X65級海管環縫無襯墊封底全自動焊工藝及焊縫性能研究

劉巖磊，孫有輝，劉永貞，韓永典，李子軒

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

2.天津大學，天津 300354

0 引言

近幾年，在海上油氣田開發項目中，海底管道運輸的石油、天然氣內含有H2S腐蝕性介質的情況越來越多，例如目前正在招投標的緬甸ASK油田區塊開發工程項目中海底管道的服役環境為重度酸性環境（Severe Sour Service，3 Region）。含H2S酸性服役環境對海底管道的抗腐蝕開裂性能提出了更高的要求，對環縫焊接質量的要求會更嚴格苛刻。

采用全自動焊工藝進行海管鋪設，相比傳統的手工焊、半自動焊工藝，具有焊接效率高、質量好、焊工操作簡易和勞動強度低等優點，是國內外海管環縫焊接的主流技術［1］。常規的碳鋼海底管道鋪設全自動焊接施工過程中，用于坡口組對的氣動內對口器都會使用銅襯墊，封底焊接時托住焊接熔池，具有快速散熱與強制成形的作用。梁君直［2］等人研究發現，在封底焊接過程中，銅原子在根部焊縫中發生了擴散，導致焊縫根焊層中銅含量有微量增加，其中與銅襯墊接觸表面位置的銅含量最大，為0.3132%。銅是沉淀強化性元素，Hannerz［3］研究認為，焊縫中的銅含量為0.4%～0.6%時，銅對焊縫仍能起到韌化作用，但銅含量達到1.2%時，焊縫金屬的沖擊韌性會顯著降低。通常認為，焊縫中銅含量低于0.5%時對韌性沒有破壞性作用，當銅含量更高時，可能產生脆化作用［4］。N.E.Hannerz［5］研究認為含鎳焊縫的最佳含銅量是0.4%。含銅焊縫在冷卻過程中也可能出現類似母材中的銅沉淀硬化現象；Wada的研究結果表明，當焊縫中含銅量超過1.2%，在高熱輸入焊接條件下會產生銅沉淀析出。因此高熱輸入和多道焊條件下焊縫金屬中存在銅沉淀析出，這可能是焊態下焊縫金屬屈服強度和硬度增加的原因之一。Renn和Roberts［6］在研究中發現含銅焊縫金屬中MnS夾雜物被銅包覆的現象，而且該球狀夾雜物隨含銅量增加而增加。Wolstenholme［7］特別指出用于高溫環境諸如能源輸送管線的焊縫金屬中的銅對其高溫蠕變性能有明顯的破壞作用。因此，用于高溫環境中的焊接結構件應該嚴格控制焊縫中銅元素的含量。

通過查閱國內外相關資料可以發現，一定含量的銅元素可以對焊縫起到強化和韌化作用，但是同時焊縫中的銅元素隨著含量的增加會對焊縫產生硬化和脆化作用：一方面銅元素在高溫奧氏體中易于溶解，而在鐵素體中銅的溶解度相對較小，含銅量高的焊縫在常溫下總是處于銅超飽和固溶狀態，會造成鐵素體嚴重的晶格畸變和熱應力集中，反映在對焊縫性能的影響會增加焊縫硬度，并降低焊縫抗H2S應力腐蝕開裂（SSC）性能；另一方面，銅、硫、磷屬于低熔點元素，會增加焊縫自身的熱裂紋敏感指數［8-10］。

綜上，國內外許多石油公司針對含有H2S腐蝕性介質的海底管線鋪設焊接施工，不僅要求海管鋪設采用全自動焊工藝，無銅襯墊也成為重要的強制技術條款，因此本文開發的X65級海管環縫無襯墊封底全自動焊工藝具有重要的工程實踐意義。

1 焊接工藝開發

管道環縫無襯墊封底的全自動焊接工藝關鍵是實現封底焊道的單面焊雙面成形，相比常規的帶銅襯墊封底焊接工藝，難點在于碳鋼液態鐵水黏度低，焊接過程中失去了銅襯墊的防燒穿保護及強制冷卻作用，需綜合設計坡口鈍邊及R角過渡、熔池液態金屬重力與液體表面張力的平衡點以及焊接熱量參數，避免燒穿、未焊透、內凹、焊縫成形凸起等焊接缺陷的產生。

