中俄東線用大壁厚螺旋埋弧焊管預(yù)精焊工藝研究

周 巖

（中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

中俄東線用大壁厚螺旋埋弧焊管預(yù)精焊工藝研究

周 巖

（中油寶世順（秦皇島）鋼管有限公司，河北 秦皇島 066206）

為了保證中俄東線天然氣管道的正常生產(chǎn)，采用預(yù)精焊工藝試制了X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm大壁厚螺旋埋弧焊管，并對(duì)其焊縫力學(xué)性能、沖擊韌性、顯微硬度、化學(xué)成分和微觀組織特征進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，預(yù)焊焊縫微觀組織為板條馬氏體，精焊內(nèi)、外焊縫微觀組織為針狀鐵素體+少量珠光體，焊縫邊緣整齊美觀，脫渣良好，能夠消除內(nèi)焊 “馬鞍形”焊縫。試驗(yàn)結(jié)果表明，試制的螺旋埋弧焊管各項(xiàng)性能指標(biāo)完全滿足中俄東線大壁厚天然氣管道的生產(chǎn)技術(shù)條件，為X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm大壁厚螺旋埋弧焊管的生產(chǎn)提供參考。

X80；螺旋埋弧焊管；預(yù)精焊；焊縫

中俄東線天然氣管道是目前我國(guó)直徑最大（1 422 mm）、壓力最高（12 MPa）和鋼級(jí)最高（X80）的長(zhǎng)距離天然氣輸送管道[1]。中俄東線天然氣管道的建設(shè)將推動(dòng)國(guó)內(nèi)鋼鐵冶煉、制管、裝備制造等基礎(chǔ)工業(yè)的積極發(fā)展，對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)天然氣進(jìn)口多元化、保障能源供應(yīng)安全、穩(wěn)定市場(chǎng)、拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)有著重大意義[2]。

本研究對(duì)中俄東線用X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋埋弧焊管預(yù)精焊工藝進(jìn)行了研究，為批量化和工程化生產(chǎn)提供理論參考。

云南特殊的地理構(gòu)造，人們相互來(lái)往不便，許多地區(qū)的少數(shù)民族傳統(tǒng)體育活動(dòng)仍然處于自然自發(fā)的階段，沒(méi)有形成有組織、有計(jì)劃、科學(xué)化、規(guī)范化的體系，不利于少數(shù)民族傳統(tǒng)體育的傳承發(fā)展，也不利于少數(shù)民族傳統(tǒng)體育旅游資源的開發(fā)和利用。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為太鋼生產(chǎn)的X80鋼級(jí)、壁厚21.4 mm鋼卷，原料化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用卷板的化學(xué)成分

碳當(dāng)量決定了材料的強(qiáng)度和可焊性，X80管線鋼的碳當(dāng)量處于較高水平，目前TMCP工藝允許的范圍為0.40～0.52[3]。試驗(yàn)用卷板的拉伸性能和沖擊韌性見表2和表3。

在保護(hù)生態(tài)環(huán)境上升為一種全民性認(rèn)知之后，關(guān)于生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的內(nèi)涵理解與特點(diǎn)認(rèn)知也在逐漸的科學(xué)與全面化。生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)作為基于生態(tài)倫理學(xué)理論與循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的“有機(jī)整合”，其超越了單一的循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念，在該經(jīng)濟(jì)內(nèi)涵中，其突出強(qiáng)調(diào)了“生態(tài)”的價(jià)值和影響力。在這一經(jīng)濟(jì)模式中，無(wú)論是發(fā)展理念，還是相應(yīng)的經(jīng)營(yíng)策略、計(jì)劃等，這些都將保護(hù)生態(tài)環(huán)境和整體效益最大化放在首要位置。所以，從整體來(lái)看，生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟(jì)是在資源環(huán)境成為制約社會(huì)發(fā)展的障礙之后，所形成的更成熟、更科學(xué)的理念。

表2 試驗(yàn)用卷板的拉伸性能

表3 試驗(yàn)用卷板的斷裂韌性

表7為試樣焊縫和HAZ在-10℃下沖擊試驗(yàn)結(jié)果，沖擊功曲線如圖2所示。從表7和圖2可以發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下（-10℃），不同鋼管焊縫和HAZ的沖擊功單值和平均值均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)注要求的60 J。

焊材采用寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司自主開發(fā)的X80管線鋼專用高強(qiáng)韌性焊絲和氟堿型焊劑，焊接材料匹配見表4。焊絲化學(xué)成分設(shè)計(jì)上采用了 “多元合金化+微合金化”方法，通過(guò)添加Nb、V、Ti等微合金元素，降低焊縫熔敷金屬合金成分與母材的差異，保證焊縫具有強(qiáng)韌性和優(yōu)良的綜合性能[4]；開發(fā)的高堿度焊劑能有效調(diào)整熔渣熔點(diǎn)、釋緩成形縫表面張力及熔敷金屬高溫粘度，具有良好的流動(dòng)性和抗氣孔性能[5]。

