外焊雙絲焊在薄壁直縫埋弧焊管中的應(yīng)用

王林林， 范 潔， 韓鐵利， 楊鵬飛， 吳振宇， 孫永琪

（渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣 062658）

0 前 言

近年來(lái)， 我國(guó)已陸續(xù)建成西氣東輸二線、 三線等輸氣管道， 但仍不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)天然氣的需求[1-2]。 隨著我國(guó)重大輸氣管道工程的不斷建設(shè)， 直縫埋弧焊鋼管正被廣泛采用， 因此深入研究直縫埋弧焊管的制管工藝十分必要。 通過(guò)優(yōu)化焊接工藝來(lái)逐步提高焊接質(zhì)量， 對(duì)提高焊管的質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有重要意義[3-4]。 當(dāng)前， 國(guó)內(nèi)焊管企業(yè)在生產(chǎn)薄壁直縫埋弧焊管時(shí)多采用內(nèi)外三絲的焊接工藝， 該焊接工藝易產(chǎn)生咬邊、 夾渣、 橫向裂紋等一系列焊接缺陷[5]。 針對(duì)上述問(wèn)題， 筆者認(rèn)為， 應(yīng)持續(xù)改進(jìn)薄壁直縫埋弧焊管的焊接工藝。 由于鋼管的內(nèi)焊焊接條件比較復(fù)雜， 為減少夾渣等缺陷[6-8]， 保證焊管質(zhì)量， 內(nèi)焊適宜采用三絲焊， 而對(duì)于外焊來(lái)說(shuō)， 很多標(biāo)準(zhǔn)[9]中都對(duì)余高有更嚴(yán)格的限制， 同時(shí)制管企業(yè)為降低外防腐成本， 也會(huì)設(shè)定更為嚴(yán)格的外焊縫高度內(nèi)控要求。降低外焊縫高度方法有很多種[10]， 如加大焊接坡口尺寸、 減少焊絲數(shù)量、 減小焊絲直徑、 改變焊接參數(shù)等， 但在薄壁直縫埋弧焊管生產(chǎn)中， 最有效的辦法是通過(guò)減少參與焊接過(guò)程的焊絲數(shù)量來(lái)控制焊后余高， 本研究提出了一種薄壁埋弧焊管的內(nèi)焊三絲、 外焊雙絲的焊接工藝， 并在管線建設(shè)中成功應(yīng)用。

1 焊接試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為國(guó)內(nèi)某鋼廠生產(chǎn)的L450 鋼級(jí)、壁厚11 mm 熱軋鋼板， 鋼板的化學(xué)成分見表1，主要力學(xué)性能見表2。

表1 L450 鋼板化學(xué)成分 %

表2 L450 鋼板力學(xué)性能

1.2 焊接工藝

焊管規(guī)格為Φ711 mm×11 mm， 采用JCO 方式進(jìn)行鋼管制管成型， 成型后的鋼管進(jìn)入內(nèi)外焊接流程， 焊接電源均為林肯模擬焊機(jī)。 坡口形式為雙面V 形， 鈍邊4.5 mm， 內(nèi)外焊坡口角度均為90°。 焊絲使用H08MnMoTiB， 化學(xué)成分見表3。 焊劑采用氟堿性燒結(jié)焊劑SJ101G。

表3 H08MnMoTiB 焊絲化學(xué)成分 %

設(shè)計(jì)了兩種焊接工藝試驗(yàn)方案， 方案一外焊采用三絲焊接工藝， 方案二外焊采用雙絲焊接工藝， 兩種方案內(nèi)焊均采用三絲焊接。 具體焊接參數(shù)見表4。

表4 L450 鋼級(jí)直縫埋弧焊管焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用兩種焊接工藝方案分別焊接了一個(gè)管段， 采用方案一焊接的管段定義為A 管段， 采用方案二焊接的管段定義為B 管段。 經(jīng)過(guò)在線RT 與UT 無(wú)損檢測(cè)， A、 B 兩個(gè)管段均未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.1 焊縫宏觀形貌

兩個(gè)管段的焊縫宏觀形貌如圖1 所示， 兩種方案均滿足項(xiàng)目技術(shù)要求， 即內(nèi)外焊道中心偏離≤3.0 mm、 內(nèi)外焊道熔深≥1.5 mm。 焊縫接頭形貌參數(shù)見表5。 由表5 可見， 方案二的外焊縫余高與寬度相對(duì)較低， 有利于外防腐的生產(chǎn)成本控制。

圖1 焊接接頭焊縫宏觀形貌

表5 焊縫接頭外觀形貌參數(shù)[2]

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能

在WESW-2000E 電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行焊接接頭的抗拉性能試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)果表明， A 管段抗拉強(qiáng)度為610 MPa， B 管段抗拉強(qiáng)度為635 MPa， 均滿足焊縫抗拉強(qiáng)度≥535 MPa的技術(shù)要求。

