X65鋼管焊接工藝分析及質(zhì)量控制

孫強(qiáng) 段英新 蘇衍福 黃江中 趙翠華 武丙東

摘要：X65鋼管工程應(yīng)用極為廣泛，管道焊接技術(shù)不斷發(fā)展、更新，但是氣體保護(hù)焊及手工焊仍然有不可替代的地位。本文通過大壁厚X65鋼管的手工焊和氣體保護(hù)焊兩種工藝評(píng)定，設(shè)置合理的試驗(yàn)參數(shù)，分析二種焊接方法的理化試驗(yàn)性能差別，并根據(jù)管道流體介質(zhì)，增加了抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗(yàn)（SSC）。針對(duì)該管道應(yīng)用于海洋工程對(duì)施工環(huán)境要求相對(duì)苛刻，提出了相應(yīng)的焊接過程質(zhì)量控制方案，相關(guān)內(nèi)容對(duì)工程制造具有很好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：X65;氣保護(hù)藥芯焊;手把焊;SSC

中圖分類號(hào)：TG457? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）03-0100-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.18

0? ? 前言

X65鋼管海洋工程應(yīng)用極為廣泛，管道焊接技術(shù)不斷發(fā)展、更新，但氣體保護(hù)焊及手工焊仍然有不可替代的地位。在海洋服役環(huán)境中對(duì)X65鋼管要求更為苛刻，嚴(yán)格保證焊接質(zhì)量的同時(shí)還要具備一定抗腐蝕能力。下面將介紹對(duì)于X65鋼管，相同管徑壁厚及焊接標(biāo)準(zhǔn)下，通過對(duì)E81T1-NI1M、E8018-C3 H4R二種牌號(hào)焊材試件進(jìn)行檢測(cè)，分析其焊接性并提出焊接質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1 焊接方法及焊接材料的選擇

本工藝采用寶鋼生產(chǎn)X65級(jí)別鋼管，其化學(xué)成分和力學(xué)性能的實(shí)測(cè)結(jié)果見表1、表2?？紤]到生產(chǎn)效率、焊縫質(zhì)量和設(shè)備的應(yīng)用實(shí)際情況等因素，故選擇手工焊條和藥芯焊絲對(duì)鋼管分別進(jìn)行焊接。

X65作為低碳鋼應(yīng)選用與母材相匹配的焊接材料，為形成具有良好低溫韌性的返修焊接接頭，選用低氫型焊條及藥芯焊絲，擴(kuò)散氫含量<5 mL/100 g。本研究選取以下2種牌號(hào)焊材：E81T1-NI1M（AWS A5.29）、E8018-C3 H4R（AWS A5.5）。焊材金屬的化學(xué)成分見表1。焊接前采用密封包裝狀態(tài)，便于焊工操作施焊。

2 焊接工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)管尺寸為φ610 mm×厚20.6 mm，采用30°坡口，組對(duì)坡口如圖1所示。焊件組對(duì)避免出現(xiàn)錯(cuò)邊，焊前使用砂輪打磨清理坡口邊緣15 mm范圍內(nèi)的鐵銹等雜質(zhì)，直至露出金屬光澤。焊前采取氧乙炔火焰預(yù)熱，預(yù)熱溫度至50 ℃，焊后在200 ℃時(shí)進(jìn)行水冷降溫至60 ℃。氣體保護(hù)焊和手工焊兩組工藝（E8018-C3 H4R、E81T1-NI1M）均采用6G位置焊接，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)如表3所示[1]。

3 焊接檢測(cè)結(jié)果與分析

焊接24 h后對(duì)焊件進(jìn)行外觀、NDT檢測(cè)（RT、UT、MT）顯示結(jié)果全部合格。對(duì)焊縫外觀質(zhì)量檢查，無表面氣孔、夾渣、咬邊、裂紋等缺陷。

對(duì)遵循標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目規(guī)格書制取的力學(xué)性能試樣，進(jìn)行了拉伸、彎曲、缺口錘斷、沖擊、硬度試驗(yàn)及抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗(yàn)。

3.1 拉伸試驗(yàn)

API標(biāo)準(zhǔn)要求試樣焊縫的抗拉強(qiáng)度不小于母材的最小名義抗拉強(qiáng)度的95%。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表4[2]。由表4可見，斷裂發(fā)生在母材位置的試樣，其焊縫拉伸強(qiáng)度均高于母材最小名義;試驗(yàn)結(jié)果表明，兩種焊材焊接的X65鋼管接頭拉伸性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，焊縫接頭性能合格。且E81T1-NI1M試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率略高于E8018-C3 H4R試件，表現(xiàn)出前者焊材的優(yōu)越性能。

3.2 彎曲試驗(yàn)及缺口錘斷試驗(yàn)

試驗(yàn)執(zhí)行API 1104標(biāo)準(zhǔn)，沿厚度方向截取8個(gè)彎曲試樣及4個(gè)缺口錘斷試樣，進(jìn)行側(cè)彎及拉伸試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)條件為壓頭直徑90 mm，彎曲角180°，試驗(yàn)彎曲面及截?cái)嗝娼饘倜軐?shí)，無氣孔、裂紋及夾渣出現(xiàn)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 沖擊試驗(yàn)

區(qū)別于API 1103標(biāo)準(zhǔn)要求，額外進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)，執(zhí)行ASME SA370標(biāo)準(zhǔn)，沖擊試驗(yàn)結(jié)果見圖2[3]。

