高壓泥漿管焊接及制作工藝

王群　文俊峰　張龍

摘 要：近針對(duì)低合金鋼管ASTM A519 4130的對(duì)接焊，采用GTAW打底、SMAW填充蓋面，通過(guò)工藝試驗(yàn)，選擇合適的焊接材料、焊接工藝參數(shù)及焊后熱處理工藝。對(duì)焊接接頭進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果均合格。焊接工藝評(píng)定采用ASME規(guī)范，同時(shí)要滿足NACE（美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)）規(guī)范對(duì)硫化物氫致裂紋（SSC）及材料硬度的要求。本文還研究了高壓泥漿管焊接制作過(guò)程的精度控制及保護(hù)要求。

關(guān)鍵詞：A519 4130；焊后熱處理；高壓泥漿管

中圖分類號(hào)：U671.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research for Welding and Fabrication Process of High

Pressure Mud Piping

WANG Qun， WEN Junfeng， ZHANG Long

（ COSCO（Guangdong） Shipyard Co.， Ltd. Dongguan 523146 ）

Abstract： For welding of low-alloy steel pipe ASTM A519 4130， GTAW shall be used for root pass， SMAW shall be used for filling and capping pass. Through process test， select the appropriate welding consumables， welding process parameters and the process of post-weld heat treatment. Welded joints were related by mechanical test， the results were satisfactory. Welding procedure qualification are qualified according to ASME（American society of Mechanical Engineer） Boiler and pressure vessel Code， while meeting NACE （American Association of Corrosion Engineers） specifications for sulfur to hydrogen induced cracking （SSC） and material hardness requirements. This article also studied the precision control and protection requirements of the high-pressure mud piping.

Key words： A519 4130； Post-weld heat treatment； high pressure mud piping

1 前言

高壓泥漿管是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中的重要組成部分。由于高壓泥漿本身具有很強(qiáng)的腐蝕性且工作壓力超高，所以對(duì)于高壓泥漿管的材質(zhì)及其焊接質(zhì)量提出了很高的要求，國(guó)際上知名的一些行業(yè)規(guī)范都對(duì)其制作及檢驗(yàn)提出了非?？量痰囊?。高壓泥漿管的材質(zhì)是ASTM A519 4130，屬于低合金鋼，抗拉強(qiáng)度達(dá)到650 Mpa以上，焊接難度較大。焊接工藝評(píng)定采用ASME規(guī)范，同時(shí)要滿足NACE（美國(guó)防腐工程師協(xié)會(huì)）規(guī)范對(duì)硫化物氫致裂紋（SSC）及材料硬度的要求，這就要求進(jìn)行合適的熱處理，以降低消除焊接殘余應(yīng)力和降低母材硬度。

我公司首次承建鉆井系統(tǒng)海工產(chǎn)品，也是第一次焊接制作高壓泥漿管，有必要對(duì)這種新產(chǎn)品、新工藝進(jìn)行研究，確定合適的焊接工藝參數(shù)及焊后熱處理參數(shù)，確保最終焊縫區(qū)域硬度不超過(guò)22HRC。高壓泥漿管及管附件均為進(jìn)口材料，成本高，而且高壓泥漿管的焊接只有一次返修的機(jī)會(huì)，所以需要特別關(guān)注制作過(guò)程控制及保護(hù)要求。

2 研究方案

通過(guò)對(duì)高壓泥漿管母材及相關(guān)規(guī)范的研究，制定PWPS（預(yù)焊接工藝），通過(guò)焊接工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果滿足相關(guān)規(guī)范的要求，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果制定焊接工藝指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。研究的難點(diǎn)是制定和控制熱處理工藝，保證焊縫、熱影響區(qū)的硬度不超過(guò)22HRC。

3 焊接工藝試驗(yàn)

3.1 焊接方法及焊材

焊材的選擇要滿足母材的機(jī)械性能要求，也要滿足NACE MR0175要求焊材的Ni含量不超過(guò)1%的規(guī)定，同時(shí)焊接材料強(qiáng)度越高，焊縫硬度也會(huì)越大。本次焊接工藝試驗(yàn)采用GTAW打底、SMAW進(jìn)行填充蓋面焊。氬弧焊絲采用OK Tigrod 55（等級(jí)ER100S-G，規(guī)格φ2.4 ），手工焊條采用HOBALLOY10018D2（等級(jí)E10018-D2，規(guī)格φ3.2）；母材規(guī)格為D141.3×19.5 mm，母材和焊材的化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

3.2 焊接準(zhǔn)備及坡口形式

試驗(yàn)采用6G位置（試管軸線位置與水平面成45°角）。先用橋接鍵連接試管進(jìn)行點(diǎn)固焊（見(jiàn)圖1），再把試管固定在6G位置；采用機(jī)械加工坡口，坡口形式及尺寸見(jiàn)圖2。

3.3 焊接要求及工藝參數(shù)

