X65級海管環(huán)縫無襯墊封底全自動焊工藝及焊縫性能研究

劉巖磊，孫有輝，劉永貞，韓永典，李子軒

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

2.天津大學(xué)，天津 300354

0 引言

近幾年，在海上油氣田開發(fā)項(xiàng)目中，海底管道運(yùn)輸?shù)氖?、天然氣?nèi)含有H2S腐蝕性介質(zhì)的情況越來越多，例如目前正在招投標(biāo)的緬甸ASK油田區(qū)塊開發(fā)工程項(xiàng)目中海底管道的服役環(huán)境為重度酸性環(huán)境（Severe Sour Service，3 Region）。含H2S酸性服役環(huán)境對海底管道的抗腐蝕開裂性能提出了更高的要求，對環(huán)縫焊接質(zhì)量的要求會更嚴(yán)格苛刻。

采用全自動焊工藝進(jìn)行海管鋪設(shè)，相比傳統(tǒng)的手工焊、半自動焊工藝，具有焊接效率高、質(zhì)量好、焊工操作簡易和勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外海管環(huán)縫焊接的主流技術(shù)［1］。常規(guī)的碳鋼海底管道鋪設(shè)全自動焊接施工過程中，用于坡口組對的氣動內(nèi)對口器都會使用銅襯墊，封底焊接時托住焊接熔池，具有快速散熱與強(qiáng)制成形的作用。梁君直［2］等人研究發(fā)現(xiàn)，在封底焊接過程中，銅原子在根部焊縫中發(fā)生了擴(kuò)散，導(dǎo)致焊縫根焊層中銅含量有微量增加，其中與銅襯墊接觸表面位置的銅含量最大，為0.3132%。銅是沉淀強(qiáng)化性元素，Hannerz［3］研究認(rèn)為，焊縫中的銅含量為0.4%～0.6%時，銅對焊縫仍能起到韌化作用，但銅含量達(dá)到1.2%時，焊縫金屬的沖擊韌性會顯著降低。通常認(rèn)為，焊縫中銅含量低于0.5%時對韌性沒有破壞性作用，當(dāng)銅含量更高時，可能產(chǎn)生脆化作用［4］。N.E.Hannerz［5］研究認(rèn)為含鎳焊縫的最佳含銅量是0.4%。含銅焊縫在冷卻過程中也可能出現(xiàn)類似母材中的銅沉淀硬化現(xiàn)象；Wada的研究結(jié)果表明，當(dāng)焊縫中含銅量超過1.2%，在高熱輸入焊接條件下會產(chǎn)生銅沉淀析出。因此高熱輸入和多道焊條件下焊縫金屬中存在銅沉淀析出，這可能是焊態(tài)下焊縫金屬屈服強(qiáng)度和硬度增加的原因之一。Renn和Roberts［6］在研究中發(fā)現(xiàn)含銅焊縫金屬中MnS夾雜物被銅包覆的現(xiàn)象，而且該球狀夾雜物隨含銅量增加而增加。Wolstenholme［7］特別指出用于高溫環(huán)境諸如能源輸送管線的焊縫金屬中的銅對其高溫蠕變性能有明顯的破壞作用。因此，用于高溫環(huán)境中的焊接結(jié)構(gòu)件應(yīng)該嚴(yán)格控制焊縫中銅元素的含量。

通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料可以發(fā)現(xiàn)，一定含量的銅元素可以對焊縫起到強(qiáng)化和韌化作用，但是同時焊縫中的銅元素隨著含量的增加會對焊縫產(chǎn)生硬化和脆化作用：一方面銅元素在高溫奧氏體中易于溶解，而在鐵素體中銅的溶解度相對較小，含銅量高的焊縫在常溫下總是處于銅超飽和固溶狀態(tài)，會造成鐵素體嚴(yán)重的晶格畸變和熱應(yīng)力集中，反映在對焊縫性能的影響會增加焊縫硬度，并降低焊縫抗H2S應(yīng)力腐蝕開裂（SSC）性能；另一方面，銅、硫、磷屬于低熔點(diǎn)元素，會增加焊縫自身的熱裂紋敏感指數(shù)［8-10］。

綜上，國內(nèi)外許多石油公司針對含有H2S腐蝕性介質(zhì)的海底管線鋪設(shè)焊接施工，不僅要求海管鋪設(shè)采用全自動焊工藝，無銅襯墊也成為重要的強(qiáng)制技術(shù)條款，因此本文開發(fā)的X65級海管環(huán)縫無襯墊封底全自動焊工藝具有重要的工程實(shí)踐意義。

1 焊接工藝開發(fā)

