鉆井平臺(tái)用ASTM 4130管線鋼管焊接工藝評(píng)定

郭 毅，柴俊義，張育坤

（太重濱海海工裝備分公司，天津300452）

鉆井平臺(tái)用ASTM 4130管線鋼管焊接工藝評(píng)定

郭 毅，柴俊義，張育坤

（太重濱海海工裝備分公司，天津300452）

為了保障鉆井平臺(tái)用ASTM 4130管線鋼管的安全運(yùn)行，研究滿足規(guī)范要求并符合現(xiàn)場(chǎng)工況的焊接工藝，通過對(duì)管材焊接性能分析，制定出與之相匹配的焊接工藝，并進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，ASTM 4130管線鋼管試樣的各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果均符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求，表明研究制定的焊接工藝規(guī)范合理，能夠滿足嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)工況要求，保證了ASTM 4130管線鋼管的順利生產(chǎn)和安全運(yùn)行。

鋼管；鉆井平臺(tái)；ASTM 4130； 焊接工藝評(píng)定

Abstract:In order to guarantee safe operation of drilling platform ASTM 4130 line pipe,it studied the welding process,which can meet the specification requirements and conform to the site condition.Through the analysis of pipe material welding performance,successfully formulated the matched welding process specification,and the welding procedure qualification test was carried out with this specification.The test results indicated that the various physical and chemical test results conforms to the requirements of the evaluation criteria,showed that the formulated welding process qualification is reasonable,which can meet the severe standard and site condition requirement,ensure the smooth production and safe operation of ASTM 4130 line pipe.

Key words:steel pipe;drilling platform;ASTM 4130;welding procedure qualification

1 ASTM 4130管線鋼焊接性能分析

ASTM 4130管線鋼的交貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1和表2[1]。從表1可以計(jì)算出，ASTM 4130管線鋼的碳當(dāng)量CEIIW為0.56～0.76， 裂紋敏感系數(shù) CEpcm 為 0.36～0.44，冷裂紋敏感系數(shù)較高，具有明顯的淬硬和冷裂紋傾向。

表1 ASTM 4130管線鋼化學(xué)成分 %

表2 ASTM 4130管線鋼力學(xué)性能

ASTM 4130管線鋼為中碳高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼，類似于國標(biāo)的30CrMo材質(zhì)，該類材料的碳含量和合金含量較高，具有較大的熱裂傾向。在制定焊接工藝時(shí)，應(yīng)盡量選擇低C、P、S焊材，適當(dāng)增加焊接熱輸入，提高預(yù)熱溫度，從而減小焊縫金屬的應(yīng)變率，降低焊接裂紋傾向。

中碳高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼由于碳含量和合金含量較高，有較高的淬硬性，在焊接熱影響區(qū)容易產(chǎn)生硬而脆的高碳馬氏體組織，從而導(dǎo)致熱影響區(qū)脆化[2]。為了盡量減弱熱影響區(qū)脆化影響，在焊接過程中應(yīng)精確控制熱輸入。焊接熱輸入過高會(huì)因晶粒長大或出現(xiàn)魏氏體組織而降低粗晶區(qū)韌性；焊接熱輸入過小，粗晶區(qū)中馬氏體組織所占比例過大而降低韌性[3]。

ASTM 4130管線鋼應(yīng)用環(huán)境十分惡劣，會(huì)受到周期載荷、海水及油介質(zhì)的影響，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，所以在制定焊接工藝時(shí)，應(yīng)滿足NACE-0175[4]和 ASME B31.3[5]的相關(guān)要求。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材料及接頭形式

本次焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)選用規(guī)格Φ88.9 mm×7.62 mm進(jìn)口ASTM 4130-QT無縫鋼管，為了覆蓋全位置對(duì)接焊，確定焊接位置為6G。焊接坡口形式如圖1所示。

圖1 焊接坡口形式

2.2 焊接材料

由于試驗(yàn)用鋼管直徑較小，只能進(jìn)行單面施焊，其背面成形質(zhì)量不易保證，所以打底焊一般采用鎢極氬弧焊工藝。由于本研究中ASTM 4130鋼管應(yīng)用范圍較小，故采用手工鎢極氬弧焊。根據(jù)管材強(qiáng)度及根焊縫殘余應(yīng)力較大因素，選用OERLIKON的1CrMo氬弧焊絲進(jìn)行打底焊。該焊材的C、P、S含量較低，熱裂紋敏感系數(shù)較小。

