X70鋼級大壁厚HFW鋼管接觸焊接工藝研究

左蘭蘭

（中石化石油機(jī)械股份有限公司沙市鋼管分公司，湖北 荊州 434001）

隨著社會發(fā)展，能源開采已經(jīng)向深海和極地氣候區(qū)域延伸，隨之而來，對輸送油氣的管線要求也不斷提高，趨向于采用高鋼級、大壁厚的鋼管，以適應(yīng)惡劣環(huán)境條件［1-7］。高頻焊管制造工藝的特點是高效、低成本，能更便捷地適應(yīng)社會發(fā)展需求。眾所周知，高頻焊接有高頻感應(yīng)焊和高頻接觸焊兩種焊接方式，如圖1所示。高頻感應(yīng)焊是通過感應(yīng)線圈和管坯內(nèi)側(cè)放置的阻抗器，將高頻電流誘導(dǎo)并集中到焊接的V角區(qū)域進(jìn)行焊接，感應(yīng)線圈不與鋼管表面接觸；而高頻接觸焊是通過接觸電極觸腳將高頻電流直接傳導(dǎo)到焊接的V角區(qū)域進(jìn)行焊接，且管坯內(nèi)側(cè)無需放置阻抗器，接觸電極觸腳與鋼管表面直接接觸。高頻接觸焊因其耗電量幾乎是高頻感應(yīng)焊的一半；因此，更經(jīng)濟(jì)，更迎合節(jié)能降耗的發(fā)展目標(biāo)［8-9］。然而，國內(nèi)普遍認(rèn)為，高頻接觸焊因其接觸電極觸腳直接與鋼管表面接觸，在焊接過程中，存在接觸不良且會與管體表面產(chǎn)生打火等現(xiàn)象，會造成焊接性能不穩(wěn)定，管體外觀質(zhì)量缺陷等。同時，由于接觸電極材質(zhì)為銅，考慮到還會有滲銅現(xiàn)象，因此主張采用全感應(yīng)焊的模式。而世界上高頻焊管制造水平最高的日本企業(yè)，則普遍使用接觸焊的模式。為進(jìn)一步研究高頻接觸焊在焊接高鋼級、大壁厚高頻焊管的應(yīng)用，筆者采用此工藝焊接了X70鋼級Φ508 mm×17.5 mm規(guī)格高頻焊管，以評價此種焊接工藝的可靠性，為下一步批量生產(chǎn)做好基礎(chǔ)依據(jù)和技術(shù)儲備。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗使用的原材料為國內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的X70M（L485M）熱軋管線鋼，其化學(xué)成分見表1。

表1 X70M管線鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 試驗設(shè)備

用CHT4106萬能試驗機(jī)對試樣進(jìn)行拉伸試驗，用NI750F型沖擊試驗機(jī)對所有試樣進(jìn)行夏比沖擊試驗，用HS600超聲波數(shù)字探傷儀對試樣進(jìn)行檢測，用YAW200-YB型壓扁試驗機(jī)對焊縫試樣進(jìn)行壓扁試驗，用4XC型光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織。所有試樣的取樣、制備和評定均按照GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》及其引用標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［10］。

1.3 試驗方法

按照編制的制管工藝，采用高頻接觸焊的焊接模式試生產(chǎn)了若干X70鋼級Φ508 mm×17.5 mm規(guī)格高頻焊管，焊接速度為12 m/min，焊后進(jìn)行正火熱處理。所有試驗鋼管均取自經(jīng)高頻焊機(jī)組正常生產(chǎn)的鋼管，所有試樣均經(jīng)手動超聲波檢測儀器檢驗合格。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊縫拉伸試驗結(jié)果分析

根據(jù)GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級要求，在試驗鋼管上截取管體和焊縫的拉伸試驗樣本。管體和焊接接頭試樣的拉伸試驗結(jié)果見表2。

表2 管體和焊接接頭試樣的拉伸試驗結(jié)果

由表2可以看出，3個試驗樣本的焊縫抗拉強(qiáng)度均符合GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級的要求，其數(shù)值與母材基本相當(dāng)，拉伸試樣如圖2所示。說明通過高頻接觸焊，焊縫的抗拉性能可以達(dá)到與母材同等水平。

圖2 焊縫拉伸試樣示意

2.2 焊縫的夏比沖擊性能分析

根據(jù)GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級要求，在試驗鋼管上截取管體、焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊試驗樣本，試樣加工尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，試驗溫度為-20℃，夏比沖擊試驗結(jié)果見表3。

