劉 碩

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

當(dāng)前,低碳經(jīng)濟(jì)和綠色產(chǎn)業(yè)被廣泛關(guān)注,相應(yīng)地,以天然氣為代表的清潔能源正在得到廣泛應(yīng)用,并具有廣闊的發(fā)展前途。然而,天然氣資源大多分布在遠(yuǎn)離消費(fèi)區(qū)的邊遠(yuǎn)地帶,如何將其從產(chǎn)地輸送到使用地是需要重點(diǎn)解決的問題。作為一種經(jīng)濟(jì)、安全、連續(xù)、高效的輸送方法,大口徑長(zhǎng)輸管道運(yùn)輸在天然氣、石油、礦漿等輸送中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。鑒于此,油氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)在國內(nèi)外都得到了飛速發(fā)展[1-2]。

對(duì)于管道建設(shè)項(xiàng)目業(yè)主來說,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)縫焊接是長(zhǎng)輸管道建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù),焊接質(zhì)量、效率與成本決定了工程質(zhì)量與工效。長(zhǎng)輸管道環(huán)縫焊接是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,焊接質(zhì)量、效率與成本取決于諸多內(nèi)部或外部因素,比如:鋼管材料與規(guī)格、輸送壓力、介質(zhì)性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境、焊接方法選擇、施工隊(duì)伍硬件和軟件配置、人文環(huán)境要求等。其中,作為管線鋼管材料供應(yīng)商,更應(yīng)該關(guān)注管材本身的焊接性,包括兩方面含義:一是在一定的焊接條件下形成完整無缺陷焊接接頭的能力,即工藝焊接性;二是焊接接頭在一定的服役條件下安全可靠運(yùn)行的能力,即使用焊接性。對(duì)于目前長(zhǎng)輸管道常用的低碳微合金化管線鋼管,工藝焊接性通常考察焊接過程中冷裂紋敏感性,使用焊接性一般考察焊后接頭強(qiáng)化、硬化與脆化行為[1-3]。

當(dāng)前,針對(duì)材料焊接性評(píng)價(jià)的方法很多,常用的直接評(píng)價(jià)法包括斜Y坡口對(duì)接抗裂試驗(yàn)、插銷試驗(yàn)、剛性拘束裂紋試驗(yàn)、可變拘束熱裂紋試驗(yàn)、FISCO焊接裂紋試驗(yàn)以及Z向拉伸試驗(yàn)等,間接推算法包括碳當(dāng)量(冷裂紋敏感指數(shù))法、最高硬度法、連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線法、熱—應(yīng)力模擬法等。這些方法已經(jīng)比較成熟并寫入了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而,經(jīng)過大量的工程實(shí)踐案例與分析,這些方法均相對(duì)保守,對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)施工焊接的指導(dǎo)作用不夠充分[1]。

采用與現(xiàn)場(chǎng)施工焊接相同的焊接工藝條件進(jìn)行實(shí)際的接頭施焊,并進(jìn)行接頭綜合性能評(píng)價(jià),可以準(zhǔn)確地評(píng)估材料在特定條件下的焊接性,可直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工焊接。但是,這種方法不能體現(xiàn)材料本身的焊接性裕量。對(duì)管線鋼管項(xiàng)目業(yè)主來說,材料焊接性裕量越大,其現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝實(shí)施的窗口范圍越寬,對(duì)其降低成本、提高效率將非常有利。鑒于此,很多海外用戶對(duì)管材供應(yīng)商提出了特殊苛刻條件下的可焊性評(píng)價(jià)要求,從而保證管線鋼管現(xiàn)場(chǎng)焊接性裕量,為現(xiàn)場(chǎng)施工焊接提供便利[4]。

