X80管線鋼焊接工藝研究

吳優(yōu)

【摘?要】隨著天然氣管道輸氣壓力的提高，對天然氣長輸管道所需的韌性提出了更高的要求，X80管線鋼管已大量應(yīng)用于天然氣長輸管道工程。X80管線鋼管是采用微合金化、超純凈冶煉和現(xiàn)代控軋、控冷熱處理（CTMCP）工藝生產(chǎn)的細(xì)晶低碳微合金強(qiáng)韌鋼，是能夠提供足夠強(qiáng)度和韌性的高性能管線鋼管。由于焊接過程的熱影響，使X80管線鋼管焊縫區(qū)的韌性受到嚴(yán)重?fù)p傷。保證X80管線鋼管經(jīng)高溫加熱、冷卻后的焊縫和熱影響區(qū)的韌性，是 X80管線鋼管焊接技術(shù)研究的一個重要內(nèi)容。本文闡述了X80管線鋼的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)，通過焊縫外觀檢驗(yàn)、金相檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)優(yōu)化了X80管線鋼焊接工藝參數(shù)。

【關(guān)鍵詞】X8管線鋼;焊接工藝;相關(guān)研究

Research on Welding Technology of X80 Pipeline Steel

Wu You

（Sinopec Jiangsu Oil Construction Engineering Co.， Ltd?Yangzhou?Jiangsu?225000）

【Abstract】With the increase of gas pressure in natural gas pipeline， higher requirements are put forward for the toughness of long-distance natural gas pipeline. X80 pipeline pipe has been widely used in long-distance natural gas pipeline engineering. X80 pipeline steel pipe is a fine-grained low-carbon micro-alloy tough steel produced by microalloying， ultra-pure smelting and modern controlled rolling， controlled cooling and heat treatment （CTMCP） process. It is a high performance pipeline steel pipe that can provide sufficient strength and toughness. The toughness of weld zone of X80 pipeline steel pipe is severely damaged due to the thermal effect of welding process. Ensuring the toughness of weld seam and heat affected zone of X80 pipeline steel pipe after high temperature heating and cooling is an important content of welding technology research of X80 pipeline steel pipe. In this paper， the welding method， welding material and welding parameters of X80 pipeline steel are described. The welding parameters of X80 pipeline steel are optimized through the appearance inspection， metallographic examination and mechanical properties test.

【Key words】X8 pipeline steel;Welding process;Related research

1. X80管線鋼管的研制

（1）作為經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)輸?shù)闹匾侄危嗟氖秃吞烊粴饪抗芫€輸送來完成。因此，需要增加管道的輸送能力隨之就需要增大管徑，提高輸送壓力。為了減少建設(shè)成本就必須開發(fā)更高級別的管線鋼，減小管壁的厚度，減少鋼材的用量。近幾年國內(nèi)外都在開發(fā)更高級別的管線鋼方面做了許多研究工作。1985年，德國鋼管公司首先開發(fā)了X80級管線鋼，并鋪設(shè)了3.2Km的試驗(yàn)段。1992年至1993年又在德國魯爾區(qū)鋪設(shè)了管徑為1219mm，壁厚為18.4mn，長度260Km的天然氣輸送管道，輸送壓力為10MPa，這一管道至今運(yùn)行正常。加拿大對180管線鋼的研制始于1990年。IPSCO鋼鐵公司首先生產(chǎn)了X80級管線鋼及螺旋焊管。NOVA公司至1997年用其鋪設(shè)了91Km管線。加拿大stelco鋼鐵公司也于成功研制出X80級管線鋼，并在Welhnd焊管廠生產(chǎn)螺旋焊管。

（2）X80管線鋼的生產(chǎn)還通過控軋控冷工藝獲得優(yōu)良的性能。目前進(jìn)行研究的新一代鋼鐵材料就是不加或少加合金元素，通過控制軋制工藝獲得高性能的鋼鐵材料。