由表3可以看出，所取3組試樣的焊縫和熱影響區(qū)的夏比沖擊試驗單值和平均值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從數(shù)據(jù)上看，2號試樣中焊縫位置出現(xiàn)一個最小值61 J，其他數(shù)值基本均勻分布。分析原因，影響焊縫沖擊韌性的因素大體上可以從以下幾個方面考慮：焊接功率不足，導(dǎo)致冷焊；焊縫中存在氧化物夾雜缺陷；焊縫的熱處理不完全［11-13］。通過超聲波檢測，所有試樣中未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷，可以基本判定不是冷焊造成的。焊縫和母材的顯微組織如圖3所示。通過金相分析，部分試樣的焊縫中距上表面約0.6 mm壁厚處存在數(shù)個微小的（長度方向約0.05 mm）氧化物夾雜（圖3c），可能是由于焊接擠壓輥的設(shè)置造成夾雜物未能完全被擠出來。金相中還發(fā)現(xiàn)部分試樣距下表面約2 mm壁厚處組織未完全轉(zhuǎn)變（圖3d），即熱處理的溫度未完全穿透整個壁厚。通過上述分析，可以基本確定造成夏比沖擊值低的主要原因是氧化物夾雜和熱處理溫度。因此，后續(xù)生產(chǎn)實踐中，為保證焊縫的沖擊韌性穩(wěn)定，可以從以上兩方面著手考慮，焊接擠壓輥的設(shè)置要保證焊接毛刺被充分?jǐn)D出來，凡是阻礙毛刺擠出的因素都要排除掉；再者，熱處理的工藝設(shè)置要充分考慮壁厚因素，因為在成型過程中還存在板邊鐓厚現(xiàn)象，這種鐓厚現(xiàn)象對于大壁厚鋼管更為明顯，根據(jù)現(xiàn)場測量，此批試驗鋼管焊縫處的壁厚鐓厚約2.5 mm，因此要根據(jù)焊縫處的實際壁厚合理設(shè)置熱處理工藝和生產(chǎn)速度。

表3 管體橫向、焊縫及熱影響區(qū)的夏比沖擊試驗結(jié)果

圖3 焊縫和母材的顯微組織

2.3 焊縫壓扁試驗

根據(jù)GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級要求，在試驗鋼管上截取焊縫壓扁試驗樣本。焊縫試樣壓扁試驗結(jié)果在3點和12點方向均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

標(biāo)準(zhǔn)中要求：兩平板間的距離小于鋼管原始外徑的66%之前，焊縫不應(yīng)出現(xiàn)開裂；兩平板間的距離小于原始外徑的33%之前，焊縫之外的部位不應(yīng)出現(xiàn)裂紋或斷裂；鋼管相對兩壁接觸之前，試樣不應(yīng)產(chǎn)生分層或過燒金屬跡象［10］。

壓扁試驗結(jié)果雖然合格，但在試驗過程中，發(fā)現(xiàn)壓至兩平板間距離小于原始外徑的33%之前，焊縫部位開始出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象，這與以往生產(chǎn)薄壁管的情況不同。生產(chǎn)薄壁管時，壓至貼合狀態(tài)才開始產(chǎn)生裂紋。分析開裂后的斷口，發(fā)現(xiàn)裂紋止于淺表層，說明淺表層存在一些缺陷，這與2.2節(jié)中分析結(jié)果一致，即焊縫的淺表層中存在氧化物夾雜，這點也通過2.4節(jié)中的金相組織分析得到驗證，是造成壓扁過程中焊縫開裂的主要誘因之一。壓扁試驗兩壁貼合時的焊縫如圖4所示，鋼管相對兩壁壓至貼合時，焊縫位置出現(xiàn)裂痕，并未發(fā)現(xiàn)焊縫之外的部位出現(xiàn)裂紋或斷裂現(xiàn)象，也未產(chǎn)生分層或過燒的金屬跡象。這也從另一個方面驗證了高頻接觸焊的電極觸腳在焊縫兩邊產(chǎn)生的劃痕并未產(chǎn)生應(yīng)力集中，對鋼管性能未造成不良影響。

圖4 壓扁試驗兩壁貼合時的焊縫

2.4 焊縫的顯微組織分析

圖3 （a）所示為用合理的高頻焊接參數(shù)和熱處理參數(shù)焊接和熱處理高頻焊管的金相組織，其焊縫組織主要為鐵素體+珠光體［14］，組織均勻，晶粒細(xì)小，未見氧化物夾雜等其他缺陷。根據(jù)GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級要求，熱處理后的焊縫中應(yīng)不含有殘留未回火的馬氏體組織。圖3（a）焊縫組織中未見此種組織，說明熱處理效果良好。熱處理區(qū)域僅限焊縫和熱影響區(qū)，因而母材組織未有異常變化（圖3b），仍然為其軋制態(tài)組織。焊縫的上表層組織如圖3（c）所示，從圖3（c）可以看到，有4處“米粒”狀的黑色氧化物夾雜，位于距焊縫上表面0.6 mm內(nèi)，分析原因為擠壓輥的設(shè)置不當(dāng)，造成這些氧化物夾雜未能及時擠出來，而滯留在焊縫中。焊縫距下表面2 mm內(nèi)的組織如圖3（d）所示，為焊態(tài)組織，尚未通過熱處理充分轉(zhuǎn)變。分析原因是，熱處理工藝設(shè)置不當(dāng)，未充分考慮壁厚鐓厚的影響，導(dǎo)致熱處理溫度未完全穿透整個焊縫壁厚范圍。

