海工用X100 管線鋼管的焊接工藝及接頭質(zhì)量分析

馮勝昆，周文，張徐強(qiáng)，屈江艷

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通226116)

0 前言

在海洋平臺(tái)制造中，為滿足減輕結(jié)構(gòu)重量及低溫力學(xué)性能要求，樁腿桁架結(jié)構(gòu)用690 MPa 級(jí)低溫高強(qiáng)鋼管已得到廣泛應(yīng)用，但此類高端材料，如Oceanfit 690，EQ70 管等一直主要由國(guó)外進(jìn)口［1］。受?chē)?guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)以及高昂的進(jìn)口材料費(fèi)用的影響，建造海洋平臺(tái)的利潤(rùn)空間已逐漸降低，目前，國(guó)內(nèi)主要海洋平臺(tái)制造廠已逐漸開(kāi)展利用X100管線鋼管代替進(jìn)口材料，基于國(guó)內(nèi)石油運(yùn)輸用X100 管線鋼管的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已有相當(dāng)基礎(chǔ)［2］，且生產(chǎn)成本相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)已有廠家開(kāi)發(fā)出供海洋平臺(tái)桁架用的低溫X100 管線鋼管，且已實(shí)現(xiàn)小部分焊接生產(chǎn)應(yīng)用［3-4］。

海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)用X100 管線鋼管不同于傳統(tǒng)石油、天燃?xì)膺\(yùn)輸用X100 管線鋼管，傳統(tǒng)石油運(yùn)輸用X100管線鋼管主要受內(nèi)部流體壓力作用，且服役溫度一般為-20 ℃以上，而海洋平臺(tái)樁腿等桁架結(jié)構(gòu)用X100 管線鋼管及焊接接頭主要承受外部結(jié)構(gòu)或載荷的作用，對(duì)沖擊韌性要求較高，且服役設(shè)計(jì)溫度需要-40 ℃;另外，根據(jù)AWS及船級(jí)社規(guī)范要求，海洋平臺(tái)桁架接頭主要為騎坐式非貫通TKY 接頭，即只有分支管道開(kāi)坡口而主管道不開(kāi)坡口。因此，實(shí)際產(chǎn)品接頭中未開(kāi)坡口(直邊)側(cè)往往成為焊接缺欠及力學(xué)性能薄弱側(cè)。此類接頭采用6GR 位置(即在管子6G 焊接位置增加環(huán)形限位)及特定坡口形式進(jìn)行焊接，針對(duì)不開(kāi)坡口側(cè)(直邊側(cè))3 點(diǎn)或9 點(diǎn)鐘位置處進(jìn)行沖擊試驗(yàn)［5-6］，以評(píng)定焊接工藝及材料是否符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。文中針對(duì)某國(guó)產(chǎn)海工用X100 管線鋼管進(jìn)行不同預(yù)熱溫度［7-9］及熱輸入焊接，通過(guò)重點(diǎn)檢測(cè)接頭未開(kāi)坡口側(cè)低溫沖擊韌性，以確定某國(guó)產(chǎn)X100 高強(qiáng)管線鋼的騎坐式非貫通焊接接頭能夠滿足設(shè)計(jì)服役要求的焊接工藝。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

圖1 為自升式鉆井平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)及所用TKY 節(jié)點(diǎn)。根據(jù)AWS 及船級(jí)社規(guī)范要求，該類接頭的焊接工藝評(píng)定需使用對(duì)接接頭形式評(píng)定其力學(xué)性能。因此，試驗(yàn)所用接頭坡口形式為37.5°單邊V 形坡口，如圖2 所示。采用焊條電弧焊的方法進(jìn)行單面焊接雙面成形焊接。所用材料為國(guó)內(nèi)某鋼管廠生產(chǎn)的20 mm 及28 mm 壁厚海工用X100 管線鋼管，材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試件尺寸為φ168 mm×20 mm×150 mm +φ168 mm×28 mm×150 mm。打底層焊接使用LB-62U 焊條，填充及蓋面層焊接使用TENACITO 80CL 焊條，焊接材料熔敷金屬成分見(jiàn)表1，試驗(yàn)共采用3 個(gè)接頭試樣，編號(hào)分別為1 號(hào)、2 號(hào)、3號(hào)，采用的具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 6GR 位置坡口形式及焊道布置