（3）采用降低終軋溫度的方法來改善鋼的力學(xué)性能，早在二十世紀(jì)30年代就引起人們注意。目前控制軋制和控制冷卻已發(fā)展到一個新的階段?？刂栖堉频膶?shí)質(zhì)是得到細(xì)小的奧氏體晶粒，以便在相變后得到細(xì)小的鐵素體晶粒，有效地提高鋼的強(qiáng)韌性。控制冷卻的實(shí)質(zhì)是防止控軋后細(xì)小的奧氏體或鐵素體晶粒重新再結(jié)晶或長大，以便最后獲得細(xì)小的組織?？刂栖堉坪涂焖倮鋮s工序有奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制、奧氏體非再結(jié)晶區(qū)軋制γ-α。兩相區(qū)的傳統(tǒng)控制軋制工藝和高溫再結(jié)晶控制軋制工藝，或這兩種工藝的聯(lián)合使用。

（4）軋制過程的控制與熱加工物理冶金學(xué)相結(jié)合，已有可能對軋制過程中溫度的變化、顯微組織的類型、晶粒的尺寸、奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的積累應(yīng)變、。中殘余奧氏體應(yīng)變以及微合金元素的沉淀動力學(xué)等進(jìn)行有效地控制和準(zhǔn)確地預(yù)測，為開發(fā)具有更佳力學(xué)性能的鋼種開辟了廣闊的途徑?？剀堜摰囊粋€近代發(fā)展是軋后的控制冷卻。軋后引入加速冷卻，使γ-α相變溫度降低，過冷度增大，從而增加了。的形核率。同時由于冷卻速度的增加，阻止或延遲了碳、氮化物在冷卻中過早析出，因而易于生成更加彌散的析出物。進(jìn)一步提高冷卻速度，則可獲得貝氏體或針狀鐵素體，進(jìn)一步改善鋼的強(qiáng)韌性。

2. X80管線鋼焊工藝研究

2.1?X80管線鋼焊方法。

2.1.1?焊接材料。

（1）X80是美國石油學(xué)會《API Spec SL管線鋼管規(guī)范》中的的標(biāo)號。X在API Spec SL標(biāo)準(zhǔn)中代表管線鋼，80是強(qiáng)度級別，其單位是kpsi，X80表示最小屈服強(qiáng)度為80 kpsi的管線鋼，轉(zhuǎn)換成公制單位約等于552MPa。其化學(xué)成分采用電感禍合等離子發(fā)射光譜法測得w（%）為：0.06C，0.18Si，1.48Mn，0.008P，0.003s，0.025 Cr，0.19Mo，0.18Ni，0.03V，0.001B，余量為Fe。對X80管線鋼基材進(jìn)行金相組織觀察，結(jié)果表明其組織為針狀鐵素體+貝氏體組織。

（2）焊接工藝試驗(yàn)在熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸為10mmx10mmx75mm。焊接工藝參數(shù)主要為焊接線能量、預(yù)熱溫度和管線鋼厚度。試驗(yàn)過程中采用線性回歸統(tǒng)計(jì)模型，對不同焊接工藝下的焊接性能進(jìn)行預(yù)測與檢測，確定模型預(yù)測的準(zhǔn)確性和誤差范圍，并在可信度較高的條件下優(yōu)化焊接工藝參數(shù)（管線鋼的焊接工藝見表1）。

2.1.2?焊接工藝參數(shù)。

考慮到管道工程焊接施工環(huán)境和條件的限制，現(xiàn)場焊接難以進(jìn)行較高溫度的焊前預(yù)熱。另外，X80鋼焊接熱影響區(qū)的軟化現(xiàn)象，也不宜采用較高的預(yù)熱溫度。同時，為保證根部焊縫的成型質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，焊接前應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臏囟冗M(jìn)行預(yù)熱。本文所使用的預(yù)熱溫度為1000C～2000C ，層問溫度為500C～1500C，預(yù)熱寬度為焊縫兩側(cè)各100mm以上。鎢極氫弧焊采用的鎢極直徑為2.4mm，鎢極仲出長度為3～4mm，保護(hù)氣體采用純度為99.6%的氬氣。焊接工藝參數(shù)見表2。

