝕性等，且不應使鋼的焊接性和加工性惡化。管線鋼的焊接包括鋼管成形生產焊接(埋弧焊)和管道敷設現場的對接環焊(手工電弧焊、自保護焊或半自動熔化極氣體保護焊等)兩方面，但無論哪一方面都對管道材料的可焊性和焊接質量提出了嚴格要求。制管焊接過程易出現缺陷，主要有燒穿、焊偏、未焊透、未熔合、氣孔夾渣、咬邊、斷弧等[6-9]。這些缺陷的存在對管道安全構成了極大威脅。因此，管道焊縫需要嚴格的檢測，依據標準[10]對鋼管焊縫進行逐根排查檢測。如100％X光顯像觀察、超聲波探傷、拍片檢驗等，一旦發現，則嚴格按照補焊工藝要求進行補焊處理。依據管線標準，在鋼管生產前必須對原料進行補焊工藝評定試驗，各項性能指標完全符合管線設計標準后方能進行生產。

本研究首先以兩個廠家同牌號的6種焊條作為研究對象，在相同條件下進行焊接試驗并對焊縫進行沖擊、彎曲、拉伸和金相硬度測試，通過對比，研究確定出焊縫性能最優的對應焊條。其后使用優選焊條對X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋縫埋弧焊管焊縫進行全壁厚補焊試驗，并對補焊焊縫進行低溫(-20℃)系列夏比沖擊試驗，找出最大沖擊功值(單值≥80J，均值≥100J)對應的補焊工藝，并將其定為該種原料生產X80M級φ1 219mm×18.4mm規格焊管的補焊工藝方案，為X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋縫埋弧焊管批量化生產提供補焊基礎和條件。

1 試驗材料和方法

試驗所采用原料的鋼級、規格和化學成分見表1。焊條篩選過程的補焊試驗在規格為X80M級φ1 219mm×18.4mm雙面螺旋埋弧焊管上進行，焊縫經過碳弧氣刨加工成全透溝槽，形狀參數及焊縫硬度測試點見圖1和表2。試驗選用上海焊接器材廠(以下簡稱SH)和大西洋焊接材料廠(以下簡稱DXY)的直徑4.0mm的J557，J607和J707焊條。

表1 試驗用X80M級φ1 219mm×18.4mm焊管母材化學成分 ％

圖1 刨槽形狀參數及焊縫硬度測試點

表2 刨槽形狀參數

補焊采用Panasonic YD-630SS型號的焊機設備，電源極性為直流反接，焊接參數設置見表3，補焊操作過程完全由同一位焊工獨立完成。補焊時將待補溝槽置于11點位置處，并采用上坡焊，傾斜角β＜6°。

分別在鋼管補焊焊縫處取樣，沖擊試驗按GB/T 229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，采用10mm×10mm×55mm夏比V形缺口沖擊試樣，V形缺口夾角45°。在NAI500F擺錘式沖擊試驗機上進行，低溫控溫介質采用無水乙醇和液氮混合物，試樣在規定溫度溶液中保溫至少15min，以保證試樣表面與內部溫度一致。用低溫熱電偶測量溫度，試驗溫度為-20℃。拉伸試驗在WAW-2000型微機控制電液伺服萬能材料試驗機上進行，橫向垂直于補焊焊縫取板狀拉伸樣，試樣標距內寬38.1mm，標距段長50mm，厚度18.4mm。彎曲試驗符合API SPEC 5L及ASTM A370標準要求，試樣長度＞200mm，寬度為38mm，棱邊倒圓處理，彎軸直徑A應不大于(1)式[10]的計算結果(尖峰系數取1.15，計算結果圓整至1mm)，試驗在CSS-88100萬能材料試驗機上進行，加載方向垂直于焊縫，加載速度為1mm/min。用司特爾Durascan-70型顯微維氏硬度計按如圖1(b)所示測點進行焊縫顯微硬度測試，加載載荷量10 kg。焊縫組織形貌采用Olympus GX71型金相顯微鏡觀察，腐蝕劑為4％硝酸酒精溶液。

