高壓泥漿管焊接及制作工藝

王群　文俊峰　張龍

摘 要：近針對低合金鋼管ASTM A519 4130的對接焊，采用GTAW打底、SMAW填充蓋面，通過工藝試驗，選擇合適的焊接材料、焊接工藝參數及焊后熱處理工藝。對焊接接頭進行相關力學性能試驗，結果均合格。焊接工藝評定采用ASME規范，同時要滿足NACE（美國防腐工程師協會）規范對硫化物氫致裂紋（SSC）及材料硬度的要求。本文還研究了高壓泥漿管焊接制作過程的精度控制及保護要求。

關鍵詞：A519 4130；焊后熱處理；高壓泥漿管

中圖分類號：U671.83 文獻標識碼：A

Research for Welding and Fabrication Process of High

Pressure Mud Piping

WANG Qun， WEN Junfeng， ZHANG Long

（ COSCO（Guangdong） Shipyard Co.， Ltd. Dongguan 523146 ）

Abstract： For welding of low-alloy steel pipe ASTM A519 4130， GTAW shall be used for root pass， SMAW shall be used for filling and capping pass. Through process test， select the appropriate welding consumables， welding process parameters and the process of post-weld heat treatment. Welded joints were related by mechanical test， the results were satisfactory. Welding procedure qualification are qualified according to ASME（American society of Mechanical Engineer） Boiler and pressure vessel Code， while meeting NACE （American Association of Corrosion Engineers） specifications for sulfur to hydrogen induced cracking （SSC） and material hardness requirements. This article also studied the precision control and protection requirements of the high-pressure mud piping.

Key words： A519 4130； Post-weld heat treatment； high pressure mud piping

1 前言

高壓泥漿管是鉆井液循環系統中的重要組成部分。由于高壓泥漿本身具有很強的腐蝕性且工作壓力超高，所以對于高壓泥漿管的材質及其焊接質量提出了很高的要求，國際上知名的一些行業規范都對其制作及檢驗提出了非?？量痰囊?。高壓泥漿管的材質是ASTM A519 4130，屬于低合金鋼，抗拉強度達到650 Mpa以上，焊接難度較大。焊接工藝評定采用ASME規范，同時要滿足NACE（美國防腐工程師協會）規范對硫化物氫致裂紋（SSC）及材料硬度的要求，這就要求進行合適的熱處理，以降低消除焊接殘余應力和降低母材硬度。

我公司首次承建鉆井系統海工產品，也是第一次焊接制作高壓泥漿管，有必要對這種新產品、新工藝進行研究，確定合適的焊接工藝參數及焊后熱處理參數，確保最終焊縫區域硬度不超過22HRC。高壓泥漿管及管附件均為進口材料，成本高，而且高壓泥漿管的焊接只有一次返修的機會，所以需要特別關注制作過程控制及保護要求。

2 研究方案

通過對高壓泥漿管母材及相關規范的研究，制定PWPS（預焊接工藝），通過焊接工藝試驗，驗證試驗結果滿足相關規范的要求，并依據試驗結果制定焊接工藝指導現場施工。研究的難點是制定和控制熱處理工藝，保證焊縫、熱影響區的硬度不超過22HRC。

3 焊接工藝試驗

3.1 焊接方法及焊材

焊材的選擇要滿足母材的機械性能要求，也要滿足NACE MR0175要求焊材的Ni含量不超過1%的規定，同時焊接材料強度越高，焊縫硬度也會越大。本次焊接工藝試驗采用GTAW打底、SMAW進行填充蓋面焊。氬弧焊絲采用OK Tigrod 55（等級ER100S-G，規格φ2.4 ），手工焊條采用HOBALLOY10018D2（等級E10018-D2，規格φ3.2）；母材規格為D141.3×19.5 mm，母材和焊材的化學成分及力學性能見表1、表2。

3.2 焊接準備及坡口形式

試驗采用6G位置（試管軸線位置與水平面成45°角）。先用橋接鍵連接試管進行點固焊（見圖1），再把試管固定在6G位置；采用機械加工坡口，坡口形式及尺寸見圖2。

3.3 焊接要求及工藝參數

按國際焊接協會（ⅡW）和AWS推薦的碳當量（CE）計算方法來進行計算，母材碳當量為0.52%～0.77%，可見A519 4130的焊接性較差。焊前需預熱，最低預熱溫度為160 ℃，層間溫度控制在160 ℃～250 ℃。預熱溫度的控制測試點為距離坡口側75 mm處，層間溫度的測試點為焊縫邊緣處。