2.2?回歸模型預(yù)測與參數(shù)優(yōu)化。

2.2.1?對不同焊接工藝下得到的焊接熱影響區(qū)的顯微硬度進(jìn)行回歸正交分析，設(shè)定焊接線能量為H1=（E-12）/4，H2=（預(yù)熱溫度-100）/40，H3（板厚-19）/6.5，H12，H13，H23和H123分別為不同焊接工藝參數(shù)之間的交互作用。因此，焊接熱影響區(qū)的硬度和焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系可表示為：

HV=288.27-12.5H1-3.7H2+10.6H3-1.2H12+1.1H13-4.8H23-0.3H123（1）

2.2.2?通過對不同焊接工藝參數(shù)下的焊接熱影響顯微硬度進(jìn)行計(jì)算，并對比分析焊接熱影響區(qū)實(shí)際硬度測量結(jié)果，對比分析如表3?？梢钥闯?，焊接熱影響硬度計(jì)算值分布在226.7-257.0 HV，焊接熱影響區(qū)硬度實(shí)測值分布在242.9-273.5HV之間，而不同焊接工藝下的硬度計(jì)算值與實(shí)測值的誤差范圍則分布在1.07%-7.43%之間。由此可見，采用本文的預(yù)測模型可以較好的預(yù)測出焊接熱影響區(qū)的顯微硬度，一次回歸方程置信度達(dá)到99%。相對而言，當(dāng)板厚為13 mm時，回歸統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測得到的焊接熱影響區(qū)的硬度計(jì)算誤差相對板厚為26 mm時要大。因此，可以認(rèn)為采用本文的回歸統(tǒng)計(jì)模型預(yù)測的管線鋼的板厚愈大則精度愈高。

2.2.3?焊接熱影響區(qū)的沖擊功和焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系可表示為（焊接熱影響區(qū)的模擬計(jì)算值與實(shí)測值見表3）：

Akv=213.7-52.4H1-28.1 H2+1.1H3-34.1H12+18.1H13+6.9H23+3.9H123 （2）

2.2.4?通過不同焊接工藝下的焊接件的沖擊功的模擬計(jì)算值與實(shí)測值的對比分析結(jié)果。當(dāng)焊接熔池的溫度從8000C降到5000C的時間，通過控制焊接熔池的溫度可以改變?nèi)鄢氐睦鋮s速度，從而達(dá)到防比冷裂紋、控制組織以達(dá)到滿意的性能?？梢钥闯霎?dāng)焊接熔池的溫度從5s上升至25s時，焊接沖擊功的模擬計(jì)算值與實(shí)測值較好地吻合。

2.3?試驗(yàn)結(jié)果及分析。

2.3.1?外觀檢測及射現(xiàn)探傷。

外觀檢查未發(fā)現(xiàn)熔合表面氣孔、咬邊、焊瘤及裂紋等表面缺陷。為了檢查焊件裂紋、未焊透等缺陷，經(jīng)X射線檢測本焊接工藝參數(shù)下焊接頭接質(zhì)量達(dá)到Ⅱ級合格。

2.3.2?金相組織觀察。

圖1所示為X80管線鋼焊接接頭不同區(qū)域的微觀金相組織結(jié)構(gòu)，腐蝕試劑為4%硝酸酒精溶液。X80管線鋼焊接接頭的母材組織主要以針狀鐵素體為主，呈細(xì)小而多方向分布（見圖1d）。由圖1a可以看出，焊縫組織主要為晶內(nèi)形核的針狀鐵素體和珠光體，晶粒較母材更加均勻細(xì)小。圖1b和1c分別為熱影響區(qū)中的熔合區(qū)和過熱區(qū)，明顯晶粒較粗大，熔合區(qū)組織主要為呈條狀、塊狀的先共析鐵素體和粒狀貝氏體。過熱區(qū)則主要為呈魏氏組織形態(tài)的先共析鐵素體、粒狀貝氏體和少量島狀硬脆相M-A組元（焊接接頭不同區(qū)域的微觀金相組織見 圖1）。