按國(guó)際焊接協(xié)會(huì)（ⅡW）和AWS推薦的碳當(dāng)量（CE）計(jì)算方法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，母材碳當(dāng)量為0.52%～0.77%，可見(jiàn)A519 4130的焊接性較差。焊前需預(yù)熱，最低預(yù)熱溫度為160 ℃，層間溫度控制在160 ℃～250 ℃。預(yù)熱溫度的控制測(cè)試點(diǎn)為距離坡口側(cè)75 mm處，層間溫度的測(cè)試點(diǎn)為焊縫邊緣處。

制定合適的焊接熱輸入、預(yù)熱及層間溫度、焊后熱處理方式，可有效改善熱影響區(qū)和焊縫的微觀組織，促使氫的逸出以及減少焊縫的拘束應(yīng)力。焊接熱輸入取得過(guò)大，會(huì)使熱影響區(qū)奧氏體晶粒粗化，接頭韌性下降，降低其抗裂性能；熱輸入取得過(guò)小，則冷卻速度大，易發(fā)生淬硬而增大其冷裂傾向。合理的做法是在充分保證焊接接頭韌性的前提下，適當(dāng)加大焊接熱輸入，這樣可以增大冷卻時(shí)間（t8/5或t100），減少熱影響區(qū)的淬硬傾向，有利于氫的擴(kuò)散逸出。

焊前對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行打磨清理，保證焊接部位無(wú)油污、鐵銹、氧化層及其他污物，焊接過(guò)程中磨掉橋接鍵；采用多層多道焊，每道焊道的厚度不超過(guò)5 mm，寬度不超過(guò)10 mm，氬弧焊打底的焊層總厚度為5～8 mm。主要焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 焊接工藝參數(shù)

3.4 焊后熱處理工藝

焊后熱處理的作用在于消除應(yīng)力和細(xì)化晶粒，但是熱處理溫度過(guò)高會(huì)降低焊縫的韌性和強(qiáng)度。按照NACE MR0175規(guī)范中焊縫及熱影響區(qū)硬度不超過(guò)22HRC、熱處理溫度不低于595 ℃的要求，結(jié)合母材的回火溫度，以及ASME Ⅷ對(duì)不同強(qiáng)度低合金鋼熱處理溫度和保溫時(shí)間（1 h/25 mm）的要求，制定本工藝熱處理溫度為650 ℃。

焊后熱處理采用電加熱帶加熱方式，熱處理工藝曲線如圖3所示：室溫～300 ℃為自由升溫，升溫時(shí)間不限；300 ℃～650 ℃時(shí)升溫速度≤222 ℃/h；650 ℃時(shí)保溫時(shí)間2.5 h；650 ℃～300 ℃的降溫速度≤280 ℃/h；300 ℃以下斷電自然冷卻至環(huán)境溫度。

3.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)ASME Ⅸ以及NACE MR 0175規(guī)范，對(duì)焊接接頭進(jìn)行了拉伸、彎曲、沖擊及硬度測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范以及技術(shù)協(xié)議要求。硬度試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖4，硬度符合NACE MR 0175規(guī)范要求。沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

（V型沖擊：尺寸10×10×55 mm，溫度-40℃）

4 制作過(guò)程控制

4.1 切割下料

高壓泥漿管管材下料不允許使用火焰切割（會(huì)影響管材硬度），全部使用鋸床切割或刨床加工。高壓管的制作工藝要求比常規(guī)管系要嚴(yán)格，裝配精度要求高，所以要制作專門的橋接鍵（見(jiàn)圖5），橋接鍵的制作材料要和泥漿管的母材材質(zhì)相一致，橋接鍵的形狀尺寸也要滿足焊接的坡口間隙要求。

4.2 焊接過(guò)程控制

高壓泥漿管的焊接嚴(yán)格按照工藝要求進(jìn)行預(yù)熱和控制層間溫度，焊后按工藝要求進(jìn)行焊后熱處理。焊工須記錄每一道焊縫的焊接參數(shù)，以滿足海工產(chǎn)品特殊材料焊接的可追溯性要求。

4.3 高壓泥漿管的保護(hù)

高壓泥漿管在裝配點(diǎn)固完成后，在正式焊接前要對(duì)焊口進(jìn)行帆布包裹保護(hù)，以防止焊接部位與油污、水分等接觸而導(dǎo)致生銹。高壓泥漿管在船上裝配過(guò)程中要做好管口的封堵，可以用塑料堵頭或帆布進(jìn)行封堵，以防螺絲、鐵條等堅(jiān)硬物體誤入管內(nèi)，或在高壓泥漿管試壓過(guò)程中出現(xiàn)危險(xiǎn)或拆卸排除異物時(shí)帶來(lái)不便。

5 結(jié)束語(yǔ)

合適的焊后熱處理工藝是確保焊縫及熱影響區(qū)的硬度不超過(guò)22HRC、同時(shí)保證焊縫強(qiáng)度要求的關(guān)鍵。本文的工藝試驗(yàn)參數(shù)，對(duì)于海工同類產(chǎn)品的焊接具有借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

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