勒 巍

(中國石化江西石油分公司,南昌 330046)

X100高強(qiáng)管線鋼CRC全自動焊接工藝技術(shù)研究

勒 巍

(中國石化江西石油分公司,南昌 330046)

在對X100高強(qiáng)度管線鋼化學(xué)成分、力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合選定的焊接工藝方案，對該管線鋼環(huán)焊縫焊接接頭的強(qiáng)度、沖擊韌性、硬度、斷裂韌性(CTOD)和抗氫致開裂(HIC)等性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明，X100高強(qiáng)度管線用鋼具有良好的焊接性能，焊接接頭的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足管道運(yùn)行安全要求，所選用的焊接材料、焊接方法和工藝參數(shù)可用于該管材的現(xiàn)場焊接。

CRC全自動焊 X100管線鋼 焊接工藝 力學(xué)性能

0 序 言

目前，世界石油天然氣管道的建設(shè)正朝著長距離、大管徑、高壓力方向發(fā)展[1]，對管線鋼組織結(jié)構(gòu)和性能要求也在不斷提高，促使了強(qiáng)度更高、韌性更好管線鋼的開發(fā)和應(yīng)用。X100高強(qiáng)管線鋼屬于控扎及加速冷卻狀態(tài)的低碳微合金管線鋼，與X80等級的管線鋼相比，X100高強(qiáng)管線鋼在具有良好的低溫韌性、焊接性和成型性能的基礎(chǔ)上，還具有更高的強(qiáng)度，能夠以更高的壓力完成石油天然氣的運(yùn)輸。減輕了鋼管的重量，使管道工程建設(shè)的效率明顯提高，同時也提高了管道建設(shè)及運(yùn)行技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性[2]。

管道質(zhì)量對管道長期安全運(yùn)行和使用壽命至關(guān)重要，而焊接技術(shù)是長輸管道建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)。雖然國內(nèi)X100高級別的管線鋼已經(jīng)誕生，現(xiàn)場生產(chǎn)技術(shù)也日益成熟，但是與發(fā)達(dá)國家還存在很大差距。目前，針對X100管線鋼焊接性的研究并不多，焊接工藝的制定有待進(jìn)一步研究。

CRC管道全自動焊技術(shù)是管道自動焊國際先進(jìn)水平的代表，其對施工現(xiàn)場環(huán)境、地理因素、氣候條件等的適應(yīng)性均較強(qiáng)，受到業(yè)界的廣泛關(guān)注[3-5]。與其他焊接技術(shù)相比，CRC管道全自動焊技術(shù)最大的特點(diǎn)在于生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊道成型好、勞動強(qiáng)度低[6]。

文中以實(shí)際應(yīng)用為導(dǎo)向，在對焊接材料及工藝參數(shù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對X100高強(qiáng)管線鋼的焊接接頭的一系列性能進(jìn)行了研究，以期為其在長輸管線的建設(shè)提供必要的理論參考和技術(shù)支持。

1 焊接工藝準(zhǔn)備

1.1CRC焊接系統(tǒng)

CRC管道全自動焊接系統(tǒng)包括CRC坡口機(jī)、內(nèi)焊機(jī)、P260熱焊系統(tǒng)和P600雙焊槍焊接系統(tǒng)。根焊采用CRC內(nèi)焊機(jī)系統(tǒng)，該內(nèi)焊機(jī)系統(tǒng)集對口器和內(nèi)焊機(jī)于一體，有8把焊槍，沿圓周方向均勻安裝在內(nèi)對口器上，有4臺Lincoln DC-400焊接電源供電。采用P260熱焊系統(tǒng)，由焊接小車、Lincoln DC-400焊接電源、電源控制盒及配電盤組成，該系統(tǒng)具有操作簡單、可編程和電弧垂直跟蹤等特點(diǎn)。填充、蓋面采用P600雙焊槍焊接系統(tǒng)，包括雙焊槍機(jī)頭、焊槍水冷裝置、電源控制箱、正極和負(fù)極焊接電纜、氣體保護(hù)源和調(diào)壓器、Fronius Transplis Synergic 3200 Pipe電源以及手持式控制器。P600雙槍頭焊機(jī)具有水平和縱向的自動跟蹤系統(tǒng)，可根據(jù)感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流來調(diào)節(jié)焊槍的上下和左右，以保證焊接過程中焊槍的居中和電弧燃燒穩(wěn)定，確保焊接質(zhì)量[6]。