由圖2可見，X65鋼焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)沖擊性能滿足項(xiàng)目-26 ℃沖擊韌性要求，單個(gè)沖擊功AkV≥34 J，平均吸收功AkV≥46 J（每點(diǎn)各代表一個(gè)試件）;由圖可知，焊縫中心、熔合線位置的沖擊較低，通過對(duì)比沖擊試驗(yàn)點(diǎn)線圖可知，氣體保護(hù)焊沖擊性能與手工焊近乎相當(dāng)。

3.4 硬度和宏觀試驗(yàn)

為與API 1104標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行區(qū)分，額外進(jìn)行了硬度和宏觀試驗(yàn)，執(zhí)行ASTM E384-11e1標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)焊縫宏觀檢查（見圖3）[4]，發(fā)現(xiàn)焊縫完全焊透，無裂紋等缺陷。如圖3所示，熱影響區(qū)（HAZ）附近硬度稍大，根據(jù)項(xiàng)目要求，兩種焊材的硬度值均在可接受范圍（≤248 HV10）。

3.5 抗硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗(yàn)（SSC）

按應(yīng)用項(xiàng)目要求，進(jìn)行了硫化物應(yīng)力腐蝕開裂性能試驗(yàn)，執(zhí)行NACE TM 0177標(biāo)準(zhǔn)[5]，通99.5%的硫化氫氣體，壓力為0.1 MPa（1 bar），溫度為（24±3）℃的試驗(yàn)條件下進(jìn)行720 h SSC試驗(yàn)。

試驗(yàn)前pH值2.8，試驗(yàn)后pH值3.8。720 h前后清洗10倍對(duì)受拉面進(jìn)行宏觀檢測(cè)，結(jié)果顯示無斷裂且受拉面無可見SSC裂紋。

4 質(zhì)量控制

焊接環(huán)境要求出現(xiàn)陰冷、雨雪，鹽水霧或大風(fēng)等可能會(huì)影響焊接質(zhì)量的天氣時(shí)，不允許焊接。焊接過程需有必要的防風(fēng)措施，風(fēng)速不大于8 m/s，避免氣溫、風(fēng)等原因影響焊接施工。

坡口外電弧擊傷是不可接受的。因電弧擊傷引起的母材受損可以打磨去除，打磨后要做磁粉檢測(cè)以確認(rèn)沒有裂紋，并用超聲波檢測(cè)該部位母材厚度，以確保剩余母材厚度不小于母材最小允許厚度。

采用電動(dòng)鋼刷打磨15 mm區(qū)域，無水分、油污、碳化物等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)存在。

焊接前必須預(yù)熱，可使用烤把或電加熱方法進(jìn)行預(yù)熱，但不應(yīng)高于最低值50 ℃。

焊接前使用高斯表，檢查磁場(chǎng)是否太高或在管上是否分布不均，在管件上每90°測(cè)量一個(gè)點(diǎn)，4個(gè)測(cè)量點(diǎn)平均值不超過2.0 mT，最大單值不超過2.5 mT [6]。

焊接中使用外對(duì)口器時(shí)，必須根焊完畢才能動(dòng)管。使用外對(duì)管器時(shí)，根焊50%后方可撤掉外對(duì)管器。焊接過程不應(yīng)中斷，如中斷則應(yīng)在中斷前至少完成3道焊縫或壁厚的一半厚度的焊接。并采用絕熱材料包裹焊縫，使焊縫緩慢冷卻。在重新施焊前，應(yīng)將未完成的焊接接頭重新預(yù)熱至焊接程序規(guī)定溫度。

返修焊接氣刨前必須進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度與焊接溫度相同，氣刨區(qū)域坡口打磨至金屬光澤，并進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)以確保缺陷被去除。返修焊最大層間溫度應(yīng)與焊接溫度一致并且不超過250 ℃。返修焊接過程不得中斷。

為防止產(chǎn)生氣孔缺欠，保護(hù)氣體純度應(yīng)不低于99.99%，氣體流量設(shè)定在17～19 L/min，氣流量太低會(huì)造成保護(hù)氣體不足，氣流量太高有可能在熔池內(nèi)形成紊流，降低保護(hù)效果，不利于保護(hù)氣體從熔池中溢出，容易產(chǎn)生氣孔缺陷。

為防止產(chǎn)生熱裂紋缺陷，應(yīng)采用較小的焊接熱輸入，采用多層多道焊。為獲得良好焊縫成形，焊接時(shí)需適當(dāng)擺動(dòng)。

5 結(jié)論

通過對(duì)E8018-C3 H4R、E81T1-NI1M二種牌號(hào)焊材焊接X65鋼力學(xué)性能分析，采用設(shè)計(jì)合理的焊接工藝并嚴(yán)格控制焊接過程，可以得到合格的焊接接頭，其具有較強(qiáng)低溫沖擊韌性，在SSC試驗(yàn)環(huán)境下對(duì)硫致應(yīng)力腐蝕開裂傾向不敏感;手工電弧焊焊條E8018-C3 H4R、藥芯氣體保護(hù)焊焊絲E81T1-NI1M在全位置焊接X65鋼管試件中表現(xiàn)出良好的力學(xué)性能，滿足項(xiàng)目規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)：

孫強(qiáng)，秦穎，黃江中，等.船用高強(qiáng)度鋼埋弧焊材焊接工藝[J].電焊機(jī)，2018，48（2）：126-129，134.

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