王 燕

（中石化石油機(jī)械股份有限公司沙市鋼管分公司，湖北 荊州 434001）

隨著世界石油天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，油氣輸送管線設(shè)計(jì)輸送壓力的不斷提高，鋼管向著高鋼級、大管徑、厚壁厚方向發(fā)展，對焊接質(zhì)量也提出了更高的要求，其中包括鋼管的力學(xué)性能和焊接缺陷的控制。提高焊管的焊接質(zhì)量，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義［1-2］。中石化石油機(jī)械股份有限公司沙市鋼管分公司（簡稱沙市鋼管）在生產(chǎn)壁厚為16 mm、材質(zhì)L485M 的直縫埋弧焊管中，焊縫同時(shí)出現(xiàn)低溫沖擊韌性不合格、導(dǎo)向彎曲不合格及點(diǎn)狀缺陷等多個(gè)質(zhì)量問題，造成多根鋼管降級。針對上述質(zhì)量問題，筆者進(jìn)行了原因分析，通過一系列的工藝調(diào)整試驗(yàn)，最終解決了該質(zhì)量問題。本文就產(chǎn)生以上工藝質(zhì)量問題的原因進(jìn)行分析論述。

1 試樣分析

焊縫低溫沖擊韌性數(shù)值見表1。從表1 中可以看出焊縫沖擊功單值為74，74，78 J，平均值為75 J，焊縫沖擊功單值符合≥60 J 的客戶技術(shù)要求，但是沖擊功平均值不符合≥80 J 的客戶技術(shù)要求。焊縫導(dǎo)向彎曲不合格如圖1 所示，且均為導(dǎo)向彎曲不合格，分析彎曲試樣宏觀形貌，在試樣受拉面上沿焊縫中心線開裂，并貫穿了整個(gè)試樣寬度方向。為排除鋼管因存在內(nèi)在焊縫質(zhì)量缺陷而影響力學(xué)性能不合格的情況，隨即在力學(xué)試樣不合格鋼管上，用缺陷評定靈敏度為Φ1.6 mm 豎通孔反射波波高100%的超聲波進(jìn)行全管焊縫探傷，發(fā)現(xiàn)存在多處點(diǎn)狀缺陷（每根鋼管多達(dá)十幾處），隨后對此不合格鋼管前后生產(chǎn)的鋼管也進(jìn)行全管超聲波探傷均發(fā)現(xiàn)此類缺陷。對直縫埋弧焊管有缺陷的部分取樣，通過超聲波手動探傷儀確認(rèn)缺陷所在焊縫中的位置，用機(jī)械加工方法加工出缺陷所在的焊縫橫截面，經(jīng)磨削、拋光、腐蝕后制成金相試樣，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀缺陷水平位置位于焊縫正中間，距內(nèi)焊縫表面深度0.5～2.0 mm，裂紋存在位置如圖2 所示，缺陷為垂直于焊縫柱狀晶方向長度約為0.4 mm 微裂紋，缺陷位置處于內(nèi)焊縫余高中間正下方2 mm 左右，故懷疑反彎不合格可能是受到內(nèi)焊縫點(diǎn)狀缺陷的影響。

表1 焊縫低溫沖擊韌性數(shù)值

圖1 焊縫導(dǎo)向彎曲不合格試樣示意

圖2 裂紋存在位置示意

2 原因分析

從存在的問題來看，焊縫沖擊值低反映的是焊縫韌性不達(dá)標(biāo)，焊縫反彎不合格說明塑性不達(dá)標(biāo)，使得焊縫經(jīng)擴(kuò)徑后產(chǎn)生微裂，導(dǎo)致出現(xiàn)超聲波手動探傷返單個(gè)超標(biāo)缺陷問題。在焊接工作中用于改善焊縫金屬性能的途徑很多，但歸納起來主要是焊縫的固溶強(qiáng)化、變質(zhì)處理（微合金元）和調(diào)整焊接工藝參數(shù)［3-4］。

2.1 焊縫金屬的固溶強(qiáng)化和變質(zhì)處理

改善焊縫金屬凝固組織，影響熔池結(jié)晶形態(tài)的主要是焊縫中的元素含量。一方面是焊縫中S、P、H、O、N 等有害元素的含量，S、P 等有害元素含量超標(biāo)時(shí)容易產(chǎn)生FeS、FeP，并與鐵發(fā)生作用形成低熔點(diǎn)共晶，在焊縫金屬凝固結(jié)晶后期，低熔點(diǎn)共晶被排擠在柱狀晶體交遇的中心部位，形成“液態(tài)薄膜”，使焊縫產(chǎn)生熱裂紋，造成焊縫的韌性、塑性下降，同時(shí)S、P 在焊縫中還能引起偏析等問題；另一方面是Mo、Mn、V、Nb、Ti 等合金元素的含量，通過焊接材料向熔池中加入細(xì)化晶粒的合金元素，使焊縫金屬晶粒細(xì)化，既可提高焊縫的強(qiáng)度和韌性，又可改善抗裂性能［5-6］。

2.2 調(diào)整焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度等；而焊接熱輸入是焊接工藝參數(shù)的集中反映，是影響焊接熱循環(huán)的重要因素。當(dāng)母材、焊材及焊接方法一定，焊接接頭顯微組織與力學(xué)性能主要取決于焊接熱輸入。隨著焊接熱輸入量的降低，焊縫組織逐漸細(xì)化，焊縫韌性逐漸提高，但焊接熱輸入量過大或過小都會影響鋼管的焊接質(zhì)量。

