張繼軍，邵丹丹，溫道能，林 臻

（1.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 511462；2.美國船級社廣州辦事處，廣州510000）

1 概述

鉆井系統(tǒng)是海洋石油平臺的核心部分，其中泥漿、水泥、節(jié)流及壓井等系統(tǒng)大量使用高壓管線，該類管線通常采用AISI 4130材質，設計壓力在50～100 Mpa區(qū)間。我司建造的R-550D平臺設計服務工作溫度為-20℃，管線的焊接及檢驗執(zhí)行ABS 船級社規(guī)范標準，同時滿足ASME B31.3、ASME IX、API16C、API16A、NACE MR0175規(guī)范要求。

該類管線在平臺中的作用相當重要，所在設備在運行過程中由于周期性動載荷和海水及油介質的影響，硫化物會產(chǎn)生應力斷裂（SSC）和應力腐蝕裂紋（SCC），為了保證管線的焊接質量，需制定詳細的焊接工藝方案，方可在生產(chǎn)中取得預期的效果。

2 AISI 4130管焊接性分析

AISI 4130是ASTM A519 系列中的一種材質，不屬于ASME材料范疇，屬于高強度中碳鋼，熱處理狀態(tài)是淬火和回火。其機械性能見表1。

表1 AISI 4130管力學性能

高強度材料的焊接，避免產(chǎn)生焊接冷裂紋是工藝方案制定的關鍵。冷裂紋的產(chǎn)生，主要決定于以下三個因素：

（1）焊縫中擴散氫含量；

（2）淬硬組織；

（3）焊接接頭的拘束應力。

碳當量（CE）及裂紋敏感指數(shù)（Pcm）是衡量材料可焊性的重要指標，當CE、Pcm >0.4%時焊接性差，淬硬傾向性明顯，易產(chǎn)生延遲裂紋。

CCT連續(xù)冷卻轉變曲線是反映鋼材在連續(xù)冷卻條件下過冷奧氏體的轉變規(guī)律，是分析轉變產(chǎn)物組織與性能的判據(jù)。從AISI 4130管焊接CCT曲線圖圖1可以看出，當曲線以不同速度進行連續(xù)冷卻時，焊接接頭組織中的珠光體、馬氏體、貝氏體會有很大差異，所以在保證焊接接頭強度的前提下，適當?shù)脑黾雍鬅釡囟燃氨貢r間可以有效的改善焊接接頭的組織，減少馬氏體的形成，增加貝氏體、珠光體的含量，提高焊接接頭的韌性與塑性。

圖1 AISI 4130管 CCT曲線圖

3 工藝方案的制定

（1）焊接材料的選擇

當AISI 4130材料應用在含有H2S介質的管線中時，為了避免應力腐蝕裂紋產(chǎn)生，并滿足ABS MODU和NACE規(guī)范的相關要求，我們選擇了低氫低Ni合金高強鋼焊條（焊材Ni元素含量低于1%）。經(jīng)多次試驗驗證，確定采用GTAW打底焊+SMAW填充蓋面的焊接工藝方法，選擇了伊薩OK55氬弧焊絲和好伯特10018D2焊條，其力學性能見表2。

表2 焊材力學性能

（2）預熱和層間溫度控制

預熱是防止冷裂紋產(chǎn)生的有效措施。預熱的主要目的是為了增大熱循環(huán)的低溫參數(shù)T100使之有利于氫的充分擴散逸出。依據(jù)AWS D1.1規(guī)范中表3.2關于鋼材厚度與預熱溫度的選擇，確定該種材料預熱溫度范圍在150℃～230 ℃之間，為了避免降溫過快導致材料的韌性降低，層間溫度也應控制在預熱溫度的范圍。

（3）焊后熱處理

焊后熱處理不僅能消除焊縫中的氫，還可以韌化接頭熱影響區(qū)和焊縫組織。在工藝管道ASME B31.3 表331.1.1對4130材質的熱處理有明確要求。根據(jù)實際情況，我們選擇從400 ℃～620 ℃升溫速率是150 ℃/h，620℃±20 ℃保溫2 h，最后以150 ℃/h降溫至200 ℃。

（4）坡口裝配要求

坡口裝配間隙控制2～4 mm之間，坡口角度60°，避免過大的錯邊和坡口間隙對焊縫造成未熔合、夾雜等缺陷或成型不良。

（5）焊接參數(shù)

高強度鋼對焊接熱輸入較為敏感。熱輸入量過大，造成焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗大，接頭韌性下降，其抗裂性能降低；熱輸入量過小，則冷卻速度快，易淬硬，其裂紋傾向增大。借鑒以往其他特種材料試驗的經(jīng)驗和參考焊材廠家內部試驗數(shù)據(jù)，采用焊接參數(shù)見表3。

表3 焊接試驗參數(shù)

4 理化試驗分析

依據(jù)ABS MODU Rule（2014）、ASME IX(2013)、ASME B31.3(2013)規(guī)范及我司建造平臺的服役溫度（-20℃），對焊接工藝評定試驗板進行理化試驗分析，試驗項目及結果見表4。

表4 焊接工藝評定理化試驗項目

從試驗結果可以斷定，焊接工藝評定試驗各項性能指標在標準的合格范圍內。由此說明，焊接工藝評定試驗所選用的焊接規(guī)范合理可行，可用于指導生產(chǎn)。

5 結束語

在對AISI 4130管道焊接施工中，通過嚴格執(zhí)行焊接工藝，在已生產(chǎn)完成的管子單元構件中進行硬度測試和無損檢測，未發(fā)現(xiàn)有焊接缺陷，證明采用此種工藝對4130管進行焊接是可行的。通過R-550D平臺高壓管系的施工，為后續(xù)海洋平臺的管線施工積累了豐富的經(jīng)驗。

[1]周振豐等.焊接冶金學（金屬焊接性）[M].北京：機械工業(yè)出版，2001.

[2]Mobile Offshore Drilling Units 2014 American Bureau of Shipping.

[3]MR0175-2009 NACE.

[4]ASME IX 2013 ASME.

[5]ASME B31.3 2013 ASME.