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 焊接工藝參數(shù)

1.2 工藝流程

焊前采用陶瓷電阻加熱片進(jìn)行預(yù)熱，升溫過(guò)程，如圖3 所示。記錄焊接過(guò)程中的平均焊接電流、電弧電壓及焊接速度，計(jì)算出整條焊縫的平均熱輸入(打底焊道熱輸入不進(jìn)行平均值計(jì)算)，如表2 所示。采用接觸式測(cè)溫槍進(jìn)行層間溫度測(cè)量，當(dāng)層間溫度低于預(yù)熱溫度時(shí)立即停止焊接，用陶瓷電阻加熱片進(jìn)行補(bǔ)充加熱至不低于預(yù)熱溫度且不高于250 ℃。記錄整個(gè)焊接過(guò)程中層間溫度的最低值及最高值，并以整條焊縫的平均層間溫度進(jìn)行工藝比較分析。焊接完成后，立即采用保溫棉包裹進(jìn)行保溫緩冷，直至室溫。

圖3 焊接試件預(yù)熱升溫過(guò)程

緩冷至室溫后再經(jīng)72 h 后進(jìn)行無(wú)損探傷，包括MT，UT等，確認(rèn)焊縫無(wú)缺欠后采用WAW-1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、CBD-500 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)及4XC-MS型光學(xué)金相顯微鏡分別進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、-40 ℃低溫沖擊試驗(yàn)及顯微組織觀察。根據(jù)ABS 船級(jí)社規(guī)范及ASTM A370 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用全厚度剖管試樣進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn);彎曲試驗(yàn)采用側(cè)彎形式，彎曲角度為180°，彎芯直徑為60 mm;沖擊試樣取試件外表面1 ～2 mm 以下，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，缺口位置分別為未開(kāi)坡口側(cè)(直邊側(cè))熔合線、熔合線+2 mm、熔合線+5 mm 處。對(duì)焊接接頭坡口側(cè)及未開(kāi)坡口側(cè)(直邊側(cè))熔合線處的顯微組織進(jìn)行觀察分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 接頭力學(xué)性能

表3 為不同焊接工藝參數(shù)下的接頭力學(xué)性能。3個(gè)接頭試樣的抗拉強(qiáng)度都在792 MPa 以上，且都斷裂于母材，滿足設(shè)計(jì)及建造規(guī)范要求。彎曲試驗(yàn)也表明，3 種工藝參數(shù)下，包括打底焊道在內(nèi)的整條焊縫熔合良好，無(wú)夾渣、氣孔、裂紋等缺陷。接頭未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處的沖擊吸收能量相對(duì)較低，明顯低于焊縫中心及稍遠(yuǎn)離熔合線處，且在110 ℃預(yù)熱條件下，熔合線處沖擊吸收能量已遠(yuǎn)低于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在通過(guò)提高至200 ℃預(yù)熱條件下，適當(dāng)減小焊接熱輸入，接頭熔合線處沖擊韌性已得到改善。

表3 不同焊接工藝參數(shù)下接頭力學(xué)性能

為進(jìn)一步分析驗(yàn)證接頭熔合線沖擊吸收能量較低原因，在3 號(hào)試樣上從坡口側(cè)熔合線處及未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處再各取一組沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)表4，開(kāi)坡口側(cè)熔合線處沖擊吸收能量單個(gè)值及均值都在80 J 以上，而未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處沖擊吸收能量平均值仍只有56 J。

