X80管線鋼焊接工藝研究

吳優(yōu)

【摘?要】隨著天然氣管道輸氣壓力的提高，對天然氣長輸管道所需的韌性提出了更高的要求，X80管線鋼管已大量應用于天然氣長輸管道工程。X80管線鋼管是采用微合金化、超純凈冶煉和現(xiàn)代控軋、控冷熱處理（CTMCP）工藝生產的細晶低碳微合金強韌鋼，是能夠提供足夠強度和韌性的高性能管線鋼管。由于焊接過程的熱影響，使X80管線鋼管焊縫區(qū)的韌性受到嚴重損傷。保證X80管線鋼管經高溫加熱、冷卻后的焊縫和熱影響區(qū)的韌性，是 X80管線鋼管焊接技術研究的一個重要內容。本文闡述了X80管線鋼的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)，通過焊縫外觀檢驗、金相檢驗和力學性能試驗優(yōu)化了X80管線鋼焊接工藝參數(shù)。

【關鍵詞】X8管線鋼;焊接工藝;相關研究

Research on Welding Technology of X80 Pipeline Steel

Wu You

（Sinopec Jiangsu Oil Construction Engineering Co.， Ltd?Yangzhou?Jiangsu?225000）

【Abstract】With the increase of gas pressure in natural gas pipeline， higher requirements are put forward for the toughness of long-distance natural gas pipeline. X80 pipeline pipe has been widely used in long-distance natural gas pipeline engineering. X80 pipeline steel pipe is a fine-grained low-carbon micro-alloy tough steel produced by microalloying， ultra-pure smelting and modern controlled rolling， controlled cooling and heat treatment （CTMCP） process. It is a high performance pipeline steel pipe that can provide sufficient strength and toughness. The toughness of weld zone of X80 pipeline steel pipe is severely damaged due to the thermal effect of welding process. Ensuring the toughness of weld seam and heat affected zone of X80 pipeline steel pipe after high temperature heating and cooling is an important content of welding technology research of X80 pipeline steel pipe. In this paper， the welding method， welding material and welding parameters of X80 pipeline steel are described. The welding parameters of X80 pipeline steel are optimized through the appearance inspection， metallographic examination and mechanical properties test.

【Key words】X8 pipeline steel;Welding process;Related research

1. X80管線鋼管的研制

（1）作為經濟、安全運輸?shù)闹匾侄危嗟氖秃吞烊粴饪抗芫€輸送來完成。因此，需要增加管道的輸送能力隨之就需要增大管徑，提高輸送壓力。為了減少建設成本就必須開發(fā)更高級別的管線鋼，減小管壁的厚度，減少鋼材的用量。近幾年國內外都在開發(fā)更高級別的管線鋼方面做了許多研究工作。1985年，德國鋼管公司首先開發(fā)了X80級管線鋼，并鋪設了3.2Km的試驗段。1992年至1993年又在德國魯爾區(qū)鋪設了管徑為1219mm，壁厚為18.4mn，長度260Km的天然氣輸送管道，輸送壓力為10MPa，這一管道至今運行正常。加拿大對180管線鋼的研制始于1990年。IPSCO鋼鐵公司首先生產了X80級管線鋼及螺旋焊管。NOVA公司至1997年用其鋪設了91Km管線。加拿大stelco鋼鐵公司也于成功研制出X80級管線鋼，并在Welhnd焊管廠生產螺旋焊管。

（2）X80管線鋼的生產還通過控軋控冷工藝獲得優(yōu)良的性能。目前進行研究的新一代鋼鐵材料就是不加或少加合金元素，通過控制軋制工藝獲得高性能的鋼鐵材料。

（3）采用降低終軋溫度的方法來改善鋼的力學性能，早在二十世紀30年代就引起人們注意。目前控制軋制和控制冷卻已發(fā)展到一個新的階段。控制軋制的實質是得到細小的奧氏體晶粒，以便在相變后得到細小的鐵素體晶粒，有效地提高鋼的強韌性。控制冷卻的實質是防止控軋后細小的奧氏體或鐵素體晶粒重新再結晶或長大，以便最后獲得細小的組織。控制軋制和快速冷卻工序有奧氏體再結晶區(qū)軋制、奧氏體非再結晶區(qū)軋制γ-α。兩相區(qū)的傳統(tǒng)控制軋制工藝和高溫再結晶控制軋制工藝，或這兩種工藝的聯(lián)合使用。

