D1422mm厚壁X80鋼管GMAW-P 環(huán)焊工藝

閆 臣，白大勇，單慕曉

（1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000；2.中國石油天然氣管道局第一工程分公司，河北廊坊065000）

D1422mm厚壁X80鋼管GMAW-P 環(huán)焊工藝

閆 臣1，白大勇2，單慕曉1

（1.中國石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北廊坊065000；2.中國石油天然氣管道局第一工程分公司，河北廊坊065000）

分析D1422mm厚壁X80鋼管焊接性，對D1422mm厚壁X80鋼管進行了GMAW-P自動焊焊接工藝試驗，測試環(huán)焊接頭力學(xué)性能，總結(jié)焊接工藝控制要點，并利用系列溫度夏比沖擊試驗測定環(huán)焊接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度點。結(jié)果表明，采用GMAW-P自動焊工藝焊接D1422mm厚壁X80鋼管可以有效避免X80鋼熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象，力學(xué)性能滿足規(guī)范要求，GMAW-P自動焊環(huán)焊接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度點低，滿足在低溫環(huán)境下施工及服役的安全性要求。在我國中俄東線管道的建設(shè)中，GMAW-P自動焊工藝將是主要的焊接工藝之一。

D1422mm；X80鋼管；GMAW-P；自動焊

0 前言

隨著我國對清潔能源需求的加大，天然氣管道的鋼級、管徑、輸送壓力都隨之提高。已建成的西氣東輸二線管道與正在建設(shè)的西氣東輸三線管道，都選用了D1219mm X80鋼管作為干線輸送用管，鋼管設(shè)計壁厚主要為18.4 mm。通過這兩個工程的建設(shè)，我國在D1219mm X80鋼管現(xiàn)場焊接方面積累了大量的實踐經(jīng)驗，焊接工藝水平也得到進一步提高。2014年5月，中石油與俄氣公司簽署了《中俄東線管道供氣購銷協(xié)議》，中俄東線建設(shè)提上日程。根據(jù)初步設(shè)計，中俄東線天然氣管道將選用D1422mm X80鋼管作為干線輸送用管，管道設(shè)計壓力達12MPa，主要地區(qū)鋼管設(shè)計壁厚達到21.4 mm，管道沿途經(jīng)過的黑龍江省、吉林省、遼寧省均位于我國東北寒冷地區(qū)，冬季漫長而寒冷，最冷月平均氣溫約-24℃～-14℃，極端氣溫達-48.1℃。

目前，僅俄羅斯擁有在高寒地區(qū)建設(shè)D1219mm以上大口徑管道的施工經(jīng)驗，其建設(shè)的博烏管道干線管徑1 420 mm，材質(zhì)為K65（相當(dāng)于X80），設(shè)計壓力11.8 MPa，現(xiàn)場環(huán)焊工藝主要采用熔化極氣體保護自動焊和焊條電弧焊。為滿足中俄東線天然氣管道建設(shè)需求，必須開發(fā)出適合我國東北寒冷地區(qū)D1422mm X80管道焊接的高效焊接工藝。

1 D1422mm X80鋼管性能及焊接性

D1422mm X80鋼管與D1219mm X80鋼管相比并非只是管徑的變化，其化學(xué)成分、制造工藝均有不同程度的改變，從而導(dǎo)致焊接性發(fā)生改變。本次試驗采用上海寶鋼試制的D1422mm，21.4 mm壁厚X80鋼管，其力學(xué)性能及化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 寶鋼產(chǎn)D1422mm X80力學(xué)性能

表2 寶鋼產(chǎn)D1422mm X80鋼管化學(xué)成分％

通過表1、表2可知，寶鋼產(chǎn)D1422mm X80鋼管屬于微合金化、超純凈冶煉和控扎控冷的細晶粒鋼，具有強度高和韌性好等特點。其含碳量低，S、P雜質(zhì)元素含量也較低，潔凈度高，組織均勻性好，焊接性良好。但由于含碳量較低，為保證其強度，加入了Cr、Cu、Nb、V、Al等沉淀強化和固溶強化元素，這些元素會增強母材的脆硬性。