表4 3 號(hào)試樣坡口兩側(cè)熔合線處沖擊吸收能量(-40 ℃)J

2.2 接頭熔合線顯微組織

因3 號(hào)接頭試樣各力學(xué)性能能夠滿足設(shè)計(jì)及建造規(guī)范要求，且開(kāi)坡口側(cè)及未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處低溫沖擊吸收能量差異大，故選取3 號(hào)試樣作為微觀組織研究對(duì)象，簡(jiǎn)要分析開(kāi)坡口側(cè)及未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處晶粒尺寸及組織分布，如圖4 所示。從圖4a ～4b 可以看出，未開(kāi)坡口側(cè)焊縫與熔合線界面不明顯;熔合線晶粒尺寸較大，以塊狀分布為主，伴有長(zhǎng)條狀組織，且粗大的晶粒晶界有相互連接現(xiàn)象，形成顯微裂紋發(fā)源地［10］。從圖4c ～4d 看出，開(kāi)坡口側(cè)焊縫與熔合線界面清晰;熔合線主要以長(zhǎng)條狀組織為主且分布均勻，無(wú)大尺寸晶粒晶界相互連接現(xiàn)象。

圖4 3 號(hào)接頭試樣開(kāi)坡口側(cè)及未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處顯微組織

2.3 接頭力學(xué)性能差異原因分析

所用的X100 管線鋼碳當(dāng)量較高，裂紋敏感性大。1 號(hào)試樣在110 ℃預(yù)熱溫度下采用較大熱輸入焊接，焊接開(kāi)始時(shí)，因冷卻速度較快，易形成脆硬組織，形成顯微缺陷源［11］;隨后在原有熱量累積基礎(chǔ)上，較高的熱輸入導(dǎo)致近焊縫區(qū)金屬高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，易形成粗大組織導(dǎo)致韌性下降［12］。2 號(hào)試樣通過(guò)提高預(yù)熱溫度來(lái)減小脆硬組織形成的可能性，接頭沖擊韌性有所改善。3 號(hào)試樣在提高預(yù)熱溫度的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低焊接熱輸入，減少了粗大組織的生成，熔合線沖擊韌性進(jìn)一步得到改善。因此，對(duì)于焊接所用的X100 管線鋼管，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度至200 ℃是必要的，適當(dāng)降低焊接熱輸入可以得到滿足使用要求的焊接接頭。

在適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)下得到的焊接接頭，開(kāi)坡口側(cè)和未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處沖擊韌性相差較大，從冶金過(guò)程看，主要原因?yàn)槠驴趥?cè)結(jié)晶條件優(yōu)于直邊側(cè)，焊縫組織與熔合線組織界限分明，界限處基本為等軸組織。而未開(kāi)坡口側(cè)導(dǎo)熱有差異，結(jié)晶條件較差，所以形成模糊界面且晶粒尺寸較大。大尺寸晶粒晶界相互連接形成的顯微裂紋源在低溫缺口沖擊下，更容易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致接頭承受沖擊的能力較差。因此，需進(jìn)一步研究探尋合適的焊接工藝，解決未開(kāi)破口側(cè)熔合線處沖擊韌性薄弱情況，使整個(gè)焊接接頭沖擊韌性均勻一致。

3 結(jié)論

(1)采用焊條電弧焊焊接國(guó)產(chǎn)X100 管線鋼管對(duì)接接頭，其強(qiáng)度、彎曲性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處是低溫沖擊韌性薄弱環(huán)節(jié)，適當(dāng)提高焊接預(yù)熱溫度能夠得到改善。

(2)采用焊條電弧焊焊接焊接國(guó)產(chǎn)X100 管線鋼管，在接頭未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處易產(chǎn)生粗大組織，其晶界處能夠形成顯微裂紋源。

(3)采用焊條電弧焊焊接國(guó)產(chǎn)X100 管線鋼管TKY接頭，在預(yù)熱溫度200 ℃、熱輸入1.58 kJ/mm 條件下可以得到滿足使用要求的焊接接頭。