（4）軋制過程的控制與熱加工物理冶金學相結合，已有可能對軋制過程中溫度的變化、顯微組織的類型、晶粒的尺寸、奧氏體未再結晶區(qū)的積累應變、。中殘余奧氏體應變以及微合金元素的沉淀動力學等進行有效地控制和準確地預測，為開發(fā)具有更佳力學性能的鋼種開辟了廣闊的途徑。控軋鋼的一個近代發(fā)展是軋后的控制冷卻。軋后引入加速冷卻，使γ-α相變溫度降低，過冷度增大，從而增加了。的形核率。同時由于冷卻速度的增加，阻止或延遲了碳、氮化物在冷卻中過早析出，因而易于生成更加彌散的析出物。進一步提高冷卻速度，則可獲得貝氏體或針狀鐵素體，進一步改善鋼的強韌性。

2. X80管線鋼焊工藝研究

2.1?X80管線鋼焊方法。

2.1.1?焊接材料。

（1）X80是美國石油學會《API Spec SL管線鋼管規(guī)范》中的的標號。X在API Spec SL標準中代表管線鋼，80是強度級別，其單位是kpsi，X80表示最小屈服強度為80 kpsi的管線鋼，轉換成公制單位約等于552MPa。其化學成分采用電感禍合等離子發(fā)射光譜法測得w（%）為：0.06C，0.18Si，1.48Mn，0.008P，0.003s，0.025 Cr，0.19Mo，0.18Ni，0.03V，0.001B，余量為Fe。對X80管線鋼基材進行金相組織觀察，結果表明其組織為針狀鐵素體+貝氏體組織。

（2）焊接工藝試驗在熱模擬試驗機上進行，試樣尺寸為10mmx10mmx75mm。焊接工藝參數(shù)主要為焊接線能量、預熱溫度和管線鋼厚度。試驗過程中采用線性回歸統(tǒng)計模型，對不同焊接工藝下的焊接性能進行預測與檢測，確定模型預測的準確性和誤差范圍，并在可信度較高的條件下優(yōu)化焊接工藝參數(shù)（管線鋼的焊接工藝見表1）。

2.1.2?焊接工藝參數(shù)。

考慮到管道工程焊接施工環(huán)境和條件的限制，現(xiàn)場焊接難以進行較高溫度的焊前預熱。另外，X80鋼焊接熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象，也不宜采用較高的預熱溫度。同時，為保證根部焊縫的成型質量和內部質量，焊接前應采取適當?shù)臏囟冗M行預熱。本文所使用的預熱溫度為1000C～2000C ，層問溫度為500C～1500C，預熱寬度為焊縫兩側各100mm以上。鎢極氫弧焊采用的鎢極直徑為2.4mm，鎢極仲出長度為3～4mm，保護氣體采用純度為99.6%的氬氣。焊接工藝參數(shù)見表2。

2.2?回歸模型預測與參數(shù)優(yōu)化。

2.2.1?對不同焊接工藝下得到的焊接熱影響區(qū)的顯微硬度進行回歸正交分析，設定焊接線能量為H1=（E-12）/4，H2=（預熱溫度-100）/40，H3（板厚-19）/6.5，H12，H13，H23和H123分別為不同焊接工藝參數(shù)之間的交互作用。因此，焊接熱影響區(qū)的硬度和焊接工藝參數(shù)之間的關系可表示為：

HV=288.27-12.5H1-3.7H2+10.6H3-1.2H12+1.1H13-4.8H23-0.3H123（1）

2.2.2?通過對不同焊接工藝參數(shù)下的焊接熱影響顯微硬度進行計算，并對比分析焊接熱影響區(qū)實際硬度測量結果，對比分析如表3。可以看出，焊接熱影響硬度計算值分布在226.7-257.0 HV，焊接熱影響區(qū)硬度實測值分布在242.9-273.5HV之間，而不同焊接工藝下的硬度計算值與實測值的誤差范圍則分布在1.07%-7.43%之間。由此可見，采用本文的預測模型可以較好的預測出焊接熱影響區(qū)的顯微硬度，一次回歸方程置信度達到99%。相對而言，當板厚為13 mm時，回歸統(tǒng)計模型預測得到的焊接熱影響區(qū)的硬度計算誤差相對板厚為26 mm時要大。因此，可以認為采用本文的回歸統(tǒng)計模型預測的管線鋼的板厚愈大則精度愈高。

