高強度X100管線鋼自動焊接技術(shù)研究

鄧賀鑫

（中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300400）

高強度X100管線鋼自動焊接技術(shù)研究

鄧賀鑫

（中鐵十八局集團建筑安裝工程有限公司，天津 300400）

為了獲得X100高強度管線鋼管環(huán)焊縫焊接接頭的各項性能，在對X100高強度管線鋼化學(xué)成分、力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合選定的焊接工藝方案，對該管線鋼管環(huán)焊縫焊接接頭的強度、沖擊韌性、硬度、斷裂韌性（CTOD）和抗氫致開裂（HIC）等進行了試驗分析。結(jié)果表明，X100高強度管線鋼具有良好的焊接性能，焊接接頭的各項性能指標均滿足管道運行安全要求，所選用的焊接材料、焊接方法和工藝參數(shù)可用于該管材的現(xiàn)場焊接。

焊管；X100管線鋼；CRC全自動焊；焊接工藝；力學(xué)性能

Abstract:In order to obtain the various properties of X100 high strength pipeline steel pipe circumferential weld welding joint,based on analyzing the chemical composition and mechanical properties,the tensile strength,low temperature impact toughness,hardness,CTOD and HIC of welding joints were analyzed on X100 pipeline steel combined with the selected welding process.The results indicated that X100 high strength pipeline steel possesses good weldability,the various properties indicators of welding joint meet the requirement of pipeline safe operation,and the selection of welding material,welding method and the process parameters can be used for the welding on site.

Key words:welded pipe;X100 pipeline steel;CRC automatic welding;welding process;mechanical properties

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源需求日益增加。作為石油天然氣經(jīng)濟且安全的運輸方式，長輸管道的開發(fā)與使用正面臨著快速發(fā)展的歷史時期。為提高輸送效率、降低管道建設(shè)成本，需不斷提高管線鋼的強度級別，X100管線鋼正是在這種背景下應(yīng)運而生的。在油氣管道建設(shè)中，用X100管線鋼管代替X80管線鋼管可降低成本。因此，采用X100作為高壓力、大流量油氣輸送管線用鋼，具有較大的經(jīng)濟效益[1-3]。

管道質(zhì)量對管道長期安全運行和使用壽命至關(guān)重要，而焊接技術(shù)是長輸管道建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)。雖然我國X100高級別的管線鋼已經(jīng)誕生，現(xiàn)場生產(chǎn)技術(shù)也日益成熟，但是與發(fā)達國家相比還存在一定的差距。目前，我國針對X100管線鋼焊接性的研究并不多，焊接工藝的制定還有待進一步研究。

CRC管道全自動焊接技術(shù)是管道自動焊接國際先進水平的代表，其對施工現(xiàn)場環(huán)境、地理因素、氣候條件等的適應(yīng)性均較強，因此該技術(shù)受到業(yè)界的廣泛關(guān)注[4-6]。與其他焊接技術(shù)相比，CRC管道全自動焊接技術(shù)最大的特點是生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊道成形好、勞動強度低[7]。

本研究以實際應(yīng)用為導(dǎo)向，在對焊接材料及工藝參數(shù)試驗的基礎(chǔ)上，對X100高強度管線鋼的環(huán)焊焊接接頭的一系列性能進行了試驗分析，以期為長輸管道的建設(shè)提供理論參考和技術(shù)支持。

1 焊接工藝準備

1.1 CRC焊接系統(tǒng)

CRC管道全自動焊接系統(tǒng)包括CRC坡口機、內(nèi)焊機、P260熱焊系統(tǒng)和P600雙焊槍焊接系統(tǒng)。根焊采用CRC內(nèi)焊機系統(tǒng)，內(nèi)焊機系統(tǒng)集對口器和內(nèi)焊機于一體，有8把焊槍，沿圓周方向均勻安裝在內(nèi)對口器上，由4臺Lincoln DC-400焊接電源供電。熱焊采用P260熱焊系統(tǒng)，由焊接小車、Lincoln DC-400焊接電源、電源控制盒及配電盤組成，該系統(tǒng)具有操作簡單、可編程和電弧垂直跟蹤等特點。填充、蓋面采用P600雙焊槍焊接系統(tǒng)，包括雙焊槍機頭、焊槍水冷裝置、電源控制箱、正極和負極焊接電纜、氣體保護源和調(diào)壓器、Fronius Transplis Synergic 3200 Pipe電源以及手持式控制器。P600雙槍頭焊機具有水平和縱向的自動跟蹤系統(tǒng)，可根據(jù)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流來調(diào)節(jié)焊槍的上下及左右位置，以保證焊接過程中焊槍始終居中且電弧燃燒穩(wěn)定，確保焊接質(zhì)量[6]。