2.3.3?拉伸試驗(yàn)。

在試件上垂直焊縫取焊接接頭橫向拉仲試樣，試樣如圖2。拉仲試驗(yàn)在WEW-300C型萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。焊接接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為725MPa，高于X80管線鋼的焊接要求621MPa，并且斷裂位置位于母材，符合X80管線鋼的焊接要求（拉伸試樣示意圖見圖2）。

2.3.4?彎曲試驗(yàn)。

在試件上取焊縫橫向面彎和背彎試樣在WEW-300C萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)。試樣寬度為38.1mm，試樣厚度為14.1mm，彎軸直徑為94 mm，彎曲角度為1800，試驗(yàn)后試樣彎曲表面未產(chǎn)生明顯缺陷和裂紋，表明此焊接工藝下焊接接頭工藝性能良好，有很好的延展性和致密性。

2.3.5?沖擊試驗(yàn)。

沖擊試樣尺寸為10mmX10mm X55mm，V型缺口位置分別位于焊縫和熱影響區(qū)，試樣位于厚度的中部。焊縫中心及熱影響區(qū)在-20℃溫度下的沖擊功如表4所示。可見，此焊接工藝下焊縫及熱影響區(qū)的沖擊韌性滿足要求（焊縫中心及母材沖擊力見表4）。

2.3.6?維氏硬度試驗(yàn)。

在HXD-1000TMC/LCD維氏硬度計(jì)上加載lOgf（0.196N），加載時問為lOs，對母材、焊縫、熱影響區(qū)進(jìn)行纖維硬度測量，測量值見表可見，母材、焊縫及熱影響區(qū)的硬度較低，滿足X80管線鋼焊接最大允許硬度275HV10的要求（維氏硬度值（HV10）見表5）。

2.3.7?結(jié)論。

（1）焊接熱影響硬度計(jì)算值分布在226.7～257.0HV，焊接熱影響區(qū)硬度實(shí)測值分布在242.9～273.5 HV之間，而不同焊接工藝下的硬度計(jì)算值與實(shí)測值的誤差范圍則分布在1.07%～7.43%之間。

（2）當(dāng)焊接熔池的溫度從5s上升至25s時，焊接沖擊功的模擬計(jì)算值與實(shí)測值較好地吻合。

（3）由于焊接工藝不同，部分焊接熱影響區(qū)中發(fā)生了奧氏體轉(zhuǎn)變，晶粒尺寸相對較大、且存在尺寸分布不均勻現(xiàn)象。

（4）本文所確定的焊接工藝參數(shù)，能夠使焊接接頭獲得優(yōu)良的組織和力學(xué)性能，可為X80管線鋼的焊接提供依據(jù)。

3. X80管線鋼管焊接工藝性能及設(shè)計(jì)實(shí)施

3.1?X80焊接操作工藝性能分析。

（1）根焊時，采用了E9010纖維素型焊條，其牌號有HOBART FOXCEL、臺灣天泰，天津大橋等，焊接過程中發(fā)現(xiàn)臺灣天泰，天津大橋等纖維素型焊條不是電弧吹力小，焊條偏心嚴(yán)重，就是根焊道單面焊雙面成形不良等工藝性能差，基本上不能滿足根焊高質(zhì)量的要求，而BOHLER E9010焊條操作工藝性能及單面焊雙面成形均良好。填充焊BOHLER FOXBVD90 E9018-G焊條焊接操作工藝性能優(yōu)良，能滿足工程需要，實(shí)際管道工程可以采用。

（2）采用藥芯焊絲半自動焊，HOBART 81N2的焊接規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大，焊接電流大，操作工藝性能較好施工效率高，焊工容易掌握，從操作工藝性能方面分析推薦優(yōu)選HOBART81N2。