2.2.3?焊接熱影響區(qū)的沖擊功和焊接工藝參數(shù)之間的關系可表示為（焊接熱影響區(qū)的模擬計算值與實測值見表3）：

Akv=213.7-52.4H1-28.1 H2+1.1H3-34.1H12+18.1H13+6.9H23+3.9H123 （2）

2.2.4?通過不同焊接工藝下的焊接件的沖擊功的模擬計算值與實測值的對比分析結果。當焊接熔池的溫度從8000C降到5000C的時間，通過控制焊接熔池的溫度可以改變熔池的冷卻速度，從而達到防比冷裂紋、控制組織以達到滿意的性能。可以看出當焊接熔池的溫度從5s上升至25s時，焊接沖擊功的模擬計算值與實測值較好地吻合。

2.3?試驗結果及分析。

2.3.1?外觀檢測及射現(xiàn)探傷。

外觀檢查未發(fā)現(xiàn)熔合表面氣孔、咬邊、焊瘤及裂紋等表面缺陷。為了檢查焊件裂紋、未焊透等缺陷，經X射線檢測本焊接工藝參數(shù)下焊接頭接質量達到Ⅱ級合格。

2.3.2?金相組織觀察。

圖1所示為X80管線鋼焊接接頭不同區(qū)域的微觀金相組織結構，腐蝕試劑為4%硝酸酒精溶液。X80管線鋼焊接接頭的母材組織主要以針狀鐵素體為主，呈細小而多方向分布（見圖1d）。由圖1a可以看出，焊縫組織主要為晶內形核的針狀鐵素體和珠光體，晶粒較母材更加均勻細小。圖1b和1c分別為熱影響區(qū)中的熔合區(qū)和過熱區(qū)，明顯晶粒較粗大，熔合區(qū)組織主要為呈條狀、塊狀的先共析鐵素體和粒狀貝氏體。過熱區(qū)則主要為呈魏氏組織形態(tài)的先共析鐵素體、粒狀貝氏體和少量島狀硬脆相M-A組元（焊接接頭不同區(qū)域的微觀金相組織見 圖1）。

2.3.3?拉伸試驗。

在試件上垂直焊縫取焊接接頭橫向拉仲試樣，試樣如圖2。拉仲試驗在WEW-300C型萬能試驗機上進行。焊接接頭的抗拉強度平均值為725MPa，高于X80管線鋼的焊接要求621MPa，并且斷裂位置位于母材，符合X80管線鋼的焊接要求（拉伸試樣示意圖見圖2）。

2.3.4?彎曲試驗。

在試件上取焊縫橫向面彎和背彎試樣在WEW-300C萬能試驗機上進行導向彎曲試驗。試樣寬度為38.1mm，試樣厚度為14.1mm，彎軸直徑為94 mm，彎曲角度為1800，試驗后試樣彎曲表面未產生明顯缺陷和裂紋，表明此焊接工藝下焊接接頭工藝性能良好，有很好的延展性和致密性。

2.3.5?沖擊試驗。

沖擊試樣尺寸為10mmX10mm X55mm，V型缺口位置分別位于焊縫和熱影響區(qū)，試樣位于厚度的中部。焊縫中心及熱影響區(qū)在-20℃溫度下的沖擊功如表4所示。可見，此焊接工藝下焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性滿足要求（焊縫中心及母材沖擊力見表4）。

2.3.6?維氏硬度試驗。

在HXD-1000TMC/LCD維氏硬度計上加載lOgf（0.196N），加載時問為lOs，對母材、焊縫、熱影響區(qū)進行纖維硬度測量，測量值見表可見，母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度較低，滿足X80管線鋼焊接最大允許硬度275HV10的要求（維氏硬度值（HV10）見表5）。

2.3.7?結論。

（1）焊接熱影響硬度計算值分布在226.7～257.0HV，焊接熱影響區(qū)硬度實測值分布在242.9～273.5 HV之間，而不同焊接工藝下的硬度計算值與實測值的誤差范圍則分布在1.07%～7.43%之間。