表4 焊接材料匹配表

1.2 試驗(yàn)方法

圖6為精焊后內(nèi)、外焊縫及橫截面宏觀照片，圖7為焊縫顯微組織形貌。從圖7可以看出，焊縫組織主要為針狀鐵素體和少量的珠光體，晶粒均勻，保證了焊縫的力學(xué)性能。

圖1 焊接坡口設(shè)計(jì)及加工尺寸

表5 預(yù)精焊焊接工藝參數(shù)

圖5為預(yù)焊焊縫截面的宏觀和微觀組織照片。從圖5（a）可以看出，預(yù)焊焊縫成形良好，焊縫斷面呈鐘罩形，熔深2 mm，焊縫金屬填充量合適，能夠保證預(yù)焊焊縫的成形，同時(shí)不會(huì)影響到后續(xù)精焊的質(zhì)量[8-10]。由圖5（b）可知，焊縫微觀組織主要是板條馬氏體，這種組織的形成與焊接速度和焊縫金屬冷卻速度較快有關(guān)。由于板條馬氏體不僅具有較高的硬度和強(qiáng)度，同時(shí)板條馬氏體中不均勻分布的位錯(cuò)，在低密度區(qū)仍有活動(dòng)的余地，而且其碳濃度低，存在“自回火”效應(yīng)，因而也具有較好的沖擊韌性。

鋼管焊縫顯微硬度測(cè)試位置如圖3所示，試驗(yàn)結(jié)果見表8，硬度變化曲線如圖4所示。由圖4可看出，試制的3根鋼管焊縫顯微硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（≤280HV10）。另外，內(nèi)焊縫測(cè)試點(diǎn)10、11、12的顯微硬度整體高于同位置外焊縫顯微硬度，這可能與焊接熱循環(huán)作用有關(guān)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 焊縫拉伸和彎曲試驗(yàn)

本研究精焊采用內(nèi)三絲、外二絲，內(nèi)、外焊相差1.5個(gè)螺距，內(nèi)焊采用上坡焊的焊接位置，通過(guò)調(diào)整焊槍角度和焊點(diǎn)位置，使熔池凝固在相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域，消除了內(nèi)焊“馬鞍形”。精焊焊縫焊接過(guò)程由原來(lái)的內(nèi)外焊點(diǎn)相距0.5個(gè)螺距改為相距1.5個(gè)螺距焊接，焊點(diǎn)溫度降低了約200～250℃，降低了內(nèi)焊余熱對(duì)外焊縫組織的影響，保證了焊縫的韌性。

表6 焊縫拉伸性能及導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.2 焊縫及HAZ沖擊試驗(yàn)

從表2和表3可以看出，鋼卷尾部相比頭部屈服強(qiáng)度平均高出30～50 MPa，沖擊功平均高出10～30 J，原料頭部與尾部力學(xué)性能相近，達(dá)到X80管線鋼較高的控制水平。

表7 -10℃試樣焊縫及HAZ夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖2 焊縫和HAZ沖擊功曲線

2.3 焊縫顯微硬度試驗(yàn)

報(bào)紙上寫，這位美麗女子只有二十三歲，在一家外企供職，有自己的私家車，那天剛剛被人偷走了手袋，丟了鑰匙沒(méi)辦法開車，這才坐了巴士。

圖3 鋼管焊縫顯微硬度測(cè)試位置示意圖

表8 焊縫顯微硬度測(cè)試結(jié)果

圖4 焊縫顯微硬度變化曲線

2.4 焊縫微觀組織特征

2.4.1 預(yù)焊焊縫

依據(jù)《天然氣輸送管道用X80鋼Φ1 422 mm×21.4 mm螺旋縫埋弧焊管技術(shù)條件》要求，對(duì)試樣焊縫進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)、金相試驗(yàn)、化學(xué)成分分析和顯微硬度試驗(yàn)[7]。室溫下在Z1200KN型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行焊接接頭的拉伸試驗(yàn)，加載速率2 mm/min，沖擊試驗(yàn)在NAI500F擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。低溫控溫介質(zhì)采用無(wú)水乙醇和液氮混合物，試樣在規(guī)定溫度溶液中保溫時(shí)間≥5 min，以保證試樣表面與內(nèi)部溫度一致，并用低溫?zé)犭娕紲y(cè)量溫度。根據(jù)GB/T 2653—89《焊接接頭彎曲及壓扁試驗(yàn)方法》對(duì)焊縫處全壁厚試樣進(jìn)行整體性正、反彎曲性能測(cè)試，彎心直徑195 mm。焊縫金相試樣用砂紙研磨、拋光后，經(jīng)3%硝酸酒精、過(guò)飽和苦味酸+活性劑水溶液腐蝕后利用LeicaMEF－4M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行微觀組織觀察，用Durascan－70型維氏硬度計(jì)測(cè)試焊縫橫截面縱向垂線上的顯微硬度分布。