為了提高熔敷率，改善現(xiàn)場(chǎng)施工條件，對(duì)接焊的填充和蓋面焊部分采用手工電弧焊工藝。手工電弧焊焊材的選用主要依據(jù)以下原則：①選用與ASTM 4130管材強(qiáng)度同級(jí)別的焊材；②焊材w（Ni）＜1%（NACE MR01-75[2]中的要求）； ③焊材為低氫堿性焊條且熱裂紋敏感元素C、P、S含量低。根據(jù)以上原則，最終選定ESAB OK74.86作為填充、蓋面焊用焊材。

2.3 預(yù)熱和層間溫度

預(yù)熱溫度與管材的淬硬性、板厚、拘束度和氫含量等因素有關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)推薦的預(yù)熱溫度只能作為參考，工程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況結(jié)合焊接工藝評(píng)定的驗(yàn)證試驗(yàn)來確定預(yù)熱溫度，多層多道焊的層間溫度應(yīng)保證不低于預(yù)熱溫度。最終確定預(yù)熱溫度≥180℃，層間溫度≤230℃。

2.4 焊接參數(shù)

ASTM 4130管材作為中碳高強(qiáng)調(diào)質(zhì)鋼，合金元素較多，且有相當(dāng)大的淬硬傾向，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度MS低，無“自回火”過程，在焊接熱影響區(qū)易產(chǎn)生大量硬而脆的馬氏體組織[4]。焊接過程中對(duì)焊接熱輸入較為敏感，熱輸入過大，會(huì)造成焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗大，接頭韌性和抗裂性能下降；熱輸入過小，則冷卻速度快，容易產(chǎn)生淬硬組織，使其裂紋傾向增大。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合焊接工藝，確定本次試驗(yàn)的鎢極氬弧焊熱輸入應(yīng)控制在1.5～2.0 kJ/mm，手工電弧焊的熱輸入應(yīng)控制在1.8～2.5 kJ/mm。具體焊接參數(shù)見表3[6-9]。

表3 試驗(yàn)焊接參數(shù)

2.5 焊后熱處理工藝

焊后熱處理主要是為了改善焊接接頭的顯微組織，消除焊接殘余應(yīng)力。ASTM 4130管材的焊后熱處理工藝制定主要基于以下幾點(diǎn)：①焊后接頭硬度滿足NACE-0175標(biāo)準(zhǔn)要求（≤22.0HRC）；②熱處理最高溫度應(yīng)低于母材的調(diào)質(zhì)回火溫度，（一般低于此溫度30℃左右）；③符合ASME B31.3中對(duì)4130材質(zhì)的熱處理要求。本研究確定的焊后熱處理工藝參數(shù)見表4。

表4 焊后熱處理工藝參數(shù)

3 焊接工藝評(píng)定

焊接試件熱處理后，對(duì)焊縫進(jìn)行100%的UT和MT探傷，探傷合格后，進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，取樣位置如圖2所示。由于項(xiàng)目入級(jí)CCS，所以ASTM 4130鋼管焊接評(píng)定的取樣要求應(yīng)遵守CCS材料與焊接規(guī)范2014版[10]的相關(guān)要求，而評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)則綜合考慮NACE-0175、ASEM B 31.3和API的相關(guān)要求。

圖2 取樣位置示意圖

3.1 橫向拉伸試驗(yàn)

根據(jù)CCS材料與焊接規(guī)范2014版的要求，焊縫橫向拉伸試樣為2個(gè)，接頭抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于母材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度（690 MPa）。

3.2 彎曲試驗(yàn)

由于試驗(yàn)用管材壁厚為7.62 mm（＜12 mm），所以應(yīng)選擇正反彎試樣各2個(gè)。彎曲試驗(yàn)后，試樣的受拉表面不應(yīng)出現(xiàn)長度超過3 mm的裂紋或其他缺陷。

3.3 宏觀形貌和硬度檢查

各取1個(gè)焊縫宏觀形貌和硬度測(cè)試試樣。焊縫斷面的宏觀檢查應(yīng)為焊縫完全焊透、無裂紋。硬度檢查應(yīng)滿足CCS材料與焊接規(guī)范2014版[10]≤420HV的要求；而NACE-0175中規(guī)定硬度≤248HV。在本次試驗(yàn)中，采用較嚴(yán)格的規(guī)范，焊后熱處理后的硬度≤248HV。

3.4 沖擊試驗(yàn)

在焊接試件焊縫中心、熔合線、熔合線+2 mm和熔合線+5 mm位置各加工沖擊試樣3個(gè)。根據(jù)產(chǎn)品服役溫度0℃， 參考ASME IX（2013）[11]和ASME 31.3的相關(guān)規(guī)定，最終確定焊接工藝評(píng)定的沖擊試驗(yàn)溫度為-30℃，沖擊功值≥34 J。

以上力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表5。從表5可以看出，ASTM 4130鋼管焊接工藝評(píng)定的各項(xiàng)指標(biāo)均在要求范圍之內(nèi)，從而證明該工藝可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

表5 理化試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）對(duì)ASTM 4130管材焊接性能進(jìn)行分析，制定出與之相匹配的焊接工藝；通過焊接工藝試驗(yàn)表明，該工藝中預(yù)熱、熱輸入、焊后熱處理等關(guān)鍵工藝參數(shù)合理并滿足要求。

（2）通過對(duì)ASTM 4130管材進(jìn)行焊接工藝研究，使該工藝通過了船級(jí)社和業(yè)主的認(rèn)可，有效保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行，并為ASTM 4130管材的工程施焊提供理論參考。

[1]ASTM A519-06，Standard Specification for Seamless Carbon and Alloy Steel Mechanical tubing[S].