表3 補焊試驗參數設置

式中：D-焊管規定外徑，mm；

t- 焊管規定壁厚，mm；

ε- 應變值。

兩支輥間的距離f=(A+2t+3.2)mm，彎曲角度為180°。

2 試驗結果及討論

2.1 專用焊材的篩選

2.1.1 補焊焊縫低溫沖擊韌性比較

表4是兩個不同廠家生產的3種牌號焊條采用相同補焊工藝獲得的焊縫低溫沖擊值，圖2是相應沖擊功的柱狀比較圖。通過比較可以發現，上海焊接器材廠的J557焊條在相同補焊工藝條件下，焊縫低溫平均沖擊值最高，可達142.7J，沖擊功單值和平均值均能滿足CDP-S-NGP-PL-012-2011-2《天然氣管道工程螺旋縫埋弧焊管技術條件》要求，單值≥80J，平均值≥100J。其他焊材焊得的焊縫沖擊值均不符合標準要求，補焊焊縫低溫沖擊韌性較差，焊縫安全可靠性低。

表4 -20℃補焊焊縫沖擊功測試結果

圖2 焊縫中心沖擊功柱狀統計圖

2.1.2 補焊焊縫拉伸和彎曲試驗比較

表5是兩個不同廠家生產的3種牌號焊條采用相同補焊工藝獲得焊縫的拉伸和彎曲試驗結果，圖3是焊縫抗拉強度的比較柱狀統計圖。根據標準要求，X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋縫埋弧焊管焊縫的抗拉強度Rm≥625MPa，通過比較發現，兩廠家的焊條補焊后，焊縫的抗拉強度均能滿足標準要求，SH J557，SH J607和SH J707焊條對應的補焊焊縫的抗拉強度值更高。在隨后的彎曲試驗中，采用兩廠家三種牌號焊條焊接得到的焊縫正、反180°彎曲試驗結果均符合標準要求，拉伸面無裂紋存在，如圖4所示。

表5 焊縫抗拉強度及彎曲試驗結果

圖3 焊縫抗拉強度柱狀統計圖

圖4 焊縫彎曲試驗及彎曲后試樣照片

2.1.3 補焊焊縫處顯微硬度比較

兩廠家3種牌號6種焊條采用相同補焊工藝得到的焊縫顯微硬度見表6，顯微硬度變化曲線如圖5所示。從圖5可以看出，6種焊條補焊得到的焊縫顯微硬度呈現波浪式變化，波動范圍200～245HV10，均符合標準要求，但SHJ557焊條得到的焊縫顯微硬度分布更顯平穩，硬度值波動較小，波動幅度更均勻，表明該焊縫的綜合性能較穩定。

表6 焊縫硬度檢驗結果

圖5 焊縫顯微硬度值變化曲線

經過以上對兩個廠家3種牌號6種焊條的補焊試驗，并對相應焊縫進行力學性能比較分析，綜合考慮篩選出了SH J557焊條用于X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋縫埋弧焊管全壁厚手工補焊焊縫性能最優，且穩定可靠。因此，將SH J557焊條作為X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋縫埋弧焊管焊縫缺陷修補和全壁厚手工補焊專用焊材。

2.2 補焊焊材和工藝的確定

2.2.1 不同焊接工藝參數下焊縫沖擊功

經過以上全壁厚補焊試驗并對相應焊縫進行了各項力學性能檢測，系統比較了焊縫低溫沖擊性能、拉伸性能、彎曲性能和顯微硬度等指標，篩選出上海產SH J557焊條適合X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管焊縫缺陷手工修補。因此，在補焊用焊材確定后，又對X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋埋弧焊管焊縫缺陷手工修補工藝參數的優化進行系統對比研究。