圖5 預(yù)焊焊縫截面宏觀和微觀照片

2.4.2 精焊焊縫

預(yù)焊采用高速M(fèi)AG焊，保護(hù)氣體為Ar+CO2混合氣體。精焊內(nèi)（三絲）和精焊外（兩絲）兩者相差1.5倍螺距，電源采用林肯Power Wave AC/DC1000數(shù)字電源。焊接坡口設(shè)計(jì)及加工尺寸如圖1所示[6]，焊接工藝參數(shù)見表5。

圖6 內(nèi)、外焊縫及橫截面宏觀照片

圖7 焊縫顯微組織形貌

焊縫拉伸和彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表6。從表6可看出，焊縫抗拉強(qiáng)度高于母材，焊縫全壁厚彎曲試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，彎曲拉伸面均未出現(xiàn)裂紋。

《信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備》是一門比較復(fù)雜的專業(yè)課，教學(xué)難度4顆星，傳統(tǒng)教學(xué)重理論、輕實(shí)踐，教學(xué)過(guò)程枯燥單一，教學(xué)效果不理想?；谝陨戏治?，確定教學(xué)設(shè)計(jì)的六大原則：基于學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、結(jié)合崗位工作職責(zé)、趣味化教學(xué)過(guò)程、多樣化考核方式、充分利用信息化資源、突出學(xué)生為主。結(jié)合六大設(shè)計(jì)原則，確定三大教學(xué)任務(wù)：初識(shí)、進(jìn)階、高階無(wú)極繼電器。初識(shí)無(wú)極繼電器側(cè)重外在、組成，進(jìn)階無(wú)極繼電器側(cè)重內(nèi)在，工作原理，高階無(wú)極繼電器側(cè)重深剖，應(yīng)用，三個(gè)任務(wù)由淺入深，環(huán)環(huán)緊扣。

[21] 費(fèi)瑯輯注 耿升等譯，《阿拉伯波斯突厥人東方文獻(xiàn)輯注》[M]，北京：中華書局,1989年，P216.

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)合理的焊材匹配和坡口設(shè)計(jì)，鋼管焊縫工藝質(zhì)量和力學(xué)性能均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）在大直徑、高鋼級(jí)、大壁厚精焊焊接中采用內(nèi)外焊點(diǎn)相距1.5個(gè)螺距的焊接工藝，能夠有效保證焊縫沖擊韌性和外觀形貌。

（3）本研究中的焊材匹配方案和焊接工藝設(shè)計(jì)可用于中俄東線X80鋼級(jí)Φ1 422 mm×21.4 mm大壁厚螺旋預(yù)精焊管的批量化和工程化生產(chǎn)。

[1]孔令然.X80管線鋼的研究與應(yīng)用[J].科學(xué)情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2011，21（36）：120-123.

[2]陳永莉.國(guó)產(chǎn)X80管線鋼焊接技術(shù)研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[3]高惠臨，虞毅.關(guān)于管線鋼的碳當(dāng)量公式[J].焊管，2004，9（5）：16-18.

[4]畢宗岳.管線鋼管焊接技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2013.

[5]王宗杰.熔焊方法及設(shè)備[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[6]張彥華.焊接結(jié)構(gòu)原理[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[7]崔忠圻，劉北興.金屬學(xué)與熱處理原理[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2011.

[8]尹士科.低合金鋼焊接特性及焊接材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[9]劉會(huì)杰.焊接冶金與焊接性[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2015.

[10]JORGE J C F，SOUZA L F G，REBELLO J M A.The effect of chromium on the microstructure/toughness relationship of C-Mn weld metal deposits[J].Materials Characterization，2001，47（3）：195-205.

Research on Two-step Welding Process of Thick Wall SAWH Pipe Used for Russia-China Eastern Route

ZHOU Yan
（Zhongyou BSS（Qinhuangdao） Petroleum Steel Pipe Co.， Ltd.， Qinhuangdao 066206， Hebei， China）

In order to ensure normal production of Russia-China eastern route natural gas pipeline，X80 grade Φ1 422 mm×21.4 mm thick wall SAWH pipe was trial-produced by two-step welding process，and the mechanical property，impact toughness，microhardness,chemical composition and microstructure of weld were analyzed.The results showed that，the microstructure of prewelding weld was lath martensite，the microstructure of inside and outside weld were acicular ferrite and a little pearlite，the weld edge was smooth with good slag detachability，and the saddle-shape weld was eliminated.According to the results the performance index of trial-produced SAWH pipe could completely meet the production specifications of Russia-China eastern route thick wall natural gas pipeline，which could provide the reference for X80 grade Φ1 422 mm×21.4 mm thick wall SAWH pipe production.

X80； SAWH pipe； two-step welding； weld

TE973

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.10.005

周 巖（1984—），男，焊接工程師，研究方向?yàn)橛蜌夤懿拈_焊接工藝及生產(chǎn)，發(fā)表論文3篇。

2017－07－19

李 超