厚壁高Nb螺旋埋弧焊管現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊焊接性評(píng)價(jià)*

李為衛(wèi)，闕永彬，吳建成 編譯

（1.石油管工程技術(shù)研究院石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077；2.中國(guó)石油西部管道分公司，烏魯木齊830013）

厚壁高Nb螺旋埋弧焊管現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊焊接性評(píng)價(jià)*

李為衛(wèi)1，闕永彬2，吳建成2編譯

（1.石油管工程技術(shù)研究院石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710077；2.中國(guó)石油西部管道分公司，烏魯木齊830013）

為了提升厚壁管線鋼板卷的強(qiáng)度和韌性，將高Nb化學(xué)成分和熱機(jī)械控制工藝有機(jī)結(jié)合。然而高Nb成分對(duì)管線鋼現(xiàn)場(chǎng)焊接性存在一定影響，因此一些管線鋼用戶會(huì)限制Nb的含量。對(duì)工業(yè)化生產(chǎn)的高Nb厚壁（23.7 mm）螺旋埋弧焊管的現(xiàn)場(chǎng)焊接性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，開(kāi)發(fā)了窄坡口機(jī)械化熔化極氣體保護(hù)電弧焊（GMAW）焊接工藝，環(huán)焊縫的特征證明了這一材料對(duì)陸上管道敷設(shè)典型現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝具有適應(yīng)性。本研究介紹并討論此研究的細(xì)節(jié)和結(jié)果。

高鈮管線鋼；螺旋埋弧焊管；現(xiàn)場(chǎng)焊接性

Abstract:In order to enhance the strength and toughness of large wall-thickness pipeline steel rolled coil,the chemical composition of high Nb and thermal mechanical control process were intergated,however the high Nb composition has a certain influence on pipeline steel field weldiability,so some pipeline steel users will limit the content of Nb.In this study,field weldability of industrially produced helical pipes made from 23.7 mm thick,high Nb containing linepipe steel was evaluated. Welding procedure development was realized for narrow-groove mechanized gas metal arc welding(GMAW).Characterization of the girth welds produced revealed the suitability of the material for typical field welding procedures for onshore pipe laying. The details and the results of the investigations were presented and discussed in the paper.

Key words:High Nb pipeline steel;SAWH pipe;field weldability

1 研究背景介紹

熱機(jī)械軋制工藝（thermo-mechanical controlled processing，簡(jiǎn)稱TMCP）可以得到普通軋制所不能得到的一些寶貴的金屬特性，如細(xì)化的晶粒組織，良好的塑性和較高的機(jī)械強(qiáng)度等。微合金元素Nb能夠有效抑制再結(jié)晶，其初始溶解成分和再結(jié)晶終止溫度的關(guān)系如圖1所示[1-3]。在非再結(jié)晶區(qū)域熱軋以后，加工硬化的奧氏體為鐵素體和貝氏體提供大量形核，從而使鋼的最終顯微組織非常細(xì)小，有利于強(qiáng)韌性的平衡。因此，將熱機(jī)械軋制工藝應(yīng)用于高Nb管線鋼將有利于生產(chǎn)具有良好力學(xué)性能和焊接性的微合金鋼。

圖1 初始溶解成分對(duì)再結(jié)晶溫度的影響

標(biāo)準(zhǔn) API SPEC 5L/ISO 3183—2012中對(duì)PSL-2級(jí)焊管允許添加的微合金元素上限規(guī)定為w（Nb+V+Ti）≤0.15%[4-5]，因此，只要V和Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平衡，w（Nb）可以達(dá)到0.1%甚至更高。但是ISO 3183—2012附錄M中對(duì)于歐洲陸上天然氣管道用鋼管，規(guī)定了V、Nb、Ti單個(gè)元素的含量。例如，對(duì)于X70ME/L485ME鋼管，限制w（Nb）不超過(guò)0.07%，只有在壁厚超過(guò)16 mm時(shí)可以協(xié)商，可將w（Nb）放寬到與正文相同的水平，即：w（Nb+V+Ti）≤0.15%。ISO/TC67/SC2管道輸送系統(tǒng)分技術(shù)委員會(huì)正在討論對(duì)ISO 3183附錄M的Nb和Ti的上限進(jìn)行修改，當(dāng)w（C）≤0.12時(shí)，w（Nb）最大為0.08%。