利用SH J557焊條采用表8中3種不同的補焊工藝參數對X80M級φ1 219mm×18.4mm焊管進行全壁厚補焊試驗，并對焊縫進行低溫沖擊試驗，試驗溫度為-20℃。從沖擊功單值和平均值比較來看，第二組工藝參數設置對應焊縫的低溫沖擊韌性較優，沖擊功平均值達189.3J，完全滿足標準要求。

表7 不同焊接工藝參數及對應焊縫低溫(-20℃)沖擊功試驗結果

2.2.2 焊縫微觀組織特征

圖6為焊接材料和焊接工藝參數優化匹配后補焊焊縫的宏觀照片和各層的顯微組織。圖6(a)為焊縫宏觀照片，圖中分為7層，第1層為打底焊，2～6層為填充焊，第7層為蓋面焊。圖6(b)為第1道次打底焊，組織特征為先共析鐵素體(PF)+針狀鐵素體(AF)+珠光體(P)。由于是第1道次打底焊，沒有熱積累，熱傳導速率較快，熔池迅速凝固形成了高鋼級管線鋼常見的針狀鐵素體組織形態。圖6(c)～圖6(f)分別為第2～5 道次填充焊的微觀組織形態，均為PF+準多邊形鐵素體(QPF)+P的組織特征，相比打底焊，晶粒尺寸有一定程度長大，組織均勻性變差。第6道次的填充焊微觀組織形態如圖6(g)所示，為QPF+AF+P組織特征，由于靠近外層，散熱和熱傳導速率較快，因此，保留了部分AF組織，但QPF占主導且尺寸較下層又有一定程度長大。第7道次外蓋面焊區域的組織形態如圖6(h)，為PF+AF組織特征，由于是最外層的蓋面焊，和大氣環境的接觸面積最大，熱傳導和散熱速率最高，使表面熔池在短時間內迅速凝固形成了和打底焊相似的高鋼級管線鋼常見針鐵素體組織形態特征且更明顯。

圖6 補焊焊縫宏觀照片及各層微觀組織

針狀鐵素體組織具有較強的止裂能力，其主要是由較細小的鐵素體板條束加片狀M/A組元構成，具有精細的亞單元和高的位錯密度，有效晶粒尺寸較其他組織更加細小[11-13]。這種互相交錯彼此咬合的針狀鐵素體及分布狀態能有效延長裂紋擴展路勁，曾大裂紋擴展阻力，可顯著提高焊縫韌性[14-15]。因此，精確控制層間溫度，優化焊接工藝參數設計和焊材匹配及熟練操作技能等以此達到補焊焊縫組織的針狀鐵素體化來確保補焊焊縫的強韌性，提高焊縫的安全可靠性。

2.2.3 補焊材料和工藝的確定

經過焊接試驗和焊縫性能測試比較研究，確定出了X80M級φ1 219mm×18.4mm格螺旋縫埋弧焊管焊縫缺陷全壁厚補焊用焊材、刨槽形狀尺寸、補焊工藝參數及層間溫度控制等主要技術指標，具體參數見表8和表9。

表8 補焊用焊材及焊道參數

表9 X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋縫埋弧焊管焊縫缺陷全壁厚補焊工藝參數

3 結 論

(1)經過對兩廠家三種牌號6種焊條的補焊試驗，并對相應焊縫進行了力學性能比較分析，篩選出了用于X80M級φ1 219mm×18.4mm螺旋縫埋弧焊管全壁厚補焊專用焊材，其為上海焊接器材廠生產的SH J557牌號φ4.0mm規格低氫型低合金鋼焊條。

(2)利用SH J557專用焊材，采用3種不同補焊工藝對X80M級φ1 219mm×18.4mm焊管焊縫進行全壁厚補焊試驗，并對相應焊縫進行低溫沖擊試驗，確定出了低溫斷裂韌性最優的焊接工藝參數設置。

(3)優化焊接參數設計和焊材匹配后得到的焊縫，打底和外蓋面焊區域顯微組織主要為AF，填充焊區域微觀組織主要為QPF+P。針狀鐵素體組織是確保補焊焊縫強韌性的關鍵。

[1] 張德文.密切關注世界能源變化,堅持走可持續發展之路[J].世界石油工業,2008(01):20-27.