1.2試驗(yàn)用管材選用

管材選用鞍鋼生產(chǎn)的低C高M(jìn)n微合金化設(shè)計(jì)的X100螺旋焊縫埋弧焊接鋼管，管直徑為1 219 mm，壁厚18.4 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能測試結(jié)果分別見表1和表2。

從表1所測得的X100管材的化學(xué)成分?jǐn)?shù)值可以看出，X100高強(qiáng)管線鋼中碳元素的百分含量非常低，但Mn元素的百分含量較高，從而保證針狀鐵素體的形成和晶粒細(xì)化，使X100管線鋼在低的碳含量下具有高強(qiáng)度、高韌性和良好的焊接性。另外，S元素含量非常低，僅為0.001 5%，進(jìn)一步提高了所選X100高強(qiáng)管線鋼具有較好的抗H2S腐蝕的可能性。

表1 X100管材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 X100管材的力學(xué)性能

1.3坡口設(shè)計(jì)

CRC管道全自動焊接選用復(fù)合坡口形式如圖1所示。該坡口形式可有效地節(jié)省焊材和保護(hù)氣體，具有焊接效率高、熱影響區(qū)、接頭應(yīng)力及焊接變形小等特點(diǎn)。圖2為焊道順序圖。

圖1 坡口形式

圖2 焊道順序示意

2 焊接工藝試驗(yàn)

焊材按照美國AWS標(biāo)準(zhǔn)選擇，根焊選用直徑為0.9 mm ER100S-G氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲，保護(hù)氣體為25%CO2+75%Ar；熱焊選用直徑為0.9 mm的ER100S-G氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲，保護(hù)氣體為100%CO2；填充焊、蓋面焊選用直徑為1.0 mm的ER110S-G氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲，保護(hù)氣體為15%CO2+85%Ar。經(jīng)過多次焊接工藝試驗(yàn)，最終確定的焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 CRC管道全自動焊系統(tǒng)焊接工藝參數(shù)

焊前應(yīng)將試件清洗干凈，坡口及坡口兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)應(yīng)見金屬光澤，將焊接設(shè)備、送氣系統(tǒng)、送絲系統(tǒng)、供電電源檢查調(diào)試好。為了防止焊口產(chǎn)生淬硬組織導(dǎo)致延遲裂紋等缺陷，焊前需將坡口兩側(cè)50 mm內(nèi)做預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為100～200 ℃。層間溫度控制在100～250 ℃范圍之間。

3 焊接接頭性能測試結(jié)果及分析

3.1拉伸性能試驗(yàn)

依照API 1104—2013《管道及有關(guān)設(shè)施的焊接》美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，任何一個試樣在強(qiáng)度數(shù)值上不得小于所選管線鋼母材名義強(qiáng)度值(可以小于管線鋼母材實(shí)際強(qiáng)度)。試樣在被拉斷后應(yīng)對拉斷的位置進(jìn)行觀察。若試樣拉斷位置發(fā)生在母材，并且試驗(yàn)測得的強(qiáng)度數(shù)值在管材規(guī)定名義強(qiáng)度數(shù)值之上或兩者相當(dāng)時，則認(rèn)為試樣是合格的。若試樣的拉斷位置不在母材，而是位于焊縫，亦或在熔合區(qū)，試驗(yàn)測得強(qiáng)度數(shù)值在管材規(guī)定名義強(qiáng)度數(shù)值之上或兩者相當(dāng)，并且斷面沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，亦或者缺陷的相關(guān)類型與尺寸大小不影響無損檢測，則認(rèn)為也是合格的[8]。因而，對X100高強(qiáng)鋼接頭開展拉伸性能測試，最低要求為所得接頭強(qiáng)度在數(shù)值上不得小于X100 高強(qiáng)鋼名義強(qiáng)度(760 MPa)。所得試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，所得接頭測試強(qiáng)度最小數(shù)值805 MPa，最大852 MPa；所得強(qiáng)度數(shù)值都比X100高強(qiáng)管線鋼名義強(qiáng)度(760 MPa)大，且都有很大的富裕量。從試樣拉斷部位看，所得4個試樣當(dāng)中有3個斷在焊縫區(qū)，1個斷在母材區(qū)。觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂位置在焊縫處的試樣，斷口處塑性變形和斷面收縮現(xiàn)象明顯，此種情況屬于韌性斷裂。在CRC-LS-1試樣的斷口位置有像魚眼似的白點(diǎn)，如圖3所示。魚眼是典型的可逆性氫脆，只有對低碳鋼的焊縫區(qū)金屬進(jìn)行拉彎試驗(yàn)時才可看到，沖擊試驗(yàn)是無法看到的。魚眼現(xiàn)象對焊縫產(chǎn)生的效果會使得接頭塑性和韌性下降。魚眼是由于在拉伸、亦或塑變時誘發(fā)的，采取減少氫(包括游離態(tài)氫)來源、進(jìn)行焊前預(yù)熱、或在100～250 ℃進(jìn)行去氫退火處理等手段，就能夠?qū)⒑缚p里氫元素的含量降低，有效預(yù)防魚眼的發(fā)生，消除氫脆的產(chǎn)生。