1.1 焊接設備及工藝選型

無銅襯墊封底焊接設備采用SERIMAX公司AUTO GMAW全自動設備，如圖1所示，STT（Surface Tension Transfer）焊接工藝，Lincoln STT電源能自動調節焊接電流和電弧電壓達到電弧所需的瞬時熱量，確保焊接電弧穩定燃燒和有效控制焊縫成形。填充、蓋面焊接可采用技術成熟的Saturnax05全自動設備，熔化極氣體保護焊（GMAW）工藝。

圖 1 全自動焊設備Fig.1 Automatic welding equipment

1.2 焊接母材

綜合考慮含H2S酸性環境對材料影響，試驗用母材選擇天津鋼管TPCO，標準API X65QO PSL2 SMLS，規格為OD.355.6 mm×W.T.17.5mm，其化學成分嚴格控制Ni、Mn、S、P等對硫化氫腐蝕開裂性能的有害元素，如表1所示。

表1 X65管材的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical compositions of X65 pipe（wt.%）

材料硬度的提高會增加硫化物應力腐蝕的敏感性，因此必須嚴格控制材料的硬度，試驗母材的機械性能如表2所示。

表2 X65管材力學性能Table 2 Mechanical properties of X65 pipe

1.3 焊材的選擇

選用的焊接材料為AWS A5.18 ER70S-6等級，牌號SUPRA MIG。一是滿足技術標準要求，適用“高強度匹配”原則；二是滿足抗SSC腐蝕性能材料選用要求，提高Si、Mn等裂紋阻止元素含量，確保wt（Ni）<1%、wt（Mo）<0.5%。焊材的化學成分如表3所示。

表3 焊材的化學成分（質量分數，%）Table 3 Chemical compositions of welding materials（wt.%）

1.4 焊接工藝參數

1.4.1 坡口形式設計

坡口形式采用U形窄間隙設計，如圖2所示。為適應STT焊接工藝的焊接特性，采用1.4 mm鈍邊，保證焊接過程中的熔透要求；坡口單邊角度（B）設計為3.5°，單邊開口寬度（W）為3.6±0.1 mm，既有足夠的空間裕量保證導電嘴（焊絲）延伸至坡口底部，又減少焊炬擺動行程，有效減少側壁未熔合缺陷；管內壁采用不加工內倒角設計形式，可有效降低內凹缺陷幾率。

圖2 坡口形式設計Fig.2 Groove design

1.4.2 焊接工藝參數

本文經過大量的試驗摸索確定的焊接工藝參數，其主要特點為：

（1）焊前預熱溫度為200 ℃，可以補償STT焊接工藝較低電弧能量情況下的電弧熔透及熔池熔覆能力，避免淬硬組織，有效降低焊接接頭硬度，但層間溫度應嚴格控制不超過250 ℃。