（3）METALLOY 71焊絲的特點(diǎn)是幾乎無飛濺、無渣，溶敷率高，擴(kuò)散氫含量低，根焊時選用可降低根焊縫的擴(kuò)散氫含量。JC-29Ni1是一種低合金鋼自保護(hù)藥芯焊絲，具有優(yōu)良的低溫韌性，抗裂性能好。其熔敷效率高，電弧穿透力大，呈噴射狀，操作容易，適宜全位置焊接。由于熔渣凝固快，特別適合立向下焊?？捎糜诤附雍癜寮?，剛性大的重要結(jié)構(gòu)。

3.2?X80管線鋼管焊接技術(shù)實(shí)施。

在X80管線鋼管焊接過程中實(shí)施強(qiáng)力電磁攪拌，最主要的焊接輔助設(shè)備就是感應(yīng)加熱電源。利用感應(yīng)加熱電源，根據(jù)預(yù)熱、恒溫、熱處理溫度設(shè)定，感應(yīng)加熱電源控制焊口預(yù)熱、恒溫、熱處理溫度，實(shí)施步驟為：

（1）焊接前，啟動感應(yīng)加熱電源，交變電流流經(jīng)感應(yīng)加熱圈，感應(yīng)加熱圈產(chǎn)生的磁力線切割鋼管壁，在管壁內(nèi)產(chǎn)生渦流快速加熱預(yù)熱焊口。采用焊口預(yù)熱有效防止焊縫裂紋，預(yù)熱溫度由加熱溫度控制器控制。

（2）焊接中，加熱溫度控制器控制感應(yīng)加熱電源，輸出交變電流流經(jīng)感應(yīng)加熱圈維持加熱，恒定整個焊口的溫度，采用恒溫有助于改善焊縫熱影響區(qū)。同時，感應(yīng)加熱圈產(chǎn)生的磁力線合成縱向交變磁場，在強(qiáng)力電弧攪拌熔池細(xì)化晶粒的工況下，適當(dāng)加大焊接線能量進(jìn)行焊接，提高焊接生產(chǎn)率。

（3）焊接停止，加熱溫度控制器控制感應(yīng)加熱電源，輸出維持的交變電流加熱焊口，保持焊接層間溫度，有助于氫的擴(kuò)散。在現(xiàn)有的焊接工藝中，一般是利用第二次焊接（填充焊、蓋面焊）的溫度改善第一次焊接的熱影響。

（4）焊接完畢，加熱溫度控制器按設(shè)定的焊口熱處理工藝參數(shù)控制感應(yīng)加熱電源輸出一定數(shù)量的交變電流到感應(yīng)加熱圈，產(chǎn)生熱量對焊縫進(jìn)行焊后熱處理，改變晶粒結(jié)構(gòu)，消除焊接殘余應(yīng)力。

4. 結(jié)語

X80管線鋼管焊接后，由于不能再經(jīng)受TMCP工藝處理，晶粒得不到細(xì)化，造成焊接接頭韌性的嚴(yán)重惡化。本研究提出以強(qiáng)力電磁攪拌熔池細(xì)化晶粒替代TMCP工藝，達(dá)到鋼材經(jīng)TMCP工藝處理的效果。

（1）采用強(qiáng)力電磁攪拌，在焊縫一次結(jié)晶過程中，強(qiáng)力電磁力攪拌熔池細(xì)化晶粒，提高焊接熱影響區(qū)韌性。

（2）在強(qiáng)力電磁攪拌細(xì)化晶粒的工況下，可適當(dāng)加大焊接線能量，達(dá)到在保證焊縫焊接質(zhì)量的前提下，提高焊縫焊接生產(chǎn)率的目的。

（3）利用焊口預(yù)熱的感應(yīng)加熱方法實(shí)施強(qiáng)力電磁攪拌焊，不增加焊接生產(chǎn)成本，簡單易行。

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