除CRC-LS-1試樣斷口處存在像魚眼似的白點(diǎn)外，其他試樣斷口表面均未有發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷，并且斷口韌性良好。

X100高強(qiáng)管線鋼焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度數(shù)值與X100鋼管的抗拉強(qiáng)度數(shù)值大小相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)了與母材的等強(qiáng)匹配。

圖3 CRC-LS-1試樣拉伸斷面

3.2低溫沖擊性能試驗(yàn)

沖擊韌性為金屬材料非常重要的一項(xiàng)性能。為了考察X100高強(qiáng)管線鋼焊縫金屬和熱影響區(qū)的沖擊韌性水平，根據(jù)GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》要求對接頭試樣的沖擊韌性開展試驗(yàn)，試樣選用夏比V形缺口，缺口的加工位置分別位于焊縫的中心及焊接熱影響區(qū)，試驗(yàn)溫度為-20 ℃。表5為焊縫及熱影響區(qū)的沖擊吸收能量試驗(yàn)結(jié)果。

表5 -20 ℃沖擊試驗(yàn)結(jié)果

由表5數(shù)據(jù)可知，X100高強(qiáng)管線鋼焊接接頭沖擊吸收能量數(shù)值，最小為138 J，最大達(dá)162 J，平均152 J；HAZ區(qū)金屬的沖擊吸收能量數(shù)值，最小為180 J，最大達(dá)203 J，平均194 J。均滿足沖擊吸收能量單值大于等于60 J、平均大于等于80 J的要求。同時，試驗(yàn)溫度下，沖擊試驗(yàn)結(jié)果的離散性也較小，與平均值的最大偏差僅為14 J。綜合來看，該焊接工藝的沖擊吸收能量均在數(shù)值上都是HAZ區(qū)要普遍高于焊縫，說明HAZ區(qū)的低溫沖擊吸收能量要優(yōu)于焊縫金屬，究其原因，主要是因HAZ區(qū)試樣缺口處在熔合線，其缺口范圍跨越了焊縫區(qū)、熱影響區(qū)和母材三個區(qū)域。又由于X100高強(qiáng)鋼母材的沖擊吸收能量要好于焊縫，因而試驗(yàn)所得HAZ區(qū)沖擊吸收能量數(shù)值較焊縫高，并未對HAZ區(qū)整體韌性水平造成較大的影響。

沖擊吸收能量數(shù)值愈高，鋼材的韌性愈好，則鋼材愈不易發(fā)生脆斷。一般而言，HAZ的韌性普遍要比焊縫高，那么斷裂發(fā)生在焊縫區(qū)域的概率較大。

采用SEM就-20 ℃溫度時沖擊吸收能量較低的焊縫與HAZ斷口觀察，得出其SEM照片如圖4所示。

圖4 焊縫及熱影響區(qū)沖擊試樣斷口表面掃描電鏡照片

從圖4可以看出，在-20 ℃沖擊溫度下，SEM照片中出現(xiàn)的韌窩狀很多，且韌窩較深，說明該斷裂的方式為韌斷，這與拉伸測試結(jié)論一致。

以圖4b為例進(jìn)行具體分析，發(fā)現(xiàn)圖中斷口面呈現(xiàn)的韌窩大小不一，并且存在撕裂棱。分析發(fā)現(xiàn)韌窩均為等軸韌窩，且較大的韌窩中還會發(fā)現(xiàn)有很多較小韌窩，由于韌窩尺寸很小，屬微孔聚集斷裂。該斷裂為高強(qiáng)管線鋼韌斷的常見方式，首先，顯微孔或者微孔會在塑變較嚴(yán)重區(qū)形成、長大、聚集，進(jìn)而發(fā)展成裂紋，直至斷裂。當(dāng)微孔達(dá)到一定程度塑變后就會導(dǎo)致材料斷裂。

3.3硬度測試試驗(yàn)