為了適應(yīng)當(dāng)前海外管線鋼管用戶特殊苛刻條件下焊接性評(píng)價(jià)的要求,針對(duì)典型規(guī)格X70M大口徑UOE鋼管,在不超過0.25 kJ/mm超低熱輸入以及焊絲高強(qiáng)匹配條件下進(jìn)行熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)環(huán)縫焊接,通過環(huán)焊接頭外觀檢查以及X射線、超聲波無損檢驗(yàn)研究實(shí)際焊接過程中環(huán)焊接頭冷裂紋敏感性。通過進(jìn)行環(huán)焊接頭強(qiáng)化、硬化與脆化行為分析,全面評(píng)價(jià)了X70M管線鋼管在這種具有加速失效特征的特殊焊接條件下的環(huán)縫焊接性。同時(shí),將特殊條件下X70M管線鋼管接頭使用性能特征與現(xiàn)場(chǎng)施工正常主流焊接工藝條件下的接頭性能指標(biāo)進(jìn)行比較,從而證實(shí)了X70M管線鋼管良好的環(huán)縫焊接性,并指出了特殊條件下管線鋼管自動(dòng)環(huán)縫焊接性評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工焊接的重要指導(dǎo)意義。

2 焊接試驗(yàn)過程

2.1 管線鋼管材料

表1和表2分別為試驗(yàn)選取的典型規(guī)格鋼管對(duì)應(yīng)的基本化學(xué)成分和力學(xué)性能,所有指標(biāo)均能夠滿足API 5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)技術(shù)要求。制管用X70M管線鋼屬于典型的低碳微合金化控軋控冷鋼,碳含量與冷裂紋敏感指數(shù)均較低,理論上應(yīng)該具有良好的焊接性。管體母材強(qiáng)度與塑韌性指標(biāo)均很好。

表1 試驗(yàn)選取的典型規(guī)格X70M鋼管基本化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)選取的典型規(guī)格X70M鋼管基本力學(xué)性能

2.2 焊接材料匹配

表3為試驗(yàn)鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動(dòng)環(huán)縫焊接焊材匹配方案。其中,自動(dòng)內(nèi)根焊采用同種焊材,而填充蓋面焊道分別采用了理論上高強(qiáng)和等強(qiáng)匹配的熔化極氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲。在不超過0.25 kJ/mm超低熱輸入自動(dòng)環(huán)縫焊接條件下,同時(shí)采用高強(qiáng)匹配焊接材料組合,能夠加劇焊接接頭冷裂紋敏感性,并促進(jìn)接頭硬化和脆化,從而使這種條件下的焊接性評(píng)價(jià)具有加速失效特征。等強(qiáng)焊材匹配代表了主流施工焊接工藝條件,評(píng)價(jià)結(jié)果與特殊條件下的結(jié)果進(jìn)行比較對(duì)照,一方面可以證實(shí)試驗(yàn)鋼管的可焊性,再者可以判定試驗(yàn)鋼管是否具有現(xiàn)場(chǎng)環(huán)縫焊接性裕量,對(duì)用戶制定現(xiàn)場(chǎng)施工焊接技術(shù)方案具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

表3 試驗(yàn)鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動(dòng)環(huán)縫焊接焊材匹配方案

2.3 焊接接頭形式與坡口尺寸

圖1所示為試驗(yàn)鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動(dòng)環(huán)焊接頭形式與坡口尺寸。由于采用了帶有內(nèi)對(duì)口器的自動(dòng)內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行自動(dòng)熔化極氣體保護(hù)根焊,內(nèi)坡口加工了小尺寸V型槽,保證根焊縫良好成型。外部采用小角度復(fù)合V型坡口,從而能夠減少填充量,提高焊接效率。鈍邊尺寸的設(shè)置需要結(jié)合焊接工藝參數(shù),保證熔透深度。