3 高頻接觸焊電極觸腳在管體產(chǎn)生的劃痕分析

國內(nèi)行業(yè)普遍認(rèn)為，高頻感應(yīng)焊焊接過程更為穩(wěn)定，理由是感應(yīng)焊接時，感應(yīng)線圈與管體表面非接觸，不存在接觸不良導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定的現(xiàn)象，且管體表面質(zhì)量好，不存在接觸焊觸腳在鋼板表面產(chǎn)生劃痕和灼傷。實際上，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，通過設(shè)置合理的焊接工藝參數(shù)和觸腳的安裝，及時更換磨損的觸腳，高頻接觸焊接過程中，接觸腳能夠與鋼板表面接觸良好，不會產(chǎn)生所謂的打火現(xiàn)象，焊接過程非常穩(wěn)定。同時，觸腳材質(zhì)為銅，硬度比所焊接的管線鋼要小，焊接過程中銅觸腳的確在焊縫兩側(cè)會劃出痕跡，但僅限淺表層，高頻接觸焊電極觸腳在焊縫兩側(cè)母材上產(chǎn)生的劃痕如圖5所示，中間有氧化皮位置即經(jīng)熱處理后的焊縫，焊縫兩側(cè)對稱位置可以看到有輕微的劃痕，即高頻接觸焊的電極觸腳在管體表面摩擦所產(chǎn)生的，并無灼傷現(xiàn)象。采用CJX-220E型便攜式磁軛磁粉探傷儀對銅觸腳在焊縫兩側(cè)母材上產(chǎn)生的劃痕進(jìn)行磁粉檢測，如圖6所示，熒光燈照射劃痕處未發(fā)現(xiàn)有磁粉的堆積現(xiàn)象，即劃痕位置并沒有表面裂紋。追蹤觀察鋼管防腐生產(chǎn)線發(fā)現(xiàn)，高頻接觸焊鋼管焊縫兩側(cè)產(chǎn)生的劃痕經(jīng)防腐前打砂處理后，劃痕消失，與管體其他表面并無差異，防腐前打砂后的焊縫兩側(cè)劃痕區(qū)域如圖7所示。關(guān)于觸腳會造成管體表面“滲銅”的現(xiàn)象，業(yè)界對該現(xiàn)象是否對鋼管的性能產(chǎn)生不利影響也無明確定論。試驗結(jié)果也表明，焊接接頭的性能穩(wěn)定，并沒有發(fā)現(xiàn)因焊接熱輸入不足或者觸腳劃痕造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致的焊接接頭抗拉強(qiáng)度不合格現(xiàn)象，且壓扁試驗過程中，劃痕位置也未出現(xiàn)開裂或過燒現(xiàn)象。

圖5 高頻接觸焊電極觸腳在焊縫兩側(cè)母材上產(chǎn)生的劃痕

圖6 劃痕位置的磁粉檢測

圖7 防腐前打砂后的焊縫兩側(cè)劃痕區(qū)域

4 電能消耗對比

高頻感應(yīng)焊的感應(yīng)線圈安裝受機(jī)組物理條件的限制，不能離擠壓點很近，即焊接時的V角長度要比高頻接觸焊時的長很多，意味著焊接時需要加熱的區(qū)域要比接觸焊時大很多。同時，感應(yīng)焊的焊接電流是通過感應(yīng)的方式導(dǎo)入到V角邊緣，此處還需依靠阻抗器將電流盡量集中到V角區(qū)域，視阻抗器的安裝和工作效果會產(chǎn)生不同的能量耗損；而接觸焊的焊接電流是通過電極觸腳直接引入到V角邊緣，焊接時不需要阻抗器來集中能量到V角區(qū)域，因此省掉了該部分的能耗。根據(jù)現(xiàn)場實際測量，同等條件下采用高頻感應(yīng)焊的焊接功率約為1 010 kW，而采用高頻接觸焊的焊接功率約為558 kW，約為高頻感應(yīng)焊的55%，即可節(jié)約能耗達(dá)45%。這部分節(jié)約的能耗對于長期運營的機(jī)組非?？捎^，可以極大地降低企業(yè)用電成本，降低產(chǎn)品的制造成本，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

（1）采用高頻接觸焊焊接工藝制造的高頻焊管，焊縫的抗拉強(qiáng)度、-20℃低溫沖擊韌性、壓扁試驗結(jié)果、無損檢測結(jié)果，均滿足GB/T 9711—2017標(biāo)準(zhǔn)PSL2等級的要求，說明高頻接觸焊可以用于焊接高鋼級、大壁厚高頻焊管。

（2）通過對高頻接觸焊電極觸腳在管體產(chǎn)生的劃痕進(jìn)行分析，判定該劃痕并不影響鋼管的性能。

（3）此次采用高頻接觸焊焊接功率約為同等條件下高頻感應(yīng)焊的55%，比高頻感應(yīng)焊節(jié)約能耗約45%，有效地降低了產(chǎn)品的制造成本。

（4）為保證穩(wěn)定生產(chǎn)，在焊接擠壓參數(shù)的設(shè)置和熱處理工藝的制定方面，需要通過實踐，進(jìn)一步優(yōu)化，以達(dá)到最佳的焊縫性能。