1.2 管材選用

管材選用鞍鋼集團生產(chǎn)的低C高Mn微合金化設(shè)計的X100熱軋卷板制成的螺旋縫埋弧焊接鋼管，規(guī)格為Φ1 219 mm×18.4 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能檢測結(jié)果分別見表1和表2。

表1 X100螺旋焊管的化學(xué)成分 %

表2 X100螺旋焊管的力學(xué)性能

從表1可以看出，X100高強度管線鋼為低C高Mn微合金化設(shè)計，該成分設(shè)計可以保證管線鋼組織中針狀鐵素體的形成和晶粒的細化，使X100管線鋼在低碳含量下具有高強度、高韌性和良好的焊接性。另外，w（S）也非常低，僅為0.001 5%，進一步提高了X100高強度管線鋼抗H2S腐蝕的性能。

1.3 坡口設(shè)計

CRC管道全自動焊接選用復(fù)合坡口，坡口形狀及焊接順序如圖1所示。該坡口形狀可有效節(jié)省焊材和保護氣體，具有焊接效率高、熱影響區(qū)、接頭應(yīng)力及焊接變形小等特點。

圖1 CRC管道全自動焊接的坡口形狀及焊道順序示意圖

2 焊接工藝試驗

按照美國AWS選擇焊材，根焊選用Φ0.9 mm ER100S-G氣體保護焊實芯焊絲，保護氣體為25%CO2+75%Ar；熱焊選用Φ0.9 mm ER100S-G氣體保護焊實芯焊絲，保護氣體為100%CO2；填充、蓋面焊選用Φ1.0 mm ER110S-G氣體保護焊實芯焊絲，保護氣體為15%CO2+85%Ar。經(jīng)過多次焊接工藝試驗，最終確定的焊接工藝參數(shù)見表3。

焊前應(yīng)將試件清理干凈，坡口及坡口兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)應(yīng)見金屬光澤，檢查焊接設(shè)備、送氣系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、供電電源并調(diào)試好。為了防止焊口產(chǎn)生淬硬組織導(dǎo)致延遲裂紋等缺陷，焊前需將坡口兩側(cè)50 mm內(nèi)做預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為100～200℃，層間溫度控制在100～250℃。

表3 CRC管道全自動焊接系統(tǒng)焊接工藝參數(shù)

3 焊接接頭性能測試結(jié)果及分析

3.1 拉伸試驗

依照API 1104—2013美國石油學(xué)會標準，任何一個試樣在強度數(shù)值上不得小于所選管線鋼母材名義強度值（可以小于管線鋼母材實際強度）。試樣在被拉斷后應(yīng)對拉斷的位置進行觀察。若試樣拉斷位置發(fā)生在母材，并且試驗測得的強度數(shù)值在管材規(guī)定名義強度數(shù)值之上或兩者相當(dāng)時，則認為試樣是合格的。若試樣的拉斷位置不在母材，而是位于焊縫，亦或在熔合區(qū)，試驗測得強度數(shù)值在管材規(guī)定名義強度數(shù)值之上或兩者相當(dāng)，并且斷面沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，亦或者缺陷的相關(guān)類型與尺寸大小不影響無損檢測，則認為也是合格的[8]。因而，對X100高強度管線鋼焊接接頭進行拉伸性能測試，最低要求為所得接頭強度不得小于X100高強鋼名義強度（數(shù)值為760 MPa）。X100高強度管線鋼焊接接頭的拉伸試驗結(jié)果見表4。

表4 X100高強度管線鋼焊接接頭的拉伸試驗結(jié)果

從表4可以看出，焊接接頭的強度最小值為805 MPa，最大852 MPa；所得強度數(shù)值均比X100高強度管線鋼名義強度（760 MPa）大，且有較大的富裕量。從試樣拉斷部位看，4個試樣當(dāng)中有3個斷在焊縫區(qū)，1個斷在母材區(qū)。觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂位置在焊縫處的試樣，斷口處塑性變形和斷面收縮現(xiàn)象明顯，此種情況屬于韌性斷裂。在CRC-LS-1試樣的斷口位置有像魚眼似的白點（如圖2所示）。魚眼是典型的可逆性氫脆，只有對低碳鋼的焊縫區(qū)金屬進行拉彎試驗時才可看到，沖擊試驗是無法看到的。魚眼現(xiàn)象會使焊接接頭的塑性和韌性下降。魚眼現(xiàn)象是拉伸或塑性變形時誘發(fā)的，采取減少氫（包括游離態(tài)氫）來源、進行焊前預(yù)熱、或在100～250℃進行去氫退火處理等手段，能降低焊縫里的氫含量，有效預(yù)防魚眼的發(fā)生，消除氫脆的產(chǎn)生。