[2]李亞江.焊接原理及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

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[10]中國船級(jí)社.CCS材料與焊接規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2014.

[11]ASME IX：2013， Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures，Welders，Brazers and Welding and Brazing Operators[S].

編輯：李 超

關(guān)于征集“中國金屬學(xué)會(huì)軋鋼分會(huì)焊管學(xué)術(shù)委員會(huì)七屆二次年會(huì)”論文的通知

焊管學(xué)術(shù)委員會(huì)各成員單位、國內(nèi)焊管界專家、學(xué)者：

為了加強(qiáng)國內(nèi)焊管企業(yè)之間的技術(shù)交流與合作，中國金屬學(xué)會(huì)軋鋼分會(huì)焊接鋼管學(xué)術(shù)委員會(huì)擬于2017年11月召開焊管學(xué)術(shù)委員會(huì)七屆二次年會(huì)，屆時(shí)將特邀焊管行業(yè)有關(guān)權(quán)威人士，知名焊管生產(chǎn)及裝備制造企業(yè)的技術(shù)專家做相應(yīng)主題報(bào)告。同時(shí)，會(huì)議將進(jìn)行學(xué)術(shù)論文交流，并評(píng)選優(yōu)秀論文。會(huì)議將對(duì)優(yōu)秀論文進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，并將擇優(yōu)在《焊管》期刊上發(fā)表。有關(guān)征稿事宜具體通知如下：

一、征集主題

1、焊管行業(yè)發(fā)展的宏觀預(yù)測(cè)及轉(zhuǎn)型升級(jí)途徑；

2、直縫埋弧焊管、螺旋埋弧焊管及HFW焊管等產(chǎn)品的研制成果：包括新產(chǎn)品研發(fā)、性能優(yōu)化、工藝改進(jìn)、裝備升級(jí)、質(zhì)量提升等；

3、復(fù)合鋼管研制成果：雙金屬復(fù)合鋼管、玻璃纖維管等；

4、焊材研制成果：焊絲、焊劑等。

二、稿件要求

1、論文要求沒有在正式刊物上公開發(fā)表，要有新意，有一定的科技、學(xué)術(shù)水平。

2、每篇論文要求數(shù)據(jù)可靠，公式、符號(hào)、計(jì)量單位及工程術(shù)語使用正確。

3、稿件的最后一頁注明第一作者姓名、職務(wù)、工作單位、地址、郵政編碼、聯(lián)系電話、電子郵箱。

4、論文題目下要注明論文作者、工作單位（多人合寫者，按主次署名）。正文前有摘要、關(guān)鍵詞。論文中引用參考文件按其在論文中出現(xiàn)的先后順序編列附于文后，依次為順序號(hào)、題目、作者、出版單位、日期。三、截稿時(shí)間及編審

1、截稿時(shí)間為2017年10月25日，逾期不再受理。

2、會(huì)務(wù)組將對(duì)論文進(jìn)行審查，通過審查的論文將于11月5日前通知作者。

3、經(jīng)評(píng)審選出的確定為進(jìn)行交流的優(yōu)秀論文，會(huì)議秘書處將在11月5日前發(fā)出專門通知，并請(qǐng)論文作者盡早做好準(zhǔn)備（要求采用PPT文件形式進(jìn)行報(bào)告交流）。四、聯(lián)系方式

聯(lián)系人：閔祥玲；電話：0317-2572303；E-mail：mxlwjt@163.com詳情可登錄網(wǎng)站：http://www.hbpipe.com或QQ:295262337詳詢

中國金屬學(xué)會(huì)軋鋼分會(huì)焊管學(xué)術(shù)委員會(huì)秘書處

Welding Procedure Qualification of Drilling Platform ASTM 4130 line Pipe

GUO Yi，CHAI Junyi,ZHANG Yukun
（Taiyuan Heavy Industry Binhai Offshore Equipment Branch,Tianjin 300452,China）

TG444.1

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.08.010

郭 毅（1987—），男，碩士，工程師，主要從事海洋工程焊接工藝相關(guān)工作。

2017-05-19