此D1422mm X80鋼管冷裂紋敏感系數(shù)Pcm= 0.175 3，有一定的冷裂傾向，另外由于管徑大、壁厚較厚，焊接時拘束應(yīng)力大，會導(dǎo)致冷裂敏感性加強，為此選用S、P含量低的低氫型焊材及低氫型焊接方法，并采用合適的預(yù)熱溫度、層間溫度。另外，在X80M鋼焊接時，較高的熱輸入易導(dǎo)致HAZ（熱影響區(qū)）出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，必須采用低熱輸入的焊接工藝。

考慮到D1422mm X80鋼管將在我國東北寒冷地區(qū)使用，對環(huán)焊接頭的低溫韌性有較高要求，故在焊接材料選擇及現(xiàn)場焊接工藝設(shè)計上要滿足低溫環(huán)境下的性能要求。

2 焊接工藝設(shè)計及評定

2.1 焊接方法及設(shè)備

脈沖熔化極氣體保護焊（GMAW-P）是一種高質(zhì)量的熔焊方法，生產(chǎn)效率高，且焊接熱輸入量低，在油氣長輸管道焊接中主要應(yīng)用于管道自動焊系統(tǒng)，特別適合大口徑、高鋼級管道焊接。由于一般使用的管道半自動焊、焊條電弧焊方法已不能滿足D1422mm X80鋼管現(xiàn)場焊接需求，故高效優(yōu)質(zhì)的GMAW-P管道自動焊方法是建設(shè)D1422mm管道的必然選擇。

焊接設(shè)備采用由中國石油天然氣管道科學(xué)研究院研發(fā)的CPP 900系列管道自動焊系統(tǒng)。該系統(tǒng)由坡口機、內(nèi)焊機及雙焊炬外焊機組成，焊接電源采用奧地利福尼斯TPS3200數(shù)字化脈沖電源。全自動雙焊炬外焊機（見圖1）配有目前世界先進的電弧跟蹤系統(tǒng)，大大提高了焊接質(zhì)量，可以實現(xiàn)自動化、智能化焊接。

圖1 CPP 900-W2型管道全自動雙焊炬外焊機

2.2 焊接材料

為滿足焊接接頭強度及低溫韌性匹配的要求，內(nèi)根焊選用BOEHLER SG3-P(ER70S-G)φ0.9 mm實心焊絲。熱焊、填充、蓋面焊接選用BOEHLER SG8-P(ER80S-G)φ1.0mm實心焊絲。

內(nèi)根焊采用φ（Ar）75％+φ（CO2）25％作為保護氣體，熱焊、填充、蓋面焊接采用φ（Ar）80％+φ（CO2）20％作為保護氣體。

2.3 接頭設(shè)計和坡口準(zhǔn)備

GMAW-P管道自動焊在焊接過程中易出現(xiàn)坡口側(cè)壁未熔合缺陷，經(jīng)過前期的焊接試驗，將原來D1219mm、18.4 mm壁厚X80鋼管采用的上開口5°坡口，改為了3°坡口，通過無損檢測發(fā)現(xiàn)，3°坡口可顯著降低側(cè)壁未熔合缺陷出現(xiàn)的幾率。

采用的坡口型式以及尺寸如圖2所示。采用專用坡口機進行坡口加工，并采用專用測量工具測量坡口尺寸，測量點數(shù)為4點，且4點均布在整個圓周上。對管口平面與管軸線的垂直度也進行測量，測量點數(shù)同樣為4點，保證坡口尺寸滿足設(shè)計要求。

圖2 坡口型式及尺寸

2.4 焊接工藝參數(shù)