硬度是對鋼材力學(xué)性能(如彈、塑、強(qiáng)、韌等性能)進(jìn)行綜合表征的一項(xiàng)十分重要的參數(shù)。通常認(rèn)為，母材強(qiáng)度級別愈高，其抗塑性變形的能力也愈大，相應(yīng)地其硬度數(shù)值也愈高。隨著管線鋼材料硬度的增大，其強(qiáng)度也會逐漸升高，而塑性和韌性則會相應(yīng)下降，此種情況下，受力時管線鋼發(fā)生塑性變形的能力也下降，通過塑性變形而使內(nèi)應(yīng)力松弛、應(yīng)力集中降低和材料強(qiáng)度提高來阻止裂紋擴(kuò)展的作用就會減弱，由此會增大管線鋼材料的開裂傾向。鋼在經(jīng)過了焊接熱循環(huán)后，部分組織和相比例會產(chǎn)生變化，力學(xué)性能也會產(chǎn)生相應(yīng)改變。通過維氏顯微硬度測量儀測得X100高強(qiáng)管線鋼焊接接頭硬度值如圖5所示。

圖5 接頭硬度分布曲線

從圖中X100高強(qiáng)管線鋼焊接接頭硬度分布曲線可以看出：不同焊道所具有的硬度平均值為蓋面層最高、根焊/熱焊層最低。這是由于蓋面焊所得組織屬于一次結(jié)晶，而在填充層與根焊/熱焊層都在不同程度上經(jīng)歷了后道焊對其二次加熱作用，晶粒會發(fā)生再次的結(jié)晶，從而造成了硬度降低。根焊/熱焊層中，焊縫金屬所具有最小硬度247 HV10，最大硬度260 HV10，均較母材低；HAZ區(qū)所具有最小硬度275 HV10，最大287 HV10，沒有出現(xiàn)軟化區(qū)(硬度明顯較母材低的區(qū)域)。填充層中，焊縫金屬所具有最小硬度269 HV10，最大289 HV10；HAZ區(qū)最小硬度282 HV10，最大293 HV10，也沒有出現(xiàn)軟化區(qū)。蓋面層中，焊縫金屬所具有最小硬度294 HV10，最大硬度305 HV10，接近母材；HAZ區(qū)沒有軟化區(qū)。測試結(jié)果表明，使用給定的工藝下進(jìn)行焊接實(shí)現(xiàn)了與母材的等強(qiáng)度匹配，焊接接頭的硬度指標(biāo)滿足要求，熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象較弱。

3.4斷裂韌性(CTOD)試驗(yàn)

按照J(rèn)B/T 4291《焊接接頭裂紋張開位移(COD)試驗(yàn)方法》方法對焊接接頭進(jìn)行-20 ℃的斷裂韌性(CTOD)測試。CTOD值能夠反映裂紋尖端的材料抵抗開裂的能力。通常情況下，若測得的CTOD數(shù)值越大，表明裂紋尖端處材料的抗開裂性能越好，即韌度越好；反之，測得的CTOD數(shù)值越小，表明裂紋尖端處材料的抗開裂性能越差，即韌度越差。表6給出了X100高強(qiáng)管線鋼的焊縫與HAZ區(qū)CTOD測試結(jié)果。從表中數(shù)據(jù)可以看出，焊縫CTOD最小0.35，最大0.67；HAZ區(qū)CTOD最小0.68，最大0.81?？偟膩砜?，熱影響區(qū)的斷裂韌度在數(shù)值上普遍高于焊縫金屬，這與低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果相一致。

表6 -20 ℃試驗(yàn)溫度焊縫及熱影響區(qū)CTOD試驗(yàn)結(jié)果

另外，由表6可以看出，焊縫區(qū)CTOD試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，當(dāng)人工預(yù)制疲勞裂紋位于焊縫金屬的微裂紋區(qū)，將會造成CTOD值突降，產(chǎn)生非常大的離散類分布。

由X100高強(qiáng)管線鋼接頭焊縫與HAZ區(qū)的CTOD測試數(shù)據(jù)可知，-20 ℃條件下測定的CTOD數(shù)值均在0.05 mm以上，符合API 1104—2013標(biāo)準(zhǔn)中CTOD≥0.05的要求。

3.5抗氫致開裂(HIC)試驗(yàn)