2.4 焊接工藝規(guī)范

表4為試驗(yàn)鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動(dòng)環(huán)縫焊接工藝規(guī)范。這里,根焊縫均采用自動(dòng)內(nèi)焊方法,焊接工藝規(guī)范與現(xiàn)場(chǎng)施工主流焊接工藝基本保持一致。填充蓋面焊接分別采用特殊條件和主流施工焊接條件下工藝規(guī)范。一般地,管線鋼管現(xiàn)場(chǎng)施工氣體保護(hù)自動(dòng)環(huán)縫焊接熱輸入范圍為0.6～1.0 kJ/mm,根據(jù)焊接坡口形式與焊道布置方式的不同稍有變化?；谌刍瘶O氣體保護(hù)焊接的不超過0.25 kJ/mm超低熱輸入屬于特殊苛刻的焊接條件,在這種條件下,焊后冷卻速度急劇升高,接頭淬硬傾向增加,微觀組織均勻性變差,將會(huì)同時(shí)增加焊接過程中冷裂紋敏感性以及接頭硬化與脆化傾向,與現(xiàn)場(chǎng)施工主流焊接工藝條件相比,具有明顯的加速失效特征。

首先,鋼管端部坡口附近25 mm范圍內(nèi)應(yīng)用機(jī)械打磨方法清理干凈,以避免產(chǎn)生焊接缺陷。焊前將鋼管段加熱到不超過60 ℃,這種低溫加熱條件旨在去除鋼管表面水分,與常用的焊前預(yù)熱有本質(zhì)的區(qū)別,對(duì)焊后冷卻速度及接頭淬硬傾向基本沒有影響,屬于無預(yù)熱焊接范疇。焊接過程中層間溫度不超過150 ℃。根焊采用直拉焊接,填充與蓋面焊根據(jù)熱輸入范圍的不同采用直拉或擺動(dòng)焊接模式,保證焊接熔合質(zhì)量。采用CPP900-IW56帶有內(nèi)對(duì)口器的內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行自動(dòng)內(nèi)根焊,CPP900-W2外焊機(jī)進(jìn)行填充和蓋面焊。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 環(huán)焊接頭冷裂紋敏感性

基于特殊條件與主流施工焊接條件下的試驗(yàn)鋼管自動(dòng)環(huán)縫焊接完成后,進(jìn)行接頭外觀檢查,焊縫與管體母材之間過渡良好,焊縫均勻連續(xù),沒有發(fā)現(xiàn)明顯可見的焊接缺陷。鋼管環(huán)縫焊接完成24 h后進(jìn)行X射線、超聲波無損檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn):焊接質(zhì)量滿足API 1104—2016標(biāo)準(zhǔn)要求,沒有出現(xiàn)焊接冷裂紋等缺陷?？梢?即使在預(yù)熱溫度很低、高強(qiáng)焊材匹配、超低熱輸入自動(dòng)焊接特殊苛刻條件下,典型規(guī)格X70M管線鋼管環(huán)焊接頭也沒有冷裂紋傾向,其工藝焊接性良好,并具有較大的裕量。圖2為編號(hào)GW152和GW190環(huán)焊接頭外觀形貌。

表4 試驗(yàn)鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動(dòng)環(huán)縫焊接工藝規(guī)范

3.2 環(huán)焊接頭強(qiáng)化硬化與脆化行為分析

圖3為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭力學(xué)性能評(píng)價(jià)試樣取樣位置。通過進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn),分析在特殊苛刻焊接條件下X70M管線鋼管環(huán)焊接頭強(qiáng)化、硬化與脆化行為。

圖4為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭橫向拉伸性能?？梢?所有試樣抗拉強(qiáng)度均遠(yuǎn)高于X70M規(guī)定最低抗拉強(qiáng)度,并且所有接頭試樣斷裂位置均為管體母材。

表5為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊縫金屬縱向拉伸性能?？梢?超低熱輸入自動(dòng)焊接與焊材高強(qiáng)匹配,共同造成了焊縫金屬過度強(qiáng)化,同時(shí),塑性指標(biāo)顯著下降。當(dāng)采用現(xiàn)場(chǎng)施工主流焊接工藝規(guī)范時(shí),焊縫金屬強(qiáng)度顯著降低,塑性指標(biāo)也得到改善。