[2] 李鶴林,吉玲康,謝麗華.中國石油管的發展現狀分析[J].河北科技大學學報,2006,27(01):1-5.

[3] 張斌,錢成文,王玉梅,等.國內外高鋼級管線鋼的發展及應用[J].石油工程建設,2012,38(01):1-5.

[4] DEMOFONTI G,MANNUCCI G,HILLEBRAND H G,et al.Evaluation of the suitability of X100 steel pipes for high pressure gas transportation pipelines by full scale tests[C]//Proceedings of IPC 2004 International Pipeline Conference.Calgary,Alberta,Canada.2004:1-8.

[5] YOOJ Y,AHN S S,SEO D H,et al.New Development of high grade X80 to X120 pipeline steels[J].Materials and Manufacturing Processes,2011,26(01):154-160.

[6]王海生,張立英,王慶國,等.高鋼級管線鋼的補焊[J].鋼管,2005(06):24-25.

[7]李亞江，王娟.焊接缺陷分析與對策[M].北京:化學工業出版社,2014.

[8]張華軍，陸漢忠，沈大明，等.大厚板高強鋼補焊橫向裂紋試驗及產生機理[J].焊接學報,2011(04)：27-29.

[9]安龍虎.管線鋼焊條電弧焊(SMAW)焊接工藝優化[J].工藝與新技術,2012,41(10)：31-34.

[10]API SPEC 5L,管線鋼管規范(第45版)[S].

[11]畢宗岳.管線鋼管焊接技術[M].北京,石油工業出版社,2013.

[12]薛鵬.X80管線鋼的韌性研究[D].東北大學,2008.

[13]李紅英,魏冬冬,林武,等.X80管線鋼沖擊韌性研究[J].材料熱處理學報,2010,31(11)：73-78.

[14] EDMONDS D V,COCHRANE R C.Structure-property relationships in bainite steels[J].Metall Mater Trans A,1990(21):1527-1540.

[15]鄧偉,高秀華,秦小梅,等.X80管線鋼的沖擊斷裂行為[J].金屬學報,2010,46(05):533-540.

Investigation on the Full Thickness Repair Welding Process of X80Mφ1 219mm×18.4mm SAWH Pipe

YANG Jun1,2，GOU Shifeng3，FU Libing1,2，CHEN Changqing1,2
(1.National Engineering Technology Research Center for Petroleum and Natural Gas Tubular Goods,Baoji 721008，Shaanxi,China;2.Steel Pipe Research Institute of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi,China;3.Duct Branch Company of Baoji Petroleum Steel Pipe Co.,Ltd.,Baoji 721008，Shaanxi,China)

The properties of full thickness repair welding seam that generated by 6 kinds of welding material under the same repair welding condition were comparatively investigated by V-notch Charpy impact toughness test,micro-hardness test and tensile test,and selected out the repair welding material matching with better weld performance.Taking the selected welding material as special welding material for manual repairing the weld defect inφ1 219mm×18.4mm X80M SAWH pipe,the full thickness repair welding tests for the different welding process parameter were conducted,and the low temperature impact test for repair weld was carried out.Finally,it determined the repair welding process forφ1 219mm×18.4mm X80M SAWH pipe.The results indicated that the SHJ557 welding electrode produced by Shanghai Welding Equipment Factory is more suitable for the above repair welding process ofφ1 219mm×18.4mm X80M SAWH pipe,the various performance indexes are higher;the determined repair welding process parameters are reasonable,it ensures the quality of repair weld and the mass production of steel pipe.

welding material;multi-layer and multi-pass;interlayer temperature;heat input;repair welding process

TE973

B

1001-3938(2015)01-0047-07

楊 軍(1982—),男,工程師,從事油氣管材及焊接技術研究,發表論文10余篇。

2014-08-07

黃蔚莉