管道環(huán)縫無襯墊封底的全自動焊接工藝關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)封底焊道的單面焊雙面成形，相比常規(guī)的帶銅襯墊封底焊接工藝，難點(diǎn)在于碳鋼液態(tài)鐵水黏度低，焊接過程中失去了銅襯墊的防燒穿保護(hù)及強(qiáng)制冷卻作用，需綜合設(shè)計坡口鈍邊及R角過渡、熔池液態(tài)金屬重力與液體表面張力的平衡點(diǎn)以及焊接熱量參數(shù)，避免燒穿、未焊透、內(nèi)凹、焊縫成形凸起等焊接缺陷的產(chǎn)生。

1.1 焊接設(shè)備及工藝選型

無銅襯墊封底焊接設(shè)備采用SERIMAX公司AUTO GMAW全自動設(shè)備，如圖1所示，STT（Surface Tension Transfer）焊接工藝，Lincoln STT電源能自動調(diào)節(jié)焊接電流和電弧電壓達(dá)到電弧所需的瞬時熱量，確保焊接電弧穩(wěn)定燃燒和有效控制焊縫成形。填充、蓋面焊接可采用技術(shù)成熟的Saturnax05全自動設(shè)備，熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）工藝。

圖 1 全自動焊設(shè)備Fig.1 Automatic welding equipment

1.2 焊接母材

綜合考慮含H2S酸性環(huán)境對材料影響，試驗(yàn)用母材選擇天津鋼管TPCO，標(biāo)準(zhǔn)API X65QO PSL2 SMLS，規(guī)格為OD.355.6 mm×W.T.17.5mm，其化學(xué)成分嚴(yán)格控制Ni、Mn、S、P等對硫化氫腐蝕開裂性能的有害元素，如表1所示。

表1 X65管材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of X65 pipe（wt.%）

材料硬度的提高會增加硫化物應(yīng)力腐蝕的敏感性，因此必須嚴(yán)格控制材料的硬度，試驗(yàn)?zāi)覆牡臋C(jī)械性能如表2所示。

表2 X65管材力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of X65 pipe

1.3 焊材的選擇

選用的焊接材料為AWS A5.18 ER70S-6等級，牌號SUPRA MIG。一是滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，適用“高強(qiáng)度匹配”原則；二是滿足抗SSC腐蝕性能材料選用要求，提高Si、Mn等裂紋阻止元素含量，確保wt（Ni）<1%、wt（Mo）<0.5%。焊材的化學(xué)成分如表3所示。

表3 焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical compositions of welding materials（wt.%）

1.4 焊接工藝參數(shù)

1.4.1 坡口形式設(shè)計

坡口形式采用U形窄間隙設(shè)計，如圖2所示。為適應(yīng)STT焊接工藝的焊接特性，采用1.4 mm鈍邊，保證焊接過程中的熔透要求；坡口單邊角度（B）設(shè)計為3.5°，單邊開口寬度（W）為3.6±0.1 mm，既有足夠的空間裕量保證導(dǎo)電嘴（焊絲）延伸至坡口底部，又減少焊炬擺動行程，有效減少側(cè)壁未熔合缺陷；管內(nèi)壁采用不加工內(nèi)倒角設(shè)計形式，可有效降低內(nèi)凹缺陷幾率。

圖2 坡口形式設(shè)計Fig.2 Groove design

1.4.2 焊接工藝參數(shù)

本文經(jīng)過大量的試驗(yàn)摸索確定的焊接工藝參數(shù)，其主要特點(diǎn)為：

（1）焊前預(yù)熱溫度為200 ℃，可以補(bǔ)償STT焊接工藝較低電弧能量情況下的電弧熔透及熔池熔覆能力，避免淬硬組織，有效降低焊接接頭硬度，但層間溫度應(yīng)嚴(yán)格控制不超過250 ℃。

（2）根據(jù)焊接系統(tǒng)和電源的特點(diǎn)，封底采用單焊炬單絲焊接，STT電弧模式，50% Ar+50% CO2混合氣體，氣體流量25 L/min。

（3）熱焊道同樣采用單焊炬單絲焊接，MAG電弧模式，控制焊接熱輸入，防止焊接燒穿；焊接保護(hù)氣體采用50% Ar+50% CO2，氣體流量50 L/min。

（4）填充及蓋面焊接均采用雙焊炬非共熔池同時焊接，MAG電弧模式，可有效提高焊接效率；焊接保護(hù)氣體采用50% Ar+50% CO2，氣體流量50 L/min。

（5）焊接電流、電壓、送絲速度及焊接速度之間相互匹配，保證根部焊道成形良好，有效避免未焊透、未熔合及氣孔等缺陷的產(chǎn)生。

（6）測量焊道溫度低于200 ℃時采用水冷使其加速冷卻，該溫度下無脆性馬氏體組織轉(zhuǎn)變，能有效防止焊縫硬度增加，并提高AUT檢測效率。

最終確定的焊接工藝參數(shù)如表4所示。

表4 焊接工藝參數(shù)Table 4 Welding process parameters

1.5 焊后無損檢驗(yàn)

焊接完成48 h后，對焊接件進(jìn)行射線RT、手工超聲MUT、磁粉MPI以及自動超聲AUT檢驗(yàn)，環(huán)縫焊接質(zhì)量滿足DNV OS F101標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