有硫存在時，管線鋼容易形成氫脆裂紋。當(dāng)管線鋼的強(qiáng)度較高時，在外加拉伸應(yīng)力作用下沿垂直鋼表面方向容易產(chǎn)生脆性裂紋。X100高強(qiáng)管線鋼接頭抗氫致開裂(HIC)測試按NACE TM0284標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法進(jìn)行。試驗(yàn)所選溶液為NACE TM0284規(guī)范中的A溶液。按圖6要求切割試樣，對檢查面使用金相進(jìn)行拋光，試驗(yàn)后按圖7測量裂紋長度及寬度，并按照相應(yīng)計(jì)算公式(裂紋敏感率：CSR=∑(ab)/WT×100%;裂紋長度率：CLR=∑a/W×100%;裂紋厚度率:CTR=∑b/T×100%。其中：字母a代表裂紋長度；字母b代表裂紋厚度；字母W代表樣品寬度；字母T代表樣品厚度，所有單位都為mm)計(jì)算平均值。在所得的三個指標(biāo)中，衡量管線鋼抗HIC能力高低的主要依據(jù)為CSR。

因?yàn)镃SR這一指標(biāo)不但表示了厚度方向上管材產(chǎn)生氫致裂紋的能力，而且體現(xiàn)了軋制方向上管材抵抗氫致開裂的難易程度。材料的CSR的平均值愈大，表明對HIC敏感性愈大；反之，CSR的平均值愈接近于零，材料抗HIC的能力就愈強(qiáng)。

圖6 抗HIC試樣切割示意圖

圖7 裂紋長度和寬度測量圖

根據(jù)API 5L標(biāo)準(zhǔn)，在A溶液進(jìn)行HIC試驗(yàn)時，每個試樣三個截面的CSR,CLR,CTR應(yīng)符合以下驗(yàn)收極限：即CSR≤2%，CLR≤15%，CTR≤5%。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)顯示，所選焊接工藝方案焊接的X100高強(qiáng)管線鋼焊縫金屬的CSR=0.04%，CLR=1.57%，CTR=0.61%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明使用所選擇的焊接工藝方案對X100高強(qiáng)管線鋼進(jìn)行焊接，所得接頭對HIC具有較好的抗性，見表7。

表7 焊接接頭抗HIC試驗(yàn)結(jié)果

注：①是焊縫位于試樣中心的檢查面。

4 結(jié) 論

(1)根據(jù)API 1104—2013管道焊接標(biāo)準(zhǔn)對X100高強(qiáng)管線剛CRC全自動焊接工藝技術(shù)進(jìn)行了研究，在選定的焊接工藝方案下，X100高強(qiáng)管線鋼焊縫金屬所具有的強(qiáng)、塑、韌等方面的力學(xué)性能均滿足要求，且不存在HAZ區(qū)軟化現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了與母材的等強(qiáng)匹配。

(2)斷裂韌性(CTOD)試驗(yàn)結(jié)果表明，熱影響區(qū)斷韌性普遍優(yōu)于焊縫金屬，跟低溫沖擊測試結(jié)論一致，且符合API 1104標(biāo)準(zhǔn)附錄A規(guī)定的方法2和方法3中CTOD≥0.05的情況。

(3)使用給定的焊接工藝方案焊接的X100管線鋼焊縫金屬的CSR=0.04%，CLR=1.57%，CTR=0.61%，均符合API 5L規(guī)定，所得接頭抗HIC性能優(yōu)良。

[1] 胡建春，張 萍，李 偉，等. 長輸管線用X80高強(qiáng)鋼焊接技術(shù)研究[J]. 管道技術(shù)與設(shè)備，2012(6):30-33.

[2] 楊天冰，郭瑞杰. X100管線鋼環(huán)焊縫激光焊接的試驗(yàn)研究[J]. 石油工程建設(shè)，2009，35(6):50-52.

[3] 閆 臣，王玉雷，薛振奎. 油氣管道自動焊技術(shù)的發(fā)展及展望[J]. 焊接技術(shù)， 2016，45(5):83-88.

[4] 胡建春，陳 龍，廖井洲，等. 西氣東輸二線工程X80鋼自動焊焊接工藝[J]. 壓力容器， 2012，29(4):76-80.

[5] 王少峰，胡建春. 大口徑長輸管道CRC全自動焊接工藝研究[J]. 壓力容器， 2013(8):75-79.

[6] 姚宗湘，蔣德平，呂 偉. X80管線鋼半自動焊焊接工藝研究[J]．熱加工工藝，2010(21) :66-68.

[7] 隋永莉. 國產(chǎn)X80管線鋼焊接技術(shù)研究[D]. 天津:天津大學(xué)博士學(xué)位論文，2008.

2016-06-21

TG457.11

勒 巍，1967年出生，大學(xué)本科，工程師。主要從事長輸管道工程建設(shè)和管理方面的工作，已發(fā)表論文10余篇。