ISO 3183附錄M中對(duì)Nb的限制，與之前的EN 10208-2標(biāo)準(zhǔn)一致。與北美和中國(guó)不同，歐洲更重視高Nb鋼的焊接性以及HAZ的韌性。其原因有兩點(diǎn)：①隨著溶解的Nb量的增加，延遲了奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變，提高了鋼的硬化能力[6]；②Nb與C、N的密切關(guān)系導(dǎo)致形成碳氮化合物，因而提高了鋼的硬度[7]。溶解的Nb量以及Nb的碳氮化合物在焊接過(guò)程是否溶解或者粗化會(huì)對(duì)HAZ韌性產(chǎn)生較大影響。焊接過(guò)程的熱輸入以及冷卻速率會(huì)使碳氮化合物在焊接加熱過(guò)程中分解，在冷卻過(guò)程中重新析出，同時(shí)Nb也可以保留固溶態(tài)。如果焊接熱輸入非常高，碳氮化合物由于非常慢的冷速而重新析出，將會(huì)提高奧氏體向鐵素體或者貝氏體轉(zhuǎn)變的溫度，最終導(dǎo)致HAZ顯微組織的粗化而降低其韌性[8]，而且大量粗大的析出相也會(huì)導(dǎo)致韌性的降低。相反，較低的熱輸入將允許Nb保留在固溶態(tài)，因而對(duì)韌性的損害沒(méi)有高熱輸入時(shí)大[7]。一些研究顯示[9-13]，焊接熱輸入以及鋼中的碳含量是影響HAZ韌性的重要因素。特別是對(duì)高Nb鋼中的碳含量進(jìn)行限制，將有助于保持HAZ的高韌性。

將 w（Nb）增加到 0.7%以上，主要是考慮經(jīng)濟(jì)因素，而且高Nb成分允許在較高溫度下使用 TMCP工藝。例如 Arcelormittal公司由于經(jīng)濟(jì)原因，采用成分，可以提供厚度達(dá)到25 mm的管線鋼板卷。因此Arcelormittal公司開(kāi)始進(jìn)行了高Nb、低C鋼的焊接性評(píng)價(jià)研究，希望藉此收集可靠的有關(guān)Nb含量對(duì)焊接性影響的技術(shù)數(shù)據(jù)。先前的研究已進(jìn)行了低 C、高Nb X80M管線鋼埋弧焊（SAW）焊接性評(píng)價(jià)，焊縫和 HAZ均獲得合格的韌性。2014年該公司又開(kāi)展了工業(yè)化生產(chǎn)厚度23.7 mm X70M管線管現(xiàn)場(chǎng)焊接性評(píng)價(jià)，本研究對(duì)此焊接性評(píng)價(jià)進(jìn)行介紹。

2 現(xiàn)場(chǎng)焊接性評(píng)價(jià)

2.1 試驗(yàn)材料

本研究采用X70M鋼級(jí)Φ1 219 mm×23.7 mm螺旋埋弧焊管。板卷由德國(guó)Bremen Arcelormittal公司依據(jù)API SPEC 5L/ISO 3183生產(chǎn)，化學(xué)成分見(jiàn)表1。由于其具有高Nb、低C以及低碳當(dāng)量，從而保證了良好的焊接性。鋼的顯微組織由貝氏體鐵素體（BF）和準(zhǔn)多邊鐵素體（QPF）組成，伴隨有細(xì)小分布的滲碳體，如圖2所示。螺旋焊管由希臘的Corinth管廠制造。板卷和鋼管具有極好的力學(xué)性能，其橫向拉伸性能見(jiàn)表2。通過(guò)表 2可以看出，鋼管的拉伸性能遠(yuǎn)高于 API SPEC 5L/ISO 3183的最低值。

表1 X70M鋼管（厚23.7 mm）的化學(xué)成分%

板卷橫向夏比V形缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出該板卷具有極好的韌性，在試驗(yàn)溫度低至-80℃仍具有高的夏比吸收功（300 J），韌脆轉(zhuǎn)變溫度約為-120℃。-45℃時(shí)，螺旋埋弧焊管焊接熱影響區(qū)夏比吸收功均在200 J以上（如圖4所示）。對(duì)螺旋埋弧焊管管體進(jìn)行了DWT試驗(yàn)，如圖5所示，從圖5可以看出，該焊管的最低運(yùn)行溫度為-30℃。

圖2 X70M板卷（厚23.7 mm）1/4厚度部位的顯微組織

表2 板卷和鋼管的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

圖3 板卷及螺旋焊管管體夏比V形沖擊韌性

圖4 螺旋焊管HAZ夏比V形沖擊韌性

圖5 鋼管管體DWTT韌性

2.2 試驗(yàn)方法及過(guò)程

制管完成后，采用荷蘭CRC-Evans自動(dòng)焊機(jī)對(duì)坡口進(jìn)行熔化極氣保焊（GMAW），并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)焊焊接性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。環(huán)焊接頭坡口加工如圖6所示，采用雙焊炬GMAW裝置進(jìn)行5G位置的下向焊。采用一個(gè)內(nèi)部GMAW機(jī)頭進(jìn)行了內(nèi)部根焊。焊接過(guò)程采用預(yù)熱100℃和不預(yù)熱兩種方法，層間溫度分別保持在低于150℃和75℃。焊接參數(shù)見(jiàn)表3。