焊前根據(jù)坡口尺寸及管口組對精度，在CPP 900焊接系統(tǒng)中輸入擺寬、擺頻、邊緣停留時間等參數(shù)。預(yù)熱溫度100℃，層間溫度60℃～150℃。焊接工藝規(guī)范見表3。

表3 焊接工藝規(guī)范

2.5 力學(xué)性能評定

按照中國石油管道建設(shè)項目經(jīng)理部標(biāo)準(zhǔn)Q/SY GJX 137.1-2012《油氣管道工程焊接技術(shù)規(guī)范第1部分：線路焊接》規(guī)定進行拉伸、側(cè)彎、刻槽錘斷、夏比沖擊、硬度、宏觀金相試驗。試驗結(jié)果表明：環(huán)焊接頭拉伸強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，斷裂位置均在母材，熱影響區(qū)未出現(xiàn)軟化現(xiàn)象；接頭側(cè)彎試樣均未出現(xiàn)裂紋；刻槽錘斷斷面熔合良好，無氣孔等缺陷；-10℃下，焊縫中心及熱影響區(qū)夏比沖擊功均高于標(biāo)準(zhǔn)要求的均值80 J，且無低于80 J單值；焊接接頭HV10硬度最高為240，出現(xiàn)在根焊層，滿足標(biāo)準(zhǔn)最高300的要求；由圖3可知，接頭宏觀金相熔合良好，未出現(xiàn)未熔合、裂紋、氣孔等缺陷。綜合以上試驗結(jié)果可知，采用GMAW-P自動焊方法焊接的D1422mm厚壁X80M鋼管環(huán)焊接頭力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 接頭宏觀金相照片

2.6 焊接工藝控制要點

（1）坡口質(zhì)量直接決定焊縫質(zhì)量。采用專用的測量工具測量坡口尺寸和垂直度，測量點數(shù)不少于4點，且均布在整個圓周上。如果發(fā)現(xiàn)坡口尺寸和垂直度有超標(biāo)現(xiàn)象，必須調(diào)整坡口機，并重新加工坡口。

（2）GMAW-P焊接工藝對氣孔十分敏感，施焊前必須清理干凈坡口表面的銹、油污、氧化皮等雜質(zhì)，并保證焊接現(xiàn)場風(fēng)速小于2 m/s。

（3）內(nèi)焊機根焊時，要將內(nèi)焊槍準(zhǔn)確地定位在坡口中心，偏差不得大于1 mm。根焊道完成后，由于此時根焊縫厚度較薄，且存在較大的拘束應(yīng)力，為避免根部產(chǎn)生裂紋，不能移動或撤離內(nèi)焊機，待熱焊完成后才可移除。

（4）熱焊施焊前檢查根焊道的外表面質(zhì)量，如

存在凸起過高、兩側(cè)溝槽較深、焊道接頭過高情況時，應(yīng)采用砂輪機修磨根焊道表面。采用砂輪機打磨時，特別注意不能損傷坡口。

（5）熱焊道焊接完成后即可焊接填充焊道，焊接前要再次測量坡口組對尺寸，并根據(jù)測量尺寸核對設(shè)置的送絲速度、電弧電壓、擺動寬度、擺動頻率、擺動速度和邊緣停留時間等參數(shù)，確保接頭熔合良好，各層的厚度均勻一致。

（6）為保證蓋面焊道成形及質(zhì)量，最后一層填充焊道的焊接應(yīng)焊至距坡口表面約1 mm，且焊道表面的凸起高度越小越好。每層焊道焊完后，清理表面的氧化層和表面附著物，磨除焊道接頭凸起的高度。

3 環(huán)焊接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度測定

為保證D1422mm厚壁X80鋼管環(huán)焊接頭在低溫環(huán)境下的安全性，考察GMAW-P自動焊接頭抗脆性斷裂的能力，采用系列溫度夏比沖擊試驗測定環(huán)焊接接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度點，以脆性斷面率50％（FATT50）為轉(zhuǎn)變點判據(jù)，共設(shè)置7個試驗溫度，分別為20℃、0℃、-10℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃。試驗按GB/T229-2007進行，所測定的焊縫金屬韌脆轉(zhuǎn)變曲線見圖4，熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變曲線見圖5。

