王 洋，魏耀華，鄭青昊，謝玉峰，劉晶晶，王林林，王寅杰

（1.渤海石油裝備華油鋼管有限公司，河北 青縣 062658；2.渤海石油裝備新疆鋼管有限公司，烏魯木齊830022）

0 前 言

隨著石油和天然氣等能源的不斷開(kāi)發(fā)，特別是以西氣東輸工程為標(biāo)志的天然氣管網(wǎng)建設(shè)，對(duì)油氣輸送鋼管的需求達(dá)到了前所未有的高峰[1]。高壓、長(zhǎng)距離、大直徑油氣管道建設(shè)的快速發(fā)展，對(duì)螺旋埋弧焊管焊縫的質(zhì)量要求也在不斷提高，不僅要具有良好的焊縫形貌和較少的內(nèi)在缺陷，優(yōu)質(zhì)的理化性能已成為行業(yè)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)的重要手段。

為確保輸送安全，目前國(guó)際上均采用高強(qiáng)度鋼做為輸送管線用鋼。在管體壁厚方面，由于長(zhǎng)距離輸送，特別是海底輸送管線，因受海水壓力、沖擊力、彎曲力等影響易出現(xiàn)壓扁現(xiàn)象。因此，輸送管線用管的壁厚也在不斷增大[2]。而大壁厚鋼管焊接時(shí)必然導(dǎo)致熱輸入量增加，焊縫和熱影響區(qū)組織粗化，沖擊韌性隨之降低。因此，對(duì)管線鋼焊接接頭沖擊韌性的研究及探索，是保證管線鋼焊后質(zhì)量的重要課題，具有很好的工程背景和應(yīng)用價(jià)值[3]。生產(chǎn)大壁厚螺旋埋弧焊管時(shí)，為保證內(nèi)外焊道的熔深、減小焊縫余高以及焊縫力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，一般均采取鋼板邊緣開(kāi)Y形或X形坡口后進(jìn)行埋弧焊接。選擇合理的坡口形式是提高螺旋埋弧焊鋼管焊接質(zhì)量的關(guān)鍵[4]。本研究通過(guò)對(duì)不同內(nèi)外焊坡口角度的X80M鋼級(jí)22 mm壁厚鋼板的焊接試驗(yàn)，并對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行了金相、硬度和沖擊性能試驗(yàn)，分析了該規(guī)格螺旋埋弧焊管生產(chǎn)的最佳內(nèi)外焊坡口參數(shù)，以指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 母材

母材為國(guó)產(chǎn)X80M鋼級(jí)的22 mm×1 550 mm熱軋卷板，其主要性能見(jiàn)表1～表3。除此之外，導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)彎芯直徑220 mm，試驗(yàn)結(jié)果為合格；0℃時(shí)DWTT試驗(yàn)的剪切面積的100%。

表1 X80M鋼母材化學(xué)成分%

表2 X80M母材拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表3 X80M母材-10℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果

1.2 焊材

焊絲采用管線鋼專用H08C焊絲。焊劑采用管線鋼專用SJ101G焊劑。

1.3 坡口形式

坡口采用機(jī)械加工，焊前用不銹鋼絲輪對(duì)坡口進(jìn)行打磨[5]。試驗(yàn)時(shí)其余焊接條件不變，以外焊坡口角度變化進(jìn)行取樣，對(duì)5組試樣進(jìn)行先內(nèi)焊后外焊的埋弧焊接，外焊坡口角度按照表4的順序依次編號(hào)1#～5#，并對(duì)焊縫進(jìn)行外觀和無(wú)損檢測(cè)，將檢測(cè)合格的焊縫段制取試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，以尋求外焊坡口寬度與螺旋埋弧焊管焊縫形貌及力學(xué)性能的關(guān)系。

表4 試板坡口形式

1.4 試驗(yàn)焊接工藝選定

內(nèi)、外焊均采用雙絲埋弧焊接。前絲直徑4.0 mm，電源為直流反接；后絲直徑4.0 mm，電源為交流。焊接規(guī)范如下：內(nèi)焊前絲，電流950 A、電壓34～36 V；后絲電流500 A、電壓39～41 V。外焊前絲，電流1 100 A、電壓34～36 V；后絲電流500 A、電壓39～41 V。焊接速度：1.1 m/min。

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

檢驗(yàn)和試驗(yàn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為 《OD 1 219 mm×22.0 mm X80螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》。對(duì)每個(gè)試件首先進(jìn)行外觀檢查，檢查內(nèi)容包括內(nèi)外焊縫余高、焊縫寬度，焊縫是否有咬邊、偏流等外觀缺陷；然后對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行全焊縫手動(dòng)超聲波探傷檢查[6]。在檢測(cè)合格的焊縫上制取宏觀檢測(cè)試樣、力學(xué)性能試驗(yàn)試樣等各種試樣。

2.1 外觀檢驗(yàn)結(jié)果

對(duì)各試樣進(jìn)行焊縫外觀檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 焊縫外觀檢驗(yàn)結(jié)果