（2）當焊接熔池的溫度從5s上升至25s時，焊接沖擊功的模擬計算值與實測值較好地吻合。

（3）由于焊接工藝不同，部分焊接熱影響區(qū)中發(fā)生了奧氏體轉變，晶粒尺寸相對較大、且存在尺寸分布不均勻現(xiàn)象。

（4）本文所確定的焊接工藝參數(shù)，能夠使焊接接頭獲得優(yōu)良的組織和力學性能，可為X80管線鋼的焊接提供依據。

3. X80管線鋼管焊接工藝性能及設計實施

3.1?X80焊接操作工藝性能分析。

（1）根焊時，采用了E9010纖維素型焊條，其牌號有HOBART FOXCEL、臺灣天泰，天津大橋等，焊接過程中發(fā)現(xiàn)臺灣天泰，天津大橋等纖維素型焊條不是電弧吹力小，焊條偏心嚴重，就是根焊道單面焊雙面成形不良等工藝性能差，基本上不能滿足根焊高質量的要求，而BOHLER E9010焊條操作工藝性能及單面焊雙面成形均良好。填充焊BOHLER FOXBVD90 E9018-G焊條焊接操作工藝性能優(yōu)良，能滿足工程需要，實際管道工程可以采用。

（2）采用藥芯焊絲半自動焊，HOBART 81N2的焊接規(guī)范參數(shù)調節(jié)范圍大，焊接電流大，操作工藝性能較好施工效率高，焊工容易掌握，從操作工藝性能方面分析推薦優(yōu)選HOBART81N2。

（3）METALLOY 71焊絲的特點是幾乎無飛濺、無渣，溶敷率高，擴散氫含量低，根焊時選用可降低根焊縫的擴散氫含量。JC-29Ni1是一種低合金鋼自保護藥芯焊絲，具有優(yōu)良的低溫韌性，抗裂性能好。其熔敷效率高，電弧穿透力大，呈噴射狀，操作容易，適宜全位置焊接。由于熔渣凝固快，特別適合立向下焊。可用于焊接厚板及，剛性大的重要結構。

3.2?X80管線鋼管焊接技術實施。

在X80管線鋼管焊接過程中實施強力電磁攪拌，最主要的焊接輔助設備就是感應加熱電源。利用感應加熱電源，根據預熱、恒溫、熱處理溫度設定，感應加熱電源控制焊口預熱、恒溫、熱處理溫度，實施步驟為：

（1）焊接前，啟動感應加熱電源，交變電流流經感應加熱圈，感應加熱圈產生的磁力線切割鋼管壁，在管壁內產生渦流快速加熱預熱焊口。采用焊口預熱有效防止焊縫裂紋，預熱溫度由加熱溫度控制器控制。

（2）焊接中，加熱溫度控制器控制感應加熱電源，輸出交變電流流經感應加熱圈維持加熱，恒定整個焊口的溫度，采用恒溫有助于改善焊縫熱影響區(qū)。同時，感應加熱圈產生的磁力線合成縱向交變磁場，在強力電弧攪拌熔池細化晶粒的工況下，適當加大焊接線能量進行焊接，提高焊接生產率。

（3）焊接停止，加熱溫度控制器控制感應加熱電源，輸出維持的交變電流加熱焊口，保持焊接層間溫度，有助于氫的擴散。在現(xiàn)有的焊接工藝中，一般是利用第二次焊接（填充焊、蓋面焊）的溫度改善第一次焊接的熱影響。

（4）焊接完畢，加熱溫度控制器按設定的焊口熱處理工藝參數(shù)控制感應加熱電源輸出一定數(shù)量的交變電流到感應加熱圈，產生熱量對焊縫進行焊后熱處理，改變晶粒結構，消除焊接殘余應力。

4. 結語

X80管線鋼管焊接后，由于不能再經受TMCP工藝處理，晶粒得不到細化，造成焊接接頭韌性的嚴重惡化。本研究提出以強力電磁攪拌熔池細化晶粒替代TMCP工藝，達到鋼材經TMCP工藝處理的效果。

（1）采用強力電磁攪拌，在焊縫一次結晶過程中，強力電磁力攪拌熔池細化晶粒，提高焊接熱影響區(qū)韌性。

（2）在強力電磁攪拌細化晶粒的工況下，可適當加大焊接線能量，達到在保證焊縫焊接質量的前提下，提高焊縫焊接生產率的目的。

（3）利用焊口預熱的感應加熱方法實施強力電磁攪拌焊，不增加焊接生產成本，簡單易行。

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