X65、X70高強管線鋼焊接性及焊口返修工藝分析

單世東

中國石油管道建設(shè)項目經(jīng)理部甘肅分部，甘肅 蘭州 730000

管道輸送是石油天然氣最經(jīng)濟、最合理的運輸方式。隨著石油工業(yè)的發(fā)展，油氣長輸送管線趨向大口徑、高壓力輸送。油氣資源已逐漸分布在環(huán)境惡劣的偏遠地區(qū)，管道敷設(shè)跨越的區(qū)域多（西氣東輸和西部原油成品油管道工程），環(huán)境條件惡劣，地質(zhì)復(fù)雜，因此高壓輸送或嚴酷的環(huán)境對管線管發(fā)展趨勢、服役條件、失效形式及原因的綜合評價，得出對管線管的主要性能要求是高得強度和韌性、良好的可焊性和耐腐蝕性。尤以高韌性為重點和難點，在施工過程中控制好焊接和焊接返修的質(zhì)量是安裝工作的重點。

1 X65、X70管線鋼焊接性分析

可焊性是指鋼材在一定的焊接工藝條件下獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。鋼材的可焊性一般用兩種判斷指標：一是影響可焊性的許多合金元素，其中以碳的影響最為明顯，故以碳當量來判別可焊性的優(yōu)劣，一般鋼材的碳當量為0.35～0.42。X60以上的鋼材也可用冷裂紋敏感系數(shù)戶cm來判別，輸油管線的戶≤0.20～0.25，一般的為≤0.25；輸氣管線的為≤0.20。二是熱影響區(qū)的硬度，它是衡量可焊性的另一指標。碳當量越高，冷速越快，熱影響區(qū)的硬度越高，從800℃～300℃的冷速影響熱影響區(qū)的顯微組織；冷速加大會使熱影響區(qū)的硬度增加，組織變脆；從300℃～100℃的冷速影響焊接金屬中氫的擴散會降低熱影響區(qū)的韌性和增加對裂紋的敏感性。一般焊縫與熱影響區(qū)金屬的宏觀硬度不能超過HRC22。

管線鋼碳當量:Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/15+Cr/5+Mo/4+(V/14)*%

管線鋼冷裂紋敏感系數(shù)戶:

cm =C+Mn/20+Si/30+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+δ/600

X65及X70鋼管材的化學(xué)成分分別見表1、表2：

表1 X65鋼管材的化學(xué)成分（%）

表2 X70鋼管材的化學(xué)成分（%）

通過計算可知X65和X70的Ceq分別為0.35、0.36。cm為0.187、0.163。

隨著X65、X70管線鋼碳當量的降低，焊接氫致裂紋敏感性的降低，為避免產(chǎn)生裂紋所需要工藝措施的減少，降低了焊接熱影響區(qū)的性能損害程度。但是由于焊接時管線鋼經(jīng)歷了復(fù)雜的非平衡的物理化學(xué)過程，故可能在焊接區(qū)造成缺陷，或使接頭性能降低，主要還是焊接裂紋和焊接熱影響區(qū)的脆化問題。由于管線鋼低的含碳量，使其淬硬傾向及冷裂紋傾向大大降低。但隨著強度級別的提高和板厚的增加，仍使其具有一定的冷裂紋傾向。現(xiàn)場焊接時由于常采用自保護藥芯焊絲、纖維素焊條等含氫量高的焊材，冷速快，線能量小，會增加冷裂紋的敏感性，需采取必要的加工措施。熱影響區(qū)脆化通常就是造成管線發(fā)生斷裂，誘發(fā)災(zāi)難性事故的誘因。熱影響區(qū)粗晶區(qū)的脆化是由于過熱區(qū)的晶粒過分長大和形成的不良組織而引起的，多層焊時粗晶區(qū)再臨界脆化是前焊道的粗晶區(qū)受后續(xù)焊道的兩相區(qū)的再次加熱而引起的。

2 焊口返修工藝

2.1 焊前準備

2.1.1 焊接設(shè)備

選用150型博世角磨光機、ZXT-400ST焊機、砂輪片Ф150×3mm可根據(jù)管徑大小選用直徑適合的砂輪片。

2.1.2 焊條的選擇

X65、X70鋼壓力管道焊口的返修，選用林肯5P+，型號AWS，E6010的纖維素焊條打底和牌號CHE507、型號E5015的低氫型焊條填蓋，直徑均為3.2mm。E6010一般不需烘烤，如果受潮需80℃以下進行烘烤，保溫時間1小時；E5010是低氫型向上焊條，使用前需350℃烘烤，保溫1小時。