（2）根據焊接系統和電源的特點，封底采用單焊炬單絲焊接，STT電弧模式，50% Ar+50% CO2混合氣體，氣體流量25 L/min。

（3）熱焊道同樣采用單焊炬單絲焊接，MAG電弧模式，控制焊接熱輸入，防止焊接燒穿；焊接保護氣體采用50% Ar+50% CO2，氣體流量50 L/min。

（4）填充及蓋面焊接均采用雙焊炬非共熔池同時焊接，MAG電弧模式，可有效提高焊接效率；焊接保護氣體采用50% Ar+50% CO2，氣體流量50 L/min。

（5）焊接電流、電壓、送絲速度及焊接速度之間相互匹配，保證根部焊道成形良好，有效避免未焊透、未熔合及氣孔等缺陷的產生。

（6）測量焊道溫度低于200 ℃時采用水冷使其加速冷卻，該溫度下無脆性馬氏體組織轉變，能有效防止焊縫硬度增加，并提高AUT檢測效率。

最終確定的焊接工藝參數如表4所示。

表4 焊接工藝參數Table 4 Welding process parameters

1.5 焊后無損檢驗

焊接完成48 h后，對焊接件進行射線RT、手工超聲MUT、磁粉MPI以及自動超聲AUT檢驗，環縫焊接質量滿足DNV OS F101標準規范要求。

2 焊接接頭性能測試

根據焊接規格書及DNV OS F101（2013）標準規范要求對焊縫進行力學性能試驗，包括：橫向拉伸試驗、全焊縫拉伸試驗（執行DNV OS F101附錄B.B300章節要求及ISO 6892）、彎曲試驗（執行ASTM A370及ISO 5173要求）、沖擊試驗（執行ASTMA370及ISO 148-1要求）、硬度和焊縫宏觀試驗（執行DNV OS F101附錄B.B1000章節要求及ISO 6507-1），所有力學試驗結果均滿足要求，具體數據見表5～表8。焊縫截面宏觀形貌如圖3所示。其中硬度最大值為237 HV5（見圖4），低于NACE 0175腐蝕規范對材料的硬度要求（小于250 HV10），硬度作為焊縫SSC性能的最重要指標，為焊接接頭的SCC試驗提供了保障。

表5 橫向拉伸試驗Table 5 Cross weld tensile test

表6 全焊縫拉伸試驗Table 6 Cross weld tensile test

表7 側彎試驗Table 7 Side bend test

表8 夏比沖擊試驗（-20 ℃）Table 8 Charp V-notch impact test（-20 ℃）

圖3 截面宏觀形貌Fig.3 Macro test

圖4 硬度測試結果Fig.4 Hardness test result

3 焊縫耐硫致開裂（SSC）腐蝕性能

根據標準NACE TM 0177四點彎曲方法，評定焊接工藝的抗H2S腐蝕性能［3］。

試樣的彎曲應力加載為80%的母材屈服強度實際測量值，采用應變片監測應力加載：

ε=σ/E

式中ε為應變（με）；σ為加載應力（屈服強度的80%）；E為彈性模量（206 GPa）。

SSC實驗裝置示意如圖5所示。實驗選用的腐蝕介質為5% NaCl+0.5% CH3COOH+蒸餾水。實驗前，以100 mL/min的速度向腐蝕介質通N21 h；隨后，通入H2S氣體至飽和，實驗開始。周期為30天，每周定時向腐蝕介質補充H2S。實驗過程中監測的H2S濃度為4 087～4 413 ppm，pH值為2.73～3.18。

圖5 SSC試驗Fig.5 Sulfur induced stress cracking test

實驗結束后，以平焊根部試驗為例，取出試樣，清洗銹跡，進行宏觀（見圖6）和磁粉檢測（見圖7）后目測無表面裂紋產生，并用金相組織顯微鏡觀察中部和根部試樣焊縫、熱影響區、母材的顯微組織，如圖8所示，無埋藏裂紋產生。

圖6 試樣清洗后宏觀檢測Fig.6 Macro test of samples after washing

圖7 試樣磁粉檢測Fig.7 MPI test of samples

圖8 試樣剖面微觀檢測Fig.8 Microcosmic test of samples profile

按照上述試驗流程，在焊縫平焊、立焊、仰焊三個焊接位置的根部及中間位置進行了全面的取樣測試，18個試樣在試驗后全部合格，這表明采用本文開發的焊接工藝所得接頭具有較好的耐H2S應力腐蝕性能。

4 結論

本文重點介紹了一種X65強度等級海管的無襯墊全自動焊接技術，主要結論如下：

（1）采用全自動STT焊接設備及全自動GMAW焊接設備，成功開發適用于API 5L X65海管對接環縫焊接的無襯墊封底全自動焊接工藝，理化性能實驗結果均滿足DNV OS F101（2013）標準的要求。

（2）SSC試驗結果表明焊接接頭試樣沒有發生明顯的硫致開裂，滿足NACE 0177規范要求。開發的焊接工藝海管焊接接頭具有很好的耐硫致應力開裂性能，可應用于H2S酸性腐蝕服役環境。

（3）STT表面張力過渡焊接技術可實現單面焊雙面成形，焊接熱輸入小，飛濺極少，可以使焊縫金屬與母材圓滑過渡，是無襯墊封底焊接技術的一種可靠選擇；目前國內相關全自動焊接設備及配套工藝尚待解決。