海洋平臺(tái) AISI 4130高壓管線的焊接工藝

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(guó)船級(jí)社廣州辦事處，廣州510000）

1 概述

鉆井系統(tǒng)是海洋石油平臺(tái)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(zhì)，設(shè)計(jì)壓力在50～100 Mpa區(qū)間。我司建造的R-550D平臺(tái)設(shè)計(jì)服務(wù)工作溫度為-20℃，管線的焊接及檢驗(yàn)執(zhí)行ABS 船級(jí)社規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)滿足ASME B31.3、ASME IX、API16C、API16A、NACE MR0175規(guī)范要求。

該類管線在平臺(tái)中的作用相當(dāng)重要，所在設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中由于周期性動(dòng)載荷和海水及油介質(zhì)的影響，硫化物會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力斷裂（SSC）和應(yīng)力腐蝕裂紋（SCC），為了保證管線的焊接質(zhì)量，需制定詳細(xì)的焊接工藝方案，方可在生產(chǎn)中取得預(yù)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(zhì)，不屬于ASME材料范疇，屬于高強(qiáng)度中碳鋼，熱處理狀態(tài)是淬火和回火。其機(jī)械性能見(jiàn)表1。

表1 AISI 4130管力學(xué)性能

高強(qiáng)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(guān)鍵。冷裂紋的產(chǎn)生，主要決定于以下三個(gè)因素：

（1）焊縫中擴(kuò)散氫含量；

（2）淬硬組織；

（3）焊接接頭的拘束應(yīng)力。

碳當(dāng)量（CE）及裂紋敏感指數(shù)（Pcm）是衡量材料可焊性的重要指標(biāo)，當(dāng)CE、Pcm >0.4%時(shí)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(zhuǎn)變曲線是反映鋼材在連續(xù)冷卻條件下過(guò)冷奧氏體的轉(zhuǎn)變規(guī)律，是分析轉(zhuǎn)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(dāng)曲線以不同速度進(jìn)行連續(xù)冷卻時(shí)，焊接接頭組織中的珠光體、馬氏體、貝氏體會(huì)有很大差異，所以在保證焊接接頭強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)?shù)脑黾雍鬅釡囟燃氨貢r(shí)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(dāng)AISI 4130材料應(yīng)用在含有H2S介質(zhì)的管線中時(shí)，為了避免應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生，并滿足ABS MODU和NACE規(guī)范的相關(guān)要求，我們選擇了低氫低Ni合金高強(qiáng)鋼焊條（焊材Ni元素含量低于1%）。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)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(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 焊材力學(xué)性能

（2）預(yù)熱和層間溫度控制

預(yù)熱是防止冷裂紋產(chǎn)生的有效措施。預(yù)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?jǐn)U散逸出。依據(jù)AWS D1.1規(guī)范中表3.2關(guān)于鋼材厚度與預(yù)熱溫度的選擇，確定該種材料預(yù)熱溫度范圍在150℃～230 ℃之間，為了避免降溫過(guò)快導(dǎo)致材料的韌性降低，層間溫度也應(yīng)控制在預(yù)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(duì)4130材質(zhì)的熱處理有明確要求。根據(jù)實(shí)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(guò)大的錯(cuò)邊和坡口間隙對(duì)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(qiáng)度鋼對(duì)焊接熱輸入較為敏感。熱輸入量過(guò)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(guò)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(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和參考焊材廠家內(nèi)部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接試驗(yàn)參數(shù)

4 理化試驗(yàn)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(tái)的服役溫度（-20℃），對(duì)焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)板進(jìn)行理化試驗(yàn)分析，試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 焊接工藝評(píng)定理化試驗(yàn)項(xiàng)目

從試驗(yàn)結(jié)果可以斷定，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)各項(xiàng)性能指標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)的合格范圍內(nèi)。由此說(shuō)明，焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)所選用的焊接規(guī)范合理可行，可用于指導(dǎo)生產(chǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

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

[1]周振豐等.焊接冶金學(xué)（金屬焊接性）[M].北京：機(jī)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.