由表5可以看出，隨著外焊坡口角度的增加，外焊縫高度從2.3 mm左右降低到1.0 mm左右，下降比較明顯，外焊寬度略有增加。

2.2 宏觀檢驗(yàn)和維氏硬度檢驗(yàn)

對(duì)各試塊進(jìn)行焊縫形貌宏觀檢驗(yàn)后，對(duì)焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行維氏硬度檢驗(yàn)，維氏硬度測(cè)量位置如圖1所示。

圖1 維氏硬度測(cè)量位置示意圖

宏觀檢驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)圖2）表明，隨著坡口角度的增加，焊道填充空間擴(kuò)展，焊縫余高明顯降低。同時(shí)熔深、熔寬尺寸隨之增加，焊縫與母材之間的過(guò)渡角增大，焊趾形貌改善。但坡口角度過(guò)大時(shí)，容易引起焊道填充不足、焊縫低于母材及焊縫邊緣咬邊等焊接缺陷[6]（4#外焊坡口100°試件由于填充金屬不足外焊縫整體咬邊較多）。

圖2 各試件宏觀檢驗(yàn)結(jié)果

維氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果 （見(jiàn)表6）表明，各試塊焊縫和熱影響區(qū)同一檢測(cè)位置硬度值沒(méi)有明顯差異，外焊坡口大小改變對(duì)維氏硬度的影響并不明顯。

表6 各試件維氏硬度試驗(yàn)情況

2.3 沖擊試驗(yàn)

沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果 （見(jiàn)表7）表明，外焊坡口角度增減，焊縫沖擊韌性略有提高，熱影響區(qū)沖擊韌性變化不明顯 （見(jiàn)圖3和圖4），使用復(fù)合坡口（5#）與 X 形坡口（1#～4#）試樣的焊縫和熱區(qū)沖擊值對(duì)比并沒(méi)有明顯提高。存在這種關(guān)系有以下原因。

表7 各試件沖擊韌性結(jié)果

圖3 不同坡口角度-10℃沖擊功分布圖

圖4 不同坡口角度-20℃沖擊功分布圖

（1）對(duì)于焊縫沖擊試驗(yàn)而言，隨著外焊坡口角度增加，焊縫外焊道的填充金屬相應(yīng)增加，焊材中的Al，Ti，Mo，Nb和Ni等形成高熔點(diǎn)化合物，在焊縫金屬結(jié)晶過(guò)程中成為形核點(diǎn)，促進(jìn)焊縫中針狀鐵素體形核，起到了細(xì)化晶粒的作用，從而對(duì)焊縫沖擊韌性起到了提高作用。同時(shí)焊縫在冷卻過(guò)程中的冷卻速度對(duì)針狀鐵素體的晶粒大小也有一定影響，冷卻快時(shí)焊縫金屬可得到更多的針狀鐵素體[7]，焊縫晶粒細(xì)化，韌性提高。

（2）對(duì)熱影響區(qū)沖擊試驗(yàn)而言，由于試驗(yàn)壁厚較厚，外坡口角度變化對(duì)于熱影響區(qū)取樣位置幾乎沒(méi)有多少變化，因此沖擊韌性幾乎不變。

3 結(jié) 論

（1）隨著坡口角度的增加，焊道填充空間擴(kuò)展，焊縫余高明顯降低。同時(shí)，熔深、熔寬尺寸隨之增加，焊縫與母材之間的過(guò)渡角增大，焊趾形貌改善。但坡口角度過(guò)大時(shí)（尤其在深度同時(shí)較大時(shí)），容易引起焊道填充不足、焊縫低于母材及焊縫邊緣咬邊等焊接缺陷。因此，焊接規(guī)范一旦確定，要控制焊縫的形貌，就必須控制坡口的形狀[8]。

（2）外焊坡口角度對(duì)大壁厚高鋼級(jí)螺旋埋弧焊鋼管焊縫維氏硬度影響不明顯[9]。

（3）外焊坡口角度對(duì)大壁厚高鋼級(jí)螺旋埋弧焊鋼管焊縫沖擊韌性影響較明顯，隨著外焊坡口角度的增加焊縫韌性略有提高，熱影響區(qū)韌性幾乎不變。

（4）使用復(fù)合坡口（5#）對(duì)大壁厚高鋼級(jí)螺旋埋弧焊鋼管的焊縫形貌和性能并未得到很好地改善，且在生產(chǎn)線上坡口尺寸均勻性控制難度大，實(shí)用性不如X形焊接坡口。

（5）X80級(jí)22 mm壁厚螺旋埋弧焊管生產(chǎn)時(shí)為同時(shí)保證焊縫韌性和外焊縫形貌，宜選擇的外焊坡口角度范圍為 80°～90°。

（6）在螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中，生產(chǎn)前進(jìn)行銑削工藝、焊接工藝?yán)碚撚?jì)算，制定出合理的帶鋼銑削工藝、焊接工藝是十分重要的，它可以大大減少在生產(chǎn)線上的試驗(yàn)次數(shù)，降低生產(chǎn)過(guò)程中原材料的浪費(fèi)[10]。

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