范 健

(深圳市信科萊檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518126)

0 引 言

目前，為防止硫化應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生ASTM A519 Gr.4130SR材料在海洋石油鉆井平臺(tái)項(xiàng)目中已廣泛應(yīng)用于高壓泥漿及水泥管等管線的生產(chǎn)制作。為滿足設(shè)計(jì)要求，在生產(chǎn)制造前，須對(duì)該材料進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。

1 焊接工藝評(píng)定要求

該焊接工藝評(píng)定按API STD 1104-2013、API SPEC 6A-2010及NACE MR 0175/ISO 15156-2:2015要求進(jìn)行。工藝評(píng)定焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果需滿足下列要求：

(1) 抗拉強(qiáng)度：≥655 MPa(如果拉伸試樣斷在母材上，拉伸強(qiáng)度不低于規(guī)定最小抗拉強(qiáng)度的95%)[1]。

(2) 沖擊試驗(yàn)：試驗(yàn)溫度為-29 ℃，平均沖擊吸收功Akv≥27 J, 單個(gè)沖擊吸收功≥20 J[2]。

(3) 彎曲試驗(yàn)：彎曲后，試樣拉伸彎曲表面上的焊縫和熔合線區(qū)域所發(fā)現(xiàn)的任何方向上的任一裂紋或其他缺陷尺寸應(yīng)不大于鋼管公稱壁厚的1/2，且不大于3 mm。除非發(fā)現(xiàn)其他缺陷，由試樣邊緣上產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度在任何方向上應(yīng)不大于6 mm[1]。

(4) 刻槽試驗(yàn)：每個(gè)刻槽錘斷試樣的斷裂面應(yīng)完全焊透和熔合。任何氣孔的最大尺寸應(yīng)不大于1.6 mm，且所有氣孔的累計(jì)面積應(yīng)不大于斷裂面積的2%。夾渣深度應(yīng)不大于0.8 mm，長(zhǎng)度應(yīng)不大于鋼管公稱壁厚的1/2，且小于3 mm。相鄰?qiáng)A渣間至少應(yīng)相距13 mm。白點(diǎn)(參見(jiàn)AWS A3.0中的定義)不做為不合格的原因[1]。

(5) 硬度試驗(yàn)：197 HV10≤平均值≤250 HV10,單個(gè)值≤260 HV10[2-3]。

(6) 為防止硫化物應(yīng)力開(kāi)裂，焊縫熔敷金屬中化學(xué)元素Ni含量不大于1%(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))[3]。

2 材料試驗(yàn)

該焊接工藝評(píng)定中所使用的原材料為ASTM A519 Gr.4130SR，Φ108 mm×14.31 mm，在進(jìn)行焊接工藝評(píng)定前需對(duì)原材料化學(xué)成分及力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，復(fù)驗(yàn)結(jié)果如表1及表2。復(fù)驗(yàn)結(jié)果表明原材料化學(xué)成分及力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 接頭型式、焊接位置及焊接方向

(1) 接頭型式:

接頭型式如圖1。

(2) 焊接位置及焊接方向：

管軸傾斜45°固定焊，向上焊。

表1 ASTM A519 Gr.4130SR化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

注：根據(jù)業(yè)主要求，ASTM A519 Gr.4130SR力學(xué)性能要求值按API SPEC 6A,75K(沖擊要求分類為P類)要求。

4 焊接方法及焊接材料

該焊接工藝評(píng)定采用手工氬弧焊(GTAW)打底，手工電弧焊(SMAW)填充及蓋面。

圖1 接頭型式 (mm)

根據(jù)對(duì)母材力學(xué)性能及焊縫熔敷金屬化學(xué)成分(Ni含量不大于1%)要求，氬弧焊焊絲選用伊薩 OK Tigrod 55/AWS A5.28 ER100S-G (Ф2.4 mm), 手工電弧焊焊條選用四川大西洋焊條CHE707/AWS A5.5 E10015-D2 (Ф3.2 mm),焊接材料化學(xué)成分及力學(xué)性能如表3～6所列。

表3 OK Tigrod 55化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表4 OK Tigrod 55力學(xué)性能

表5 CHE707力學(xué)性能

表6 CHE707化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

5 焊接工藝參數(shù)的確定

5.1 焊接性分析

根據(jù)ASTM A519 Gr.4130SR(Φ108 mm×14.31 mm) 實(shí)際化學(xué)成分(見(jiàn)表1)，按國(guó)際焊接協(xié)會(huì)碳當(dāng)量公式：CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15計(jì)算該母材碳當(dāng)量CE(IIW)=0.67%>0.4%，由此可判斷該母材淬硬傾向和冷裂傾向大，焊接性極差。為保證焊接質(zhì)量，必須采取焊前預(yù)熱及焊后熱處理來(lái)減少淬硬組織的產(chǎn)生，并防止冷裂發(fā)生。

5.2 焊前預(yù)熱、層間溫度及焊后熱處理溫度的確定

預(yù)熱能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋。同時(shí)也降低焊縫及熱影響區(qū)冷卻速度，從而減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。根據(jù)AWS D1.1/D1.1M Annex H確定預(yù)熱溫度為200 ℃[5]。

為防止焊縫及熱影響區(qū)晶粒組織粗大而降低韌性，層間溫度控制在200～250 ℃。

焊后熱處理不僅能消除焊后殘余應(yīng)力，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，更重要的是改善接頭組織，降低接頭整體的硬度，提高接頭組織的穩(wěn)定性，從而提高接頭的綜合性能。焊完后即刻進(jìn)行焊后熱處理，焊后熱處理溫度設(shè)定為700±10 ℃，保溫時(shí)間5.5 h，升降溫速度不大于150 ℃/h。

5.3 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)如表7。

表7 焊接參數(shù)

注：①GTAW保護(hù)氣體為氬氣(Ar)，氬氣流量為10～15 L/min；②DCEN表示直流正接， DCEP表示直流反接；③根部焊道與第二

焊道燒焊最大間隔時(shí)間為10 min。

6 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

(1) API STD 1104-2013及NACE MR 0175/ISO 15156-2:2015標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)符合外觀檢驗(yàn)及無(wú)損探傷要求的焊接工藝評(píng)定試件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果如表8。

表8 力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果

(2) 硬度試驗(yàn)按NACE MR 0175/ISO 15156-2: 2015標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行,硬度測(cè)試點(diǎn)布置如圖2，試驗(yàn)結(jié)果如表9。

圖2 硬度測(cè)試點(diǎn)布置圖 注：①2、3、6、7、10、11、14、15、17和19硬度壓痕應(yīng)完全在熱影響區(qū)內(nèi)，并盡量靠近焊縫金屬與熱影響區(qū)之間的熔合線；②上部測(cè)定線應(yīng)設(shè)置于適當(dāng)位置使得2和6硬度壓痕和最后焊道的熱影響區(qū)或與最后焊道熔合線變化輪廓相重合。

測(cè)試位置硬度值(HV10)測(cè)試位置硬度值(HV10)12191121322391220132431320342221422052141521162311622572461721682211821392091921410222----

7 結(jié) 語(yǔ)

從力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果及焊接材料的化學(xué)成分看，焊接ASTM A519 Gr.4130SR(Φ108 mm×14.31 mm)鋼管采用上述焊接方法、焊接材料、焊接參數(shù)及焊后熱處理工藝，焊接接頭性能完全能滿足API STD 1104-2013、API SPEC 6A-2010及NACE MR 0175/ISO 15156-2：2015標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。