2.2.2 沖擊性能

在垂直焊縫方向截取沖擊試樣， 缺口位置分別在中心焊縫和熱影響區(qū)， 取樣位置如圖2 所示。 按照ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)在NI7500 J 沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行CVN 沖擊試驗(yàn)， 試驗(yàn)溫度-20 ℃， 試驗(yàn)結(jié)果見表6。

圖2 焊縫和熱影響區(qū)沖擊試樣取樣位置示意圖

表6 焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果（－20 ℃）

由表6 可見， 兩種方案的焊縫沖擊性能均達(dá)到對(duì)焊縫及熱影響區(qū)沖擊韌性單值大于42 J、均值大于55 J 的技術(shù)指標(biāo)要求， 表明這兩種方案的焊接接頭均具有良好的抗斷裂韌性。 同時(shí)也可以看出， 由于方案二相比方案一焊接熱輸入有所減小， 因此較方案一， 方案二的焊縫沖擊功明顯較高。

2.2.3 彎曲性能

在垂直焊縫方向上截取焊接接頭彎曲試樣，試驗(yàn)彎芯直徑為66 mm， 彎曲角度為180°。 正、反彎曲后的試樣表面均未見裂紋、 氣泡， 熱影響區(qū)無(wú)明顯變形， 表明焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)彎曲性能良好。

2.3 顯微組織

兩種焊接工藝的焊接接頭的顯微組織如圖3和圖4 所示。 對(duì)比圖3 和圖4 可以發(fā)現(xiàn)， 由于B管段的外焊熱輸入相比A 管段降低了近10%，由此得到的焊縫及熱影響區(qū)的組織更為細(xì)小， 奧氏體晶粒得到細(xì)化， 提高了熱影響區(qū)韌性[11]， 焊接接頭的力學(xué)性能有所提升。

圖3 A 管段焊接接頭金相組織

圖4 B 管段焊接接頭金相組織

3 生產(chǎn)應(yīng)用

試驗(yàn)研究表明， Φ711 mm×11 mm 薄壁直縫埋弧焊管在內(nèi)焊三絲、 外焊雙絲的焊接工藝下焊縫的性能更為優(yōu)異。 在某項(xiàng)目同規(guī)格鋼管的批量化生產(chǎn)中采用了內(nèi)焊三絲、 外焊雙絲的焊接工藝， 現(xiàn)已生產(chǎn)鋼管累計(jì)317 根。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該批鋼管的外焊縫平均高度為2.1 mm， 產(chǎn)生焊接缺陷管10 根， 焊接一次合格率為96.8%， 對(duì)比以往同規(guī)格鋼管的生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)， 焊縫余高降低了0.3 mm， 焊接合格率提高了3.5%。 通過(guò)本次焊接工藝優(yōu)化， 該項(xiàng)目鋼管補(bǔ)焊與管端返切數(shù)量明顯減少， 提高了生產(chǎn)效率。

圖5 為焊縫拉伸性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 其中焊縫拉伸試樣共做了21 套， 抗拉強(qiáng)度均值627 MPa，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的535 MPa。 圖6 為焊接接頭的沖擊韌性統(tǒng)計(jì)結(jié)果， 其中焊縫與熱影響區(qū)夏比沖擊試驗(yàn)均取樣16 件， 焊縫沖擊韌性均大于100 J，熱影響區(qū)沖擊韌性均大于280 J， 遠(yuǎn)高于單值大于42 J、 均值大于55 J 的技術(shù)要求。 另外， 導(dǎo)向彎曲、 硬度、 落錘、 化學(xué)、 金相等試驗(yàn)結(jié)果也全部滿足項(xiàng)目要求。

圖5 Φ711 mm×11 mm 焊管焊縫拉伸性能

圖6 Φ711 mm×11 mm 焊管焊接接頭夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1） 對(duì)于壁厚11 mm 及以下薄壁直縫埋弧焊管焊接， 經(jīng)焊接試驗(yàn)證明， 外焊使用三絲焊或雙絲焊的焊接接頭均具有良好力學(xué)性能， 但在采用雙絲焊工藝時(shí)， 能更好控制外焊縫高度， 焊接接頭整體形貌明顯好于三絲焊工藝， 力學(xué)性能更佳。

（2） 在批量生產(chǎn)中， 外焊采用雙絲焊接工藝， 進(jìn)一步驗(yàn)證了上述結(jié)論， 且焊縫缺陷率出現(xiàn)明顯降低， 從成本控制因素出發(fā)， 薄壁直縫埋弧焊管批量生產(chǎn)時(shí)建議首選外焊雙絲焊工藝。