圖4 焊縫金屬韌脆轉(zhuǎn)變曲線

由圖4可知，焊縫金屬韌脆轉(zhuǎn)變曲線無S型特征，在-80℃時，脆性斷面率仍未達到50％，可以預(yù)見GMAW-P自動焊接頭焊縫金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度點低于-80℃。圖5所示的熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變曲線上平臺和下平臺并不明顯，但可認為整體曲線呈S型，當(dāng)脆性斷面率達50％時，所對應(yīng)的韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-36℃。

圖5 熱影響區(qū)韌脆轉(zhuǎn)變曲線

4 現(xiàn)場應(yīng)用

為驗證D1422mm X80管材的止裂韌性指標(biāo)，中石油在我國首座管道斷裂控制試驗場進行了中俄東線用D1422mm厚壁X80鋼管12 MPa天然氣管道的全尺寸爆破試驗。試驗管道由11根D1422mm，21.4 mm壁厚X80鋼管焊接而成，焊接工藝按照本研究所述工藝進行，現(xiàn)場無損檢測一次合格率達到100％。經(jīng)爆破試驗證明，采用GMAWP自動焊工藝與鋼管組成的管道系統(tǒng)達到了預(yù)期的止裂效果和試驗?zāi)康摹?/p>

5 結(jié)論

（1）氣孔和未熔合是GMAW-P自動焊的主要缺陷類型，保證坡口加工尺寸精度與選擇合適的焊接工藝參數(shù)是保證GMAW-P自動焊焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

（2）力學(xué)性能試驗表明，采用GMAW-P自動焊工藝焊接D1422mm X80鋼管可以有效避免X80M鋼熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象。

（3）GMAW-P自動焊工藝焊接的D1422mm厚壁X80鋼管環(huán)焊接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度點低，適用于我國高寒地區(qū)的管道建設(shè)。

（4）GMAW-P自動焊工藝以其優(yōu)質(zhì)高效的特點，在我國中俄東線D1422mm厚壁X80管道建設(shè)中將是主要的現(xiàn)場焊接工藝之一。

[1]高惠臨.管線鋼與管線鋼管[M].北京：中國石化出版社，2012.

[2]隋永莉，吳宏.我國長輸油氣管道自動焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望[J].油氣儲運，2014（9）：913-921.

The GMAW-P girth welding process for D1422mm X80 thick wall steel pipe

YAN Chen1，BAI Dayong2，SHAN Muxiao1
（1.China Petroleum Pipeline Research Institute，Langfang 065000，China；2.China Petroleum Pipeline No.1 Construction Company，Langfang 065000，China）

Analyzed the weldability of D1422mm thick wall X80M steel pipe，qualified the GMAW-P automatic welding procedure for D1422mm thick wall X80M steel pipe，mechanical properties of girth welding joints were tested，summarized welding process control points，and ductile brittle transition temperature point was determined byusingthe series charpyimpact test temperature.Results showthat the GMAW-P automatic welding process can effectively avoid X80M steel HAZ softening phenomenon，mechanical properties meet the specification requirements.GMAW-P automatic welding joints have low ductile brittle transition temperature point，can meet the construction and service of security requirement in low temperature environment.In the construction of China-Russia eastern pipeline project，GMAW-P automatic weldingprocess is one ofthe main weldingprocess.

D1422mm；X80 steel pipe；GMAW-P；automatic welding

TG457.6

B

1001－2303（2016）07－0055-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.13

2016-02-18

閆臣（1982—），男，甘肅天水人，碩士，主要從事長輸管道與儲罐焊接技術(shù)研究、焊接工藝評定、材料性能試驗與焊工培訓(xùn)認證工作。