表5 兩種焊接工藝條件下環(huán)焊縫金屬縱向拉伸性能

按照?qǐng)D5所示方法進(jìn)行兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭維氏硬度測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見圖6(BM為母材,HAZ為焊接熱影響區(qū),WM為焊縫金屬;測(cè)試點(diǎn)位置按照?qǐng)D5從左到右依次編號(hào))。可見,在高強(qiáng)焊接材料匹配、超低熱輸入自動(dòng)焊接條件下,焊縫金屬硬度值均很高,最高達(dá)到389HV10,表現(xiàn)出嚴(yán)重的硬化傾向。受到超低熱輸入焊接后快速冷卻的影響,焊接熱影響區(qū)靠近熔合線的粗晶區(qū)位置也表現(xiàn)出明顯的硬化傾向,這與前述接頭強(qiáng)度指標(biāo)劇烈升高以及塑性指標(biāo)降低是一致的。當(dāng)采用現(xiàn)場(chǎng)焊接主流工藝規(guī)范時(shí),接頭硬化程度不大。

圖7為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭不同位置沖擊韌性。可見,在高強(qiáng)度焊材匹配、超低熱輸入自動(dòng)焊接條件下,隨著焊縫金屬強(qiáng)化與硬化程度的增加,沖擊韌性顯著下降,但仍高于用戶規(guī)定的驗(yàn)收指標(biāo)50/60 J。相對(duì)之下,現(xiàn)場(chǎng)焊接主流工藝條件下焊縫金屬?zèng)_擊韌性非常好。無論哪種焊接工藝條件,熔合線和熱影響區(qū)沖擊韌性均很好。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接主流工藝條件接頭,進(jìn)行系列溫度沖擊韌性試驗(yàn),研究其在一定溫度范圍內(nèi)的韌脆轉(zhuǎn)變行為。圖8為GW190環(huán)焊接頭不同位置系列溫度沖擊韌性?？梢?在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),GW190環(huán)焊接頭3個(gè)位置沖擊韌性均處于較高水平,即使在-40 ℃條件下,沖擊功也沒有劇烈下降,只是出現(xiàn)了個(gè)別沖擊值的波動(dòng)。可以認(rèn)為,基于現(xiàn)場(chǎng)施工主流焊接工藝的自動(dòng)環(huán)焊接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-40 ℃,這在一般的管線設(shè)計(jì)與服役溫度下是非常安全的,這說明了寶鋼典型規(guī)格UOE鋼管具有較大的現(xiàn)場(chǎng)焊接性裕量。

針對(duì)兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭不同位置進(jìn)行基于單側(cè)缺口彎曲試樣(SENB)的CTOD斷裂韌性試驗(yàn),試樣尺寸為B·B(B表示鋼管壁厚),缺口方向?yàn)樨灤┍诤?NP),試驗(yàn)溫度為-10 ℃。圖9為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭不同位置CTOD特征值?？梢?在高強(qiáng)度焊材匹配、超低熱輸入自動(dòng)焊接條件下,隨著焊縫金屬強(qiáng)化與硬化程度的增加,CTOD斷裂韌性顯著下降,受此影響,熔合線和熱影響區(qū)位置CTOD特征值也偏低。然而,即使在特殊苛刻焊接工藝條件下,環(huán)焊接頭熔合線和熱影響區(qū)CTOD斷裂韌性均明顯高于一般工程驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)值0.2 mm,說明寶鋼典型規(guī)格UOE鋼管具有較高的現(xiàn)場(chǎng)焊接性裕量。所以,在現(xiàn)場(chǎng)焊接主流工藝條件下,環(huán)焊接頭各個(gè)位置均表現(xiàn)出良好的CTOD斷裂韌性。此外,與沖擊韌性值相比,CTOD特征值表現(xiàn)出很大的離散性,這與環(huán)焊接頭組織不均勻有關(guān),這種組織不均勻性對(duì)CTOD特征值的影響程度遠(yuǎn)大于沖擊韌性。同時(shí),沖擊韌性與斷裂韌性也不是完全正相關(guān)的關(guān)系。CTOD斷裂韌性的影響因素與機(jī)制更加復(fù)雜,也具有更大的不確定性。