2 焊接接頭性能測試

根據(jù)焊接規(guī)格書及DNV OS F101（2013）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求對焊縫進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，包括：橫向拉伸試驗(yàn)、全焊縫拉伸試驗(yàn)（執(zhí)行DNV OS F101附錄B.B300章節(jié)要求及ISO 6892）、彎曲試驗(yàn)（執(zhí)行ASTM A370及ISO 5173要求）、沖擊試驗(yàn)（執(zhí)行ASTMA370及ISO 148-1要求）、硬度和焊縫宏觀試驗(yàn)（執(zhí)行DNV OS F101附錄B.B1000章節(jié)要求及ISO 6507-1），所有力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求，具體數(shù)據(jù)見表5～表8。焊縫截面宏觀形貌如圖3所示。其中硬度最大值為237 HV5（見圖4），低于NACE 0175腐蝕規(guī)范對材料的硬度要求（小于250 HV10），硬度作為焊縫SSC性能的最重要指標(biāo)，為焊接接頭的SCC試驗(yàn)提供了保障。

表5 橫向拉伸試驗(yàn)Table 5 Cross weld tensile test

表6 全焊縫拉伸試驗(yàn)Table 6 Cross weld tensile test

表7 側(cè)彎試驗(yàn)Table 7 Side bend test

表8 夏比沖擊試驗(yàn)（-20 ℃）Table 8 Charp V-notch impact test（-20 ℃）

圖3 截面宏觀形貌Fig.3 Macro test

圖4 硬度測試結(jié)果Fig.4 Hardness test result

3 焊縫耐硫致開裂（SSC）腐蝕性能

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0177四點(diǎn)彎曲方法，評定焊接工藝的抗H2S腐蝕性能［3］。

試樣的彎曲應(yīng)力加載為80%的母材屈服強(qiáng)度實(shí)際測量值，采用應(yīng)變片監(jiān)測應(yīng)力加載：

ε=σ/E

式中ε為應(yīng)變（με）；σ為加載應(yīng)力（屈服強(qiáng)度的80%）；E為彈性模量（206 GPa）。

SSC實(shí)驗(yàn)裝置示意如圖5所示。實(shí)驗(yàn)選用的腐蝕介質(zhì)為5% NaCl+0.5% CH3COOH+蒸餾水。實(shí)驗(yàn)前，以100 mL/min的速度向腐蝕介質(zhì)通N21 h；隨后，通入H2S氣體至飽和，實(shí)驗(yàn)開始。周期為30天，每周定時向腐蝕介質(zhì)補(bǔ)充H2S。實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測的H2S濃度為4 087～4 413 ppm，pH值為2.73～3.18。

圖5 SSC試驗(yàn)Fig.5 Sulfur induced stress cracking test

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，以平焊根部試驗(yàn)為例，取出試樣，清洗銹跡，進(jìn)行宏觀（見圖6）和磁粉檢測（見圖7）后目測無表面裂紋產(chǎn)生，并用金相組織顯微鏡觀察中部和根部試樣焊縫、熱影響區(qū)、母材的顯微組織，如圖8所示，無埋藏裂紋產(chǎn)生。

圖6 試樣清洗后宏觀檢測Fig.6 Macro test of samples after washing

圖7 試樣磁粉檢測Fig.7 MPI test of samples

圖8 試樣剖面微觀檢測Fig.8 Microcosmic test of samples profile

按照上述試驗(yàn)流程，在焊縫平焊、立焊、仰焊三個焊接位置的根部及中間位置進(jìn)行了全面的取樣測試，18個試樣在試驗(yàn)后全部合格，這表明采用本文開發(fā)的焊接工藝所得接頭具有較好的耐H2S應(yīng)力腐蝕性能。

4 結(jié)論

本文重點(diǎn)介紹了一種X65強(qiáng)度等級海管的無襯墊全自動焊接技術(shù)，主要結(jié)論如下：

（1）采用全自動STT焊接設(shè)備及全自動GMAW焊接設(shè)備，成功開發(fā)適用于API 5L X65海管對接環(huán)縫焊接的無襯墊封底全自動焊接工藝，理化性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果均滿足DNV OS F101（2013）標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）SSC試驗(yàn)結(jié)果表明焊接接頭試樣沒有發(fā)生明顯的硫致開裂，滿足NACE 0177規(guī)范要求。開發(fā)的焊接工藝海管焊接接頭具有很好的耐硫致應(yīng)力開裂性能，可應(yīng)用于H2S酸性腐蝕服役環(huán)境。

（3）STT表面張力過渡焊接技術(shù)可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，焊接熱輸入小，飛濺極少，可以使焊縫金屬與母材圓滑過渡，是無襯墊封底焊接技術(shù)的一種可靠選擇；目前國內(nèi)相關(guān)全自動焊接設(shè)備及配套工藝尚待解決。