X70M大壁厚螺旋埋弧焊管丁字焊縫工藝性能研究

蔣永峰，王 偉，馮宗澤，陸建剛，任 超

（江蘇玉龍鋼管股份有限公司，江蘇 無錫 214183）

X70M大壁厚螺旋埋弧焊管丁字焊縫工藝性能研究

蔣永峰，王 偉，馮宗澤，陸建剛，任 超

（江蘇玉龍鋼管股份有限公司，江蘇 無錫 214183）

X70M大壁厚螺旋埋弧焊管丁字焊縫焊接接頭強度過高，經過成型器反變形易產生層狀撕裂，焊縫熱影響區(qū)溫度過高易使焊縫組織產生脆化現(xiàn)象，為了確保X70M大壁厚螺旋埋弧焊管丁字焊縫焊接接頭的各項性能指標，采用H08D焊絲與SJ101G焊劑匹配進行工藝試驗，焊接過程中嚴格控制層間溫度、減小焊接熱輸入及焊后熱處理形式，通過試驗得出了合理的焊接工藝。試驗結果表明，按該工藝所焊試件的各項性能指標均達到API SPEC 5L PSL2標準及客戶技術條件，采用此工藝已成功地生產了數(shù)萬噸尼日利亞輸油管線用管，效果良好。

螺旋埋弧焊管；丁字焊縫；焊接工藝；成型工藝；X70M低合金鋼

螺旋埋弧焊管經過近幾十年的發(fā)展，其制造工藝已逐步完善并日益成熟，產品廣泛運用到輸油、輸氣、輸水、排污、供暖、橋梁建筑等領域，用途十分廣泛。隨著經濟的飛速發(fā)展，各行各業(yè)對能源的需求及消耗日益增加，對產品制造工藝提出了更高的要求，尤其對制造高強度、高質量、大直徑厚壁螺旋鋼管的工藝技術要求越來越高，其條件越來越苛刻。因此，對螺旋焊管的工藝研究有待深度挖掘，特別是螺旋焊管的丁字焊縫工藝性能問題，一直是困擾著制管行業(yè)發(fā)展的瓶頸。為此，大多客戶及供應商為了確保管線的使用安全，針對對接焊縫鋼管采用切割處理，造成很大的資源浪費。

江蘇玉龍鋼管股份有限公司根據API SPEC 5LPSL2標準及客戶技術條件依據，對Ф1219mm×20.62 mm、材質為X70M尼日利亞輸油管道的丁字焊縫工藝性能進行研究，研究結果可為業(yè)界提供一定的技術支持。

1 材料理化性能試驗分析

試驗材料為首鋼提供的X70M控扎控冷鋼帶（TMCP），組織為鐵素體+貝氏體組成的復相組織，含有一定量的M/A組元，分布于貝氏體及基體上，其韌性好、強度高。分析認為，該X70M鋼帶存在板頭板尾抗拉強度較高且強度分布不均勻、焊接接頭強度較大等問題，另外還存在焊接接頭經過成型器的反變形可能會產生層狀撕裂等情況，為了使焊接接頭的顯微組織和力學性能滿足相關標準和客戶的技術要求，采用H08D焊絲與SJ101G2焊劑進行匹配試驗。匹配原則遵循：焊縫熔敷金屬力學性能在焊態(tài)條件下，其力學性能略低于母材的力學性能，以確保焊接接頭各性能指標滿足相關技術要求。X70M材料化學成分見表1，力學性能見表2；H08D焊絲化學成分見表3，熔敷金屬力學性能見表4。

表1 X70M卷板化學成分及碳當量 %

表2 X70M卷板的力學性能

表3 H08D焊絲主要化學成分 %

表4 H08D熔敷金屬的力學性能

2 焊接工藝分析及坡口設計

2.1 用Pcm判定產生冷裂紋的敏感性

冷裂紋敏感系數(shù)Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B=0.17%（＜0.25%）。從計算結果可以看出，該X70M材料焊接時淬硬傾向低，可焊性好，焊前無需預熱處理。

2.2 用IIW推薦的碳當量計算

用國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量來計算，即 CEIIW=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15=0.41%（≥0.4%）。從計算結果可以看出，CEIIW接近下限值0.4%，且略大于下限值，這說明淬硬性傾向不大，焊接性良好，焊前不需預熱，但組織有淬硬、冷裂紋發(fā)展的趨勢。

另外，考慮到熱影響區(qū)溫度過高會造成奧氏體晶粒顯著長大使其產生脆化現(xiàn)象，因此在焊接過程中必須選擇合適的焊接工藝參數(shù)，控制焊接熱輸入，并在焊接完成后采取保溫處理。

2.3 焊接工藝設計

為了獲得滿足性能的焊接接頭，同時為避免焊接接頭經過成型器的反變形產生層狀撕裂，防止熱影響區(qū)發(fā)生脆化、及焊縫和熱影響區(qū)因施焊完成后冷卻過快而形成馬氏體淬硬組織，擬采用單絲多層多道埋弧半自動焊焊接工藝，嚴格控制焊接熱輸入、層間溫度，并在焊接完成后采用保溫處理。

2.4 焊接接頭坡口設計

焊接接頭的坡口設計如圖1所示。為了獲得全熔透、高強度、韌性好等性能要求的焊接接頭，采用 Y+U 坡口形式。 單邊坡口角 30°±1°、25°±1°， 鈍邊 8.0±1.0 mm， 對接間隙 1.0～2.0 mm。