制定合適的焊接熱輸入、預熱及層間溫度、焊后熱處理方式，可有效改善熱影響區和焊縫的微觀組織，促使氫的逸出以及減少焊縫的拘束應力。焊接熱輸入取得過大，會使熱影響區奧氏體晶粒粗化，接頭韌性下降，降低其抗裂性能；熱輸入取得過小，則冷卻速度大，易發生淬硬而增大其冷裂傾向。合理的做法是在充分保證焊接接頭韌性的前提下，適當加大焊接熱輸入，這樣可以增大冷卻時間（t8/5或t100），減少熱影響區的淬硬傾向，有利于氫的擴散逸出。

焊前對焊接區域進行打磨清理，保證焊接部位無油污、鐵銹、氧化層及其他污物，焊接過程中磨掉橋接鍵；采用多層多道焊，每道焊道的厚度不超過5 mm，寬度不超過10 mm，氬弧焊打底的焊層總厚度為5～8 mm。主要焊接工藝參數見表3。

表3 焊接工藝參數

3.4 焊后熱處理工藝

焊后熱處理的作用在于消除應力和細化晶粒，但是熱處理溫度過高會降低焊縫的韌性和強度。按照NACE MR0175規范中焊縫及熱影響區硬度不超過22HRC、熱處理溫度不低于595 ℃的要求，結合母材的回火溫度，以及ASME Ⅷ對不同強度低合金鋼熱處理溫度和保溫時間（1 h/25 mm）的要求，制定本工藝熱處理溫度為650 ℃。

焊后熱處理采用電加熱帶加熱方式，熱處理工藝曲線如圖3所示：室溫～300 ℃為自由升溫，升溫時間不限；300 ℃～650 ℃時升溫速度≤222 ℃/h；650 ℃時保溫時間2.5 h；650 ℃～300 ℃的降溫速度≤280 ℃/h；300 ℃以下斷電自然冷卻至環境溫度。

3.5 力學性能試驗

根據ASME Ⅸ以及NACE MR 0175規范，對焊接接頭進行了拉伸、彎曲、沖擊及硬度測試試驗。試驗結果表明，各項試驗結果均滿足規范以及技術協議要求。硬度試驗示意圖見圖4，硬度符合NACE MR 0175規范要求。沖擊試驗數據見表4。

（V型沖擊：尺寸10×10×55 mm，溫度-40℃）

4 制作過程控制

4.1 切割下料

高壓泥漿管管材下料不允許使用火焰切割（會影響管材硬度），全部使用鋸床切割或刨床加工。高壓管的制作工藝要求比常規管系要嚴格，裝配精度要求高，所以要制作專門的橋接鍵（見圖5），橋接鍵的制作材料要和泥漿管的母材材質相一致，橋接鍵的形狀尺寸也要滿足焊接的坡口間隙要求。

4.2 焊接過程控制

高壓泥漿管的焊接嚴格按照工藝要求進行預熱和控制層間溫度，焊后按工藝要求進行焊后熱處理。焊工須記錄每一道焊縫的焊接參數，以滿足海工產品特殊材料焊接的可追溯性要求。

4.3 高壓泥漿管的保護

高壓泥漿管在裝配點固完成后，在正式焊接前要對焊口進行帆布包裹保護，以防止焊接部位與油污、水分等接觸而導致生銹。高壓泥漿管在船上裝配過程中要做好管口的封堵，可以用塑料堵頭或帆布進行封堵，以防螺絲、鐵條等堅硬物體誤入管內，或在高壓泥漿管試壓過程中出現危險或拆卸排除異物時帶來不便。

5 結束語

合適的焊后熱處理工藝是確保焊縫及熱影響區的硬度不超過22HRC、同時保證焊縫強度要求的關鍵。本文的工藝試驗參數，對于海工同類產品的焊接具有借鑒意義。

參考文獻

[1] ASME IX 焊接和釬焊工藝. 焊工、釬焊工、焊接和釬接操作工評定標

準（鍋爐及壓力容器規范）[S].

[2] NACE MR 0175 國際標準. 防硫化氫應力裂紋金屬材料的材料要求[S]..