圖2 CRC-LS-1試樣拉伸斷面

除CRC-LS-1試樣斷口處存在像魚眼似的白點外，其他試樣斷口表面均未有發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，并且斷口韌性良好。

X100高強度管線鋼焊接接頭拉伸試驗結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強度數(shù)值與X100鋼管的抗拉強度數(shù)值大小相當(dāng)，實現(xiàn)了與母材的等強匹配。

3.2 低溫沖擊試驗

按照GB/T 2650—2008要求對X100焊接接頭試樣進行沖擊試驗。選用夏比V形缺口試樣，缺口的加工位置分別位于焊縫中心和焊接熱影響區(qū)，試驗溫度為-20℃。X100高強度管線鋼管焊接接頭的沖擊試驗結(jié)果見表5。

由表5可知，X100高強度管線鋼焊接接頭焊縫中心的沖擊功最小為138 J，最大為162 J，平均為152 J；HAZ區(qū)的沖擊功，最小為180 J，最大為203 J，平均為194 J。所有試驗值均滿足沖擊功單值≥60 J、平均≥80 J的標準要求。同時，試驗溫度下，沖擊試驗結(jié)果的離散性較小，與平均值的最大偏差僅為14 J。綜合來看，該焊接工藝下，HAZ區(qū)的沖擊功普遍高于焊縫，這說明HAZ區(qū)的低溫沖擊韌性要優(yōu)于焊縫。究其原因，主要是HAZ區(qū)試樣缺口處在熔合線，其缺口范圍跨越了焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材三個區(qū)域。又由于X100高強鋼母材的沖擊韌性要好于焊縫，因而試驗所得HAZ區(qū)沖擊功數(shù)值較焊縫高。

表5 X100高強度管線鋼焊接接頭－20℃沖擊試驗結(jié)果

沖擊吸收功數(shù)值愈高，鋼材的韌性愈好，則鋼材愈不易發(fā)生脆斷。一般而言，HAZ的韌性普遍要比焊縫高，那么斷裂發(fā)生在焊縫區(qū)域的概率較大。

采用SEM對－20℃溫度時沖擊功較低的焊縫與HAZ斷口進行觀察，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，－20℃下沖擊試樣SEM照片中出現(xiàn)的韌窩狀很多，且韌窩較深，說明該斷裂的方式為韌斷，這與拉伸試驗的結(jié)論一致。

觀察可知，圖3（b）中斷口面呈現(xiàn)的韌窩大小不一，并且存在撕裂棱。分析發(fā)現(xiàn)韌窩均為等軸韌窩，且較大的韌窩中還有很多較小韌窩，由于韌窩尺寸很小，屬微孔聚集斷裂。該斷裂為高強度管線鋼韌性斷裂的常見方式。斷裂時，首先顯微孔或者微孔會在塑變較嚴重區(qū)形成、長大、聚集，進而發(fā)展成裂紋，直至斷裂。當(dāng)微孔達到一定程度的塑性變形后就會導(dǎo)致材料的斷裂。

圖3 焊縫及HAZ沖擊試樣斷口表面SEM照片

3.3 硬度試驗

硬度是對鋼材力學(xué)性能（如彈、塑、強、韌等性能）進行綜合表征的一項重要的參數(shù)。通常認為，母材強度級別愈高，其抗塑性變形的能力也愈大，相應(yīng)地其硬度數(shù)值也愈高。隨著管線鋼材料硬度的增大，其強度也會逐漸升高，而塑性和韌性則會相應(yīng)下降，此種情況下，受力時管線鋼發(fā)生塑性變形的能力也下降，通過塑性變形而使內(nèi)應(yīng)力松弛、應(yīng)力集中降低和材料強度提高來阻止裂紋擴展的作用就會減弱，由此會增大管線鋼材料的開裂傾向。鋼在經(jīng)過了焊接熱循環(huán)后，部分組織和相比例會發(fā)生變化，力學(xué)性能也會產(chǎn)生相應(yīng)的改變。通過維氏顯微硬度測量儀測得X100高強度管線鋼焊接接頭硬度值如圖4所示。

圖4 X100高強度管線鋼焊接接頭硬度分布

從圖4可以看出，不同焊道的硬度不同，其中蓋面層硬度值最高、根焊/熱焊層最低。這是由于蓋面焊所得組織屬于一次結(jié)晶，而填充層與根焊/熱焊層都經(jīng)歷了不同程度的二次加熱，晶粒會發(fā)生再次結(jié)晶，從而使硬度降低。根焊/熱焊層中，焊縫金屬的最小硬度247 HV10，最大硬度260 HV10，均較母材低；HAZ區(qū)的最小硬度為275 HV10，最大287 HV10，沒有出現(xiàn)軟化區(qū)（硬度明顯較母材低的區(qū)域）。填充層中，焊縫金屬的最小硬度 269 HV10，最大289 HV10；HAZ區(qū)的最小硬度282 HV10，最大硬度293 HV10，也沒有出現(xiàn)軟化區(qū)。蓋面層中，焊縫金屬的最小硬度294 HV10，最大305 HV10，接近母材；HAZ區(qū)沒有軟化區(qū)。測試結(jié)果表明，在給定工藝下進行焊接實現(xiàn)了與母材的等強度匹配，焊接接頭的硬度指標滿足要求，熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象較弱。