圖6 環(huán)焊接頭坡口設(shè)計(jì)

焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)后，對(duì)環(huán)焊接頭進(jìn)行宏觀斷面檢查，對(duì)其硬度、導(dǎo)向彎曲、橫向接頭和全焊縫金屬拉伸、CVN和CTOD試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。取樣、試驗(yàn)以及性能評(píng)價(jià)依據(jù)ISO 13847標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

環(huán)焊接頭不同位置（3點(diǎn)和6點(diǎn)）焊縫截面檢查結(jié)果表明，焊縫具有合格的幾何形狀和內(nèi)部質(zhì)量。圖7為焊縫宏觀形貌的示例（預(yù)熱100℃）。

環(huán)焊接頭的硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，焊縫沒(méi)有明顯的硬化現(xiàn)象，焊縫和熱影響區(qū)最高測(cè)試值低于ISO 13847標(biāo)準(zhǔn)最大允許值（焊縫最大275HV，HAZ最大350HV）。另外，焊縫中的硬度沒(méi)有明顯差異。這是由于采用合適的預(yù)熱以及隨后輕微的降低冷卻速率。理論計(jì)算證實(shí)預(yù)熱100℃僅少量增加從800℃降到500℃的冷卻時(shí)間（不預(yù)熱時(shí)t8/5為3.3～5.7 s，預(yù)熱100℃時(shí)t8/5為4.1～7.2 s）。

在2點(diǎn)和5點(diǎn)位置取樣進(jìn)行焊接接頭導(dǎo)向側(cè)彎試驗(yàn)，彎曲角度為180°，沒(méi)有出現(xiàn)開(kāi)裂、缺欠或裂紋，試驗(yàn)結(jié)果合格。

表3 環(huán)焊GMAW焊接條件（不預(yù)熱和預(yù)熱100℃相同）

圖7 環(huán)焊縫宏觀形貌

表4 環(huán)焊接頭硬度測(cè)試結(jié)果

在環(huán)焊接頭上取橫向試樣，加工掉焊縫余高進(jìn)行接頭拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明預(yù)熱和不預(yù)熱兩種情況下焊縫強(qiáng)度為高匹配，斷口總是位于母材，焊縫抗拉強(qiáng)度滿足最小570 MPa的標(biāo)準(zhǔn)要求，見(jiàn)表5。另外，還進(jìn)行了全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6，進(jìn)一步證明了焊縫強(qiáng)度為高匹配。

表5 環(huán)焊接頭橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從環(huán)焊接頭的近表面和根部取全尺寸夏比沖擊試樣，V形缺口分別位于焊縫中心和 HAZ（包含1/3焊縫金屬和2/3母材），在-20℃下進(jìn)行沖擊韌性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，焊縫和HAZ的沖擊吸收功滿足遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的最低要求（平均 40 J，單個(gè) 30 J）?？偟膩?lái)說(shuō)，焊縫的沖擊吸收功較HAZ低，這與選用的填充焊絲有關(guān)（AWS A5.18 ER70S焊絲），可以進(jìn)一步優(yōu)化。這一試驗(yàn)結(jié)果表明，盡管是高Nb鋼，HAZ還是具有很高的韌性。預(yù)熱（限制溫度）對(duì)HAZ的韌性沒(méi)有明顯影響。

表6 環(huán)焊接頭全焊縫金屬拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖8 夏比V形沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果（-20℃）

使用B×B單邊缺口彎曲（SENB）試樣，并在-10℃下對(duì)環(huán)焊縫的動(dòng)態(tài)斷裂韌性CTOD進(jìn)行了評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。從表7可以看出所有測(cè)試值均高于0.25 mm。預(yù)熱（100℃）對(duì)環(huán)焊縫的CTOD值沒(méi)有明顯的影響。相對(duì)于缺口位于熔合線（部分代表HAZ），缺口位于焊縫中心的值相對(duì)較低，再次說(shuō)明與使用的填充焊絲有關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫和熔合線（HAZ）具有極好的動(dòng)態(tài)斷裂韌性。