圖10為GW152焊接接頭不同位置典型微觀組織。在超低熱輸入自動(dòng)焊后快速冷卻時(shí),焊縫金屬內(nèi)碳原子來不及擴(kuò)散形成鐵素體/貝氏體基體上聚集狀M-A組元,這是焊縫金屬脆化的重要原因。焊后快速冷卻增加了淬硬傾向并形成密集分布的條狀馬氏體,這是焊縫金屬強(qiáng)化、硬化與脆化的重要原因。熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)同樣受到快速冷卻淬硬作用,在原奧氏體晶界內(nèi)生成交錯(cuò)分布的條狀貝氏體+馬氏體組織,二者交錯(cuò)分布在一定程度上改善了CGHAZ韌性,同時(shí)由于該區(qū)域比較窄,所以對(duì)沖擊韌性的影響不大。多層多道焊接時(shí),二次和多次循環(huán)受熱的臨界再熱粗晶區(qū)(IRCGHAZ)組織特征比較復(fù)雜,其循環(huán)受熱溫度處于α+γ兩相區(qū),冷卻時(shí)發(fā)生不均勻、不充分固態(tài)相變,多次非均勻相變使碳化物在M-A組元內(nèi)部聚集,與周圍基體出現(xiàn)了碳濃度梯度,并形成了條狀貝氏體/鐵素體+馬氏體+不均勻分布?jí)K狀高碳M-A組元,這將割裂貝氏體/鐵素體基體并降低該區(qū)域韌性指標(biāo)。由于這種局部脆化區(qū)很窄并且隨機(jī)分布,無論是熔合線還是熱影響區(qū)位置沖擊試驗(yàn)取樣刻槽,都不可能完全取在該區(qū)域,其對(duì)沖擊韌性影響不大。然而,在CTOD斷裂韌性評(píng)價(jià)時(shí),一旦預(yù)制疲勞裂紋尖端位于該局部脆化IRCGHAZ,加載過程中將快速失穩(wěn)擴(kuò)展,出現(xiàn)突變區(qū)或直接發(fā)生脆性斷裂,并造成CTOD特征值的劇烈下降。這也是前述熔合線和熱影響區(qū)位置CTOD值離散性分布的重要原因[5]。

圖11為GW190焊接接頭不同位置典型微觀組織。在現(xiàn)場(chǎng)焊接主流工藝條件下,環(huán)焊接頭焊后冷卻速度適中,焊縫金屬以條狀鐵素體+貝氏體組織為主,局部存在少量塊狀M-A組元,沒有形成對(duì)基體金屬的割裂作用,從而使焊縫金屬表現(xiàn)出良好的韌性指標(biāo)。熱影響區(qū)粗晶區(qū)很窄,一次粗晶區(qū)奧氏體晶界明顯,以細(xì)針狀貝氏體+鐵素體+少量M-A組元為主,同時(shí)二次再熱粗晶區(qū)具有M-A組元聚集特征。在該試驗(yàn)條件下,該區(qū)域?qū)宇^造成的局部脆化效應(yīng)不明顯。

4 結(jié)論

(1) 針對(duì)典型規(guī)格X70M大口徑UOE管線鋼管,在不超過0.25 kJ/mm超低熱輸入以及焊絲高強(qiáng)匹配條件下進(jìn)行無預(yù)熱熔化極氣體保護(hù)自動(dòng)環(huán)縫焊接,在這種特殊苛刻焊接條件下,材料無冷裂紋敏感性,表現(xiàn)出良好的工藝焊接性。

(2) 特殊苛刻焊接條件下X70M環(huán)焊接頭表現(xiàn)出一定的強(qiáng)化、硬化與脆化傾向,但仍能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接主流工藝條件環(huán)焊與性能評(píng)價(jià)比較,證明了寶鋼X70M管線管具有較大的焊接性裕量,該結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工焊接具有重要的指導(dǎo)意義。

(3) 環(huán)焊接頭表現(xiàn)出的強(qiáng)化、硬化與脆化傾向,與接頭微觀組織形態(tài)密切相關(guān)。不同的焊接條件下形成的不同組織形態(tài)導(dǎo)致接頭性能的差異。環(huán)焊接頭非均勻組織分布造成了部分性能指標(biāo)的離散性。