圖1 焊接接頭坡口設計

3 焊接工藝試驗

3.1 正面焊焊前準備

正面焊在螺旋焊管機組生產線上完成，采用3層3道埋弧半自動焊接工藝，即一層打底、二層填充、三層蓋面。焊前按照工藝要求加工Y形坡口和鈍邊（見圖1（a）），并清除坡口面及坡口兩側50 mm范圍內的油污、銹蝕等影響焊接的污物，直至露出金屬光澤。最后按工藝要求將兩鋼帶板頭、板尾對接，并預留相應的間隙，在對接焊縫兩端聯(lián)接引弧板、熄弧板，鋼帶對接示意如圖2所示。

圖2 鋼帶對接示意圖

3.2 背面焊焊前準備

背面焊在離線半自動補焊裝置上完成，采用2層2道埋弧半自動焊接工藝，即一層填充、二層蓋面。按照工藝要求，采用碳弧氣刨加工U形坡口、并完全清根（見圖1（b）），并清除坡口面及坡口兩側50 mm范圍內的油污、銹蝕等影響焊接的污物，直至露出金屬光澤。

3.3 焊接工藝

焊接設備采用林肯DC－1500焊機，焊前焊劑按工藝要求進行烘焙，焊接過程中嚴格控制層間溫度及焊接熱輸入，焊后焊劑覆蓋于焊縫表面保溫緩冷，防止焊縫冷卻過快，確保氫及時溢出，避免焊縫和熱影響區(qū)組織發(fā)生變化。

正面焊和背面焊焊接方法均為SAW，焊劑牌號為SJ101G2，焊絲牌號為H08D，焊絲直徑為4.5 mm。具體焊接工藝參數(shù)見表5和表6。

表5 正面焊工藝參數(shù)

表6 背面焊工藝參數(shù)

4 試驗結果及焊接時應注意事項

4.1 試驗結果

對所焊試件按照API SPEC 5L PSL2標準及客戶技術條件進行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)有超標缺陷，并對所焊試件的理化性能進行了檢測。

焊縫宏觀形貌如圖3所示，掃描電鏡下的焊縫、熱影響區(qū)顯微組織如圖4所示。由圖3和圖4可見，焊接接頭根部熔合良好，無未熔合或未焊透的現(xiàn)象；焊接接頭顯微組織滿足相關標準要求。

圖3 焊縫宏觀形貌

圖4 掃描電鏡下的焊縫、熱影響區(qū)顯微組織

拉伸和導向彎曲試驗結果見表7，夏比沖擊試驗結果見表8。維氏硬度檢測打點位置如圖5所示，檢測結果見表9。檢測結果表明，所焊試件各項性能指標均符合相關標準要求。

表7 拉伸、導向彎曲試驗結果

表8 夏比沖擊試驗結果

圖5 焊縫硬度打點位置示意圖

表9 維氏硬度試驗結果

4.2 焊接時應注意事項

（1）坡口設計，根據工藝要求選擇加工合理的焊接坡口，其型式和尺寸應依據焊接方法、母材類別及厚度等來確定。同時應盡量減少焊縫填充的金屬量，以避免產生缺陷、減少焊接變形及殘余應力，方便焊接操作。

（2）焊接環(huán)境要求，施焊現(xiàn)場風速不得大于10 m/s、相對濕度不得大于80%、焊件溫度不得低于－20℃。

（3）焊接材料匹配，焊縫熔敷金屬力學性能等于或略低于母材力學性能指標。

（4）焊接過程中務必選擇合適的焊接工藝參數(shù)，采用多層多道焊，嚴格控制層間溫度、焊接熱輸入。

（5）焊后采用焊劑覆蓋保溫、緩冷，以確保焊接接頭各性能指標。

5 結 語

通過對X70M低合金鋼材料焊接性能分析、焊接工藝試驗，提出了合理的焊接工藝及操作要領，并對焊接接頭試樣進行一系列的工藝評定試驗。試驗結果表明，本研究設計的焊接工藝所焊試件的各項性能指標均滿足API SPEC 5L PSL2標準及相關技術條件的要求，獲得了良好的焊接接頭。

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Investigation on the Technological Properties of X70M Thick Wall SAWH Pipe T-shape Weld

JIANG Yongfeng,WANG Wei,FENG Zongze,LU Jiangang,REN Chao
（Jiangsu Yulong Steel Pipe Co.,Ltd.,Wuxi 214183,Jiangsu,China）

If the welded joint strength of X70M thick wall SAWH pipe is too high,it is easy to generate backward deformation and lamellar tearing when pass through the forming machine,embrittlement phenomenon easily happen caused by too high HAZ temperature.In order to ensure the performance index of X70M thick wall SAWH pipe T-shape weld welded joints,using H08D welding wire matching with SJ101G flux to carry out process test,during the welding process strictly controlled interpass temperature,reduced the welding heat input and the form of heat treatment after welding,the reasonable welding process was obtained through experiments.The test result showed that all performance indexes of specimen by adopting the above process reach the standard API SPEC 5L PSL2 and customer technical conditions,it successfully produced tens of thousands of oil pipeline in Nigeria by adopting this technology,and the effect is good.

SAWH pipe;T-shape weld;welding process;forming process;X70M low alloy steel

TG445

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.07.006

蔣永峰（1968—），大專學歷，國際焊接工程師，主要從事螺旋埋弧焊焊接鋼管成型焊接工藝技術研究及管理工作。

2016-04-11

謝淑霞