3.4 CTOD試驗

CTOD值能夠反映裂紋尖端的材料抵抗開裂的能力。通常情況下，若測得的CTOD數(shù)值越大，表明裂紋尖端處材料的抗開裂性能越好，即韌度越好；反之，測得的CTOD數(shù)值越小，表明裂紋尖端處材料的抗開裂性能越差，即韌度越差。

按照JB/T 4291方法對X100高強度管線鋼的焊接接頭進行－20℃的斷裂韌性（CTOD）測試，結(jié)果見表6。從表6可以看出，焊縫的CTOD值最小 0.35，最大 0.67；HAZ區(qū)的 CTOD最小0.68，最大0.81。總的來看，熱影響區(qū)的斷裂韌度在數(shù)值上普遍高于焊縫金屬，這與低溫沖擊試驗結(jié)果相一致。但焊縫區(qū)CTOD試驗結(jié)果的離散性較大，當(dāng)人工預(yù)制疲勞裂紋位于焊縫金屬的微裂紋區(qū)時，將會造成CTOD值突降，產(chǎn)生較大的離散類分布。

表6 X100高強度管線鋼焊接接頭焊縫及熱影響區(qū)CTOD試驗結(jié)果（試驗溫度－20℃）

試驗結(jié)果表明，－20℃條件下測定的CTOD數(shù)值均在0.05 mm以上，符合API 1104—2013標準中CTOD數(shù)值不小于0.05的要求。

3.5 HIC試驗

按照NACE TM0284標準對X100高強度管線鋼焊接接頭進行抗氫致開裂（HIC）試驗，所選溶液為NACE TM0284規(guī)范中的A溶液。按圖5要求切割試樣，對檢查面進行金相拋光。試驗后按圖6測量裂紋的長度及寬度，并按照相應(yīng)計算公式進行計算。

圖5 抗HIC試樣切割示意圖

圖6 裂紋長度和寬度測量示意圖

式中：a—裂紋長度，mm；

b—裂紋厚度，mm；

W—樣品寬度，mm；

T—樣品厚度， mm。

在3個指標中，衡量管線鋼抗HIC能力高低的主要依據(jù)為CSR。因為CSR不但表示了厚度方向上管材產(chǎn)生氫致裂紋的能力，而且體現(xiàn)了軋制方向上管材抵抗氫致開裂的難易程度。材料CSR平均值愈大，表明對HIC敏感性愈大；反之，CSR平均值愈接近于0，材料抗HIC的能力就愈強。

X100高強度管線鋼焊接接頭抗HIC試驗結(jié)果見表7。

根據(jù)API SPEC 5L標準，在A溶液進行HIC試驗時，每個試樣3個截面的CSR、CLR和CTR應(yīng)符合以下驗收極限，即CSR≤2%，CLR≤15%，CTR≤5%。試驗結(jié)果表明，所選焊接工藝方案焊接的X100高強度管線鋼焊縫金屬的CSR=0.04%，CLR=1.57%，CTR=0.61%，均滿足標準要求。說明采用該焊接工藝方案對X100高強度管線鋼進行焊接，所得焊接接頭具有較好的抗HIC性能。

表7 X100高強度管線鋼焊接接頭抗HIC試驗結(jié)果

4 結(jié)束語

根據(jù)API 1104—2013管道焊接標準，對X100高強度管線鋼CRC全自動焊接工藝技術(shù)進行了研究，在選定的焊接工藝方案下，X100高強度管線鋼焊縫金屬具有的強、塑、韌等方面的力學(xué)性能均滿足相關(guān)標準的要求，且不存在HAZ區(qū)軟化現(xiàn)象，實現(xiàn)了與母材的等強匹配；且焊接接頭具有良好的低溫韌性和抗HIC性能。選用的焊接工藝合理，采用該工藝可以得到性能良好的焊接接頭。

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Research on Automatic Welding Technology of X100 Grade High Strength Pipeline Steel

DENG Hexin
（China Railway Eighteen Bureau Group Construction and Installation Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China）

TG457.11

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.003

2016-09-06

編輯：謝淑霞

鄧賀鑫（1991—），男，天津人，助理工程師，本科，主要從事長輸管道工程建設(shè)和管理方面的工作。