根據(jù)影響焊縫塑性、韌性力學(xué)性能的因素分析，首先將沙市鋼管使用的鋼材原料化學(xué)成分與其他兩家鋼廠的原料化學(xué)成分進(jìn)行對比，鋼板原料化學(xué)成分見表2。從化學(xué)成分上看，沙市鋼管使用的鋼板原料中無Mo 元素，而當(dāng)焊縫中的Mo 含量在0.20%～0.35%，焊縫中有利于形成均一的細(xì)晶鐵素體，不僅提高強(qiáng)度，同時(shí)也能改善韌性［7-9］。

其次，觀察焊縫的顯微組織形貌，發(fā)現(xiàn)焊縫熔池柱狀晶成長方向欠佳，基本垂直于中心軸。理想的焊縫宏觀形貌如圖3 所示，柱狀晶成長方向與中心軸之間的角度越小越好，這樣就要求焊縫熔池中的雜質(zhì)盡量往上浮，而不是殘留在焊縫中心區(qū)域。如果熔池雜質(zhì)殘留在焊縫中心區(qū)域，就會使焊縫最后凝固處產(chǎn)生偏析，造成焊縫塑性不夠，從而在擴(kuò)徑之后產(chǎn)生開裂。焊縫熔池中柱狀晶成長的形態(tài)主要受焊接熱輸入的影響。

表2 鋼板原料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

圖3 理想的焊縫宏觀形貌

3 試驗(yàn)方案

3.1 調(diào)整焊縫化學(xué)成分

首先為了增加焊縫中Mo 的含量，選用了4 種Mo 含量較高的A、B、C、D 焊絲進(jìn)行焊材匹配試驗(yàn)，多種焊絲匹配試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 多種焊絲匹配試驗(yàn)結(jié)果

從表3 試驗(yàn)結(jié)果看出，1 號和4 號焊縫沖擊數(shù)值較高，但是4 號試驗(yàn)結(jié)果反彎不合格，故初步將內(nèi)外焊焊絲全部用B 焊絲。為了驗(yàn)證B 焊絲試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，故新增兩組試樣，內(nèi)外焊B 焊絲試驗(yàn)結(jié)果見表4。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，即使采用B 焊絲焊縫的反彎不合格的，但焊縫沖擊數(shù)值較高且較穩(wěn)定，所以內(nèi)外焊均用B 焊絲，焊絲直徑為4 mm。

表4 內(nèi)外焊B 焊絲試驗(yàn)結(jié)果

3.2 調(diào)整焊接熱輸入量

制定焊接規(guī)范，初始焊接規(guī)范見表5。

表5 初始焊接規(guī)范

從改變焊縫晶粒大小和顯微組織上考慮，應(yīng)當(dāng)降低焊接熱輸入量，因此進(jìn)行了第一次的焊接參數(shù)調(diào)整，將焊接熱輸入量由2.42 kJ/（cm·mm）減小至2.3 kJ/（cm·mm），第一次調(diào)整后的焊接規(guī)范見表6，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表6 第一次調(diào)整后的焊接規(guī)范

表7 第一次調(diào)整焊接規(guī)范后的試驗(yàn)結(jié)果

從以上試驗(yàn)結(jié)果來看，減小焊接熱輸入量后，焊縫低溫沖擊值和導(dǎo)向彎曲都達(dá)標(biāo)，且點(diǎn)狀缺陷由之前每根鋼管十幾處減少到5 處。雖然整體情況大有好轉(zhuǎn)，但仍不能完全消除點(diǎn)狀缺陷，為此沙市鋼管根據(jù)以上思路，第二次設(shè)計(jì)焊接規(guī)范，將焊接熱輸入量由 2.3 kJ/（cm·mm）減小為 2.2 kJ/（cm·mm），第二次調(diào)整后的焊接規(guī)范見表8，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表8 第二次調(diào)整后的焊接規(guī)范

表9 第二次調(diào)整焊接規(guī)范后的試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)焊接10 根鋼管，焊后焊縫表面成型良好，100%全管手動超聲波檢查無點(diǎn)狀缺陷，焊縫、熱影響區(qū)低溫沖擊功平均值≥150 J，焊接接頭彎曲均合格，焊縫宏觀形貌良好，如圖4 所示。

圖4 焊縫宏觀形貌

沙市鋼管通過焊接試驗(yàn)構(gòu)建管線鋼埋弧焊工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型［10-13］，確定了管線鋼鋼管線能量應(yīng)控制在220 J/mm2以內(nèi)。

4 結(jié) 論

（1） 沙市鋼管為降低成本，調(diào)整了L485M 母材化學(xué)成分，使母材合金元素中不含Mo 元素，為保證焊縫的沖擊韌性，制管廠需要選擇合適合金元素含量的焊絲進(jìn)行匹配，以調(diào)整焊縫化學(xué)成分的含量。

（2） 在保證焊縫熔透量的情況下，盡量使用小的焊接熱輸入量，使焊接后熔池金屬冷卻凝固后得到理想的組織成分和晶粒組織。