表7 環(huán)焊接頭CTOD試驗(yàn)結(jié)果（-10℃）

3 結(jié)論

對(duì)Arcelormittla公司23.7mm高Nb低CX70M板卷制造的螺旋埋弧焊管的現(xiàn)場(chǎng)焊接性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。環(huán)焊試驗(yàn)采用陸地管道敷設(shè)普遍使用的窄坡口機(jī)械GMAW方法。環(huán)焊縫的性能沒(méi)有觀察到明顯的硬化現(xiàn)象，焊縫和HAZ均表現(xiàn)出極好的斷裂韌性。

研究表明，這一材料適合用于陸上油氣管道，支持低C高Nb成分設(shè)計(jì)理念。因此，ISO 3183附錄M對(duì)Nb的限制不僅對(duì)于厚壁管放寬，建議放寬所有厚度對(duì)Nb范圍的限制與正文一致，即w（Nb+V+Ti）≤0.15%，同時(shí)調(diào)整碳含量到更低的水平。

譯自：?zlem E.Güng?r,Martin Liebeherr,Hervé Luccioni.Girth Weldability Evaluation of SAWH Pipes Produced form 23.7 mm Thick,Hith-Nb Contaiing X70 Linepipe Steel[C]//Proceedings of the 2014 10th International Pipeline Conference.Calgary, Alberta,Canada:[s.n.],2014.

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編輯：張 歌

2017年（第十八屆）中國(guó)焊管（冷彎）行業(yè)年會(huì)通知

各焊管（冷彎）、裝備、配件廠家：

2017年（第十八屆）中國(guó)焊管（冷彎）行業(yè)年會(huì)將于2017年5月25—29日在浙江省溫州市召開(kāi)。年會(huì)將為到會(huì)的業(yè)界廠家提供一個(gè)信息溝通、業(yè)務(wù)洽談、交友聚會(huì)、共謀發(fā)展的重要平臺(tái)。年會(huì)得到了中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)、冷彎型鋼協(xié)會(huì)的高度重視和支持。兩協(xié)會(huì)主要領(lǐng)導(dǎo)專程到會(huì)指導(dǎo)并做主旨報(bào)告。

●會(huì)議內(nèi)容：

（1）十三五中國(guó)鋼鐵行業(yè)去產(chǎn)能調(diào)整面臨的形勢(shì)、任務(wù)及對(duì)策

——報(bào)告人：中國(guó)鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)遲京東

（2）中國(guó)冷彎型鋼產(chǎn)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展及強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求

——報(bào)告人：中國(guó)冷彎型鋼分會(huì)理事長(zhǎng)韓靜濤

（3）濟(jì)南金品軋輥模具有限公司關(guān)于提高軋輥耐磨使用技術(shù)的情況匯報(bào)。

（4）焊管廠家交流提高焊速、提高成材率、降低成本的成功經(jīng)驗(yàn)與做法。

（5）會(huì)議期間將組織考察活動(dòng)。

●會(huì)議時(shí)間：2017年5月25日—29日，5月25日全天報(bào)到，溫州機(jī)場(chǎng)、溫州南站全天接站，永嘉火車站下車代表自行到酒店報(bào)到。

●會(huì)議地點(diǎn)：溫州市鉑爾曼酒店（五星級(jí)）。

●會(huì)議費(fèi)用：每位代表須交住宿等會(huì)務(wù)費(fèi)1 100元，考察事宜詳詢會(huì)務(wù)組；溫州當(dāng)?shù)貎H開(kāi)會(huì)的代表不收任何費(fèi)用。

此次年會(huì)由濟(jì)南金品軋輥模具有限公司承辦，咨詢電話：13805408006、15953162600。

中國(guó)焊管（冷彎）行業(yè)年會(huì)秘書(shū)處

Girth Weldability Evaluation of SAWH Pipes Produced from High-Nb Containing Linepie Steel

Edited and Translated by LI Weiwei1,QUE Yongbin2,WU Jiancheng2
（1.State Key Laboratory of Service Behavior and Structural Safety of Tubular Goods and Equipment,CNPC Tubular Goods Research Institute,Xi’an 710077,China;2.CNPC Western Pipeline Branch,Urumchi 830013,China）

TE973.3

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.03.015

2017-01-06

國(guó)家質(zhì)檢公益性行業(yè)科研項(xiàng)目“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制”（項(xiàng)目號(hào)201510205-03）；中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目“X80管道本質(zhì)安全運(yùn)行技術(shù)研究”（項(xiàng)目號(hào)2016B-3106）。

李為衛(wèi)（1965—），男，碩士，高工，畢業(yè)于西安交通大學(xué)焊接專業(yè)，目前主要從事油氣輸送管材料及焊接研究工作。