2.1.3 確定合理的修補位置

返修位置的確定在焊口返修中非常重要，應(yīng)根據(jù)檢測結(jié)果確定，返修位置的準確認定利于減少打磨時間，提高返修成功率及降低焊口修復(fù)成本。

2.2 焊接工藝：

2.2.1 坡口的尺寸設(shè)計

根據(jù)對X65、X70鋼焊口返修時實踐操作經(jīng)驗及探索，坡口角度為60°～65°，保證Ф3.2mm的打底焊條能合理運作，間隙為2.5mm～3mm， 不留鈍邊。其坡口形式見圖1。

圖1 坡口形式

若坡口角度過大會增加熔敷金屬和增加熱輸入量，對焊縫的組織結(jié)構(gòu)有明顯影響。若間隙較大易造成根焊熔孔過大，內(nèi)部成型差。

2.2.2 施焊環(huán)境要求

當環(huán)境溫度小于10℃時，應(yīng)對焊縫區(qū)域進行保溫覆蓋，以防止焊縫冷卻速度過快；

環(huán)境濕度：小于90%RH；

焊接環(huán)境風(fēng)速：小于5m/s。

2.2.3 返修分非全壁厚返修和全壁厚返修

1） 全壁厚返修

（1）接頭設(shè)計及焊接材料

圖2 接頭設(shè)計

表3 焊接材料

（2）焊前準備

管位置：水平固定（5G）；

預(yù)熱溫度：≥100℃；

加熱方法：環(huán)形火焰加熱；

預(yù)熱位置：對整個環(huán)焊接頭進行預(yù)熱；

最小返修長度：50mm；

最大返修長度：350mm；

焊接電源：下降特性直流電源（DC-400）。

（3）工藝要求

焊接方法：焊條電弧焊；

焊接方向：上向，每層焊工： 1名；

層間溫度：≥80℃，焊后熱處理： 無；

焊條烘干：按廠家要求執(zhí)行；

根焊與填充焊時間間隔：不大于5min；

加熱溫度上限：因施工條件不同，加熱溫度的上限不得超過管體防腐層所允許的容限溫度；且〈165℃。

其它：

①返修焊的起點和終點不應(yīng)與原始焊縫的起點與終點相重疊；

②同一部位焊縫的返修不允許超過兩次。

（4）施工措施

去除缺陷方法：動力角向砂輪機；

層間清理工具：動力角向砂輪機及鋼絲刷；

焊縫余高：余高超過2mm時，應(yīng)進行打磨，打磨后應(yīng)與母材圓滑過渡，但不得傷及母材；

層間清理及其它：返修焊前須徹底清除缺陷，并仔細檢查焊縫焊接接頭必須打磨，清理干凈焊道表面后方可進行下一層焊接。

2） 非全壁厚返修

圖3 接頭設(shè)計

（1）焊接材料

標準號 ： GB5118，E5015 ；

牌號：大西洋，CHE 507GX，Ф3.2；

（2）焊前準備

管 位 置 ：水平固定（5G）；

預(yù)熱溫度：≥100℃；

加熱方法：環(huán)形火焰加熱；

預(yù)熱位置：對整個環(huán)焊接頭進行預(yù)熱；

最小返修長度：50mm；

最大返修長度：350mm；

焊接電源：下降特性直流電源（DC-400）。

（3）工藝要求

焊接方法：焊條電弧焊；

焊接方向：上向，每層焊工： 1名；

層間溫度：≥80℃，焊后熱處理： 無；

焊條烘干：按廠家要求執(zhí)行；

根焊與填充焊時間間隔：不大于5min；

加熱溫度上限：因施工條件不同，加熱溫度的上限不得超過管體防腐層所允許的容限溫度；且〈165℃。

其它：

①返修焊的起點和終點不應(yīng)與原始焊縫的起點與終點相重疊

②同一部位焊縫的返修不允許超過兩次

（4）施工措施

去除缺陷方法：動力角向砂輪機；

層間清理工具：動力角向砂輪機及鋼絲刷；

焊縫余高：余高超過2mm時，應(yīng)進行打磨，打磨后應(yīng)與母材圓滑過渡，但不得傷及母材；

層間清理及其它：返修焊前須徹底清除缺陷，并仔細檢查焊縫，焊接接頭必須打磨，清理干凈焊道表面后方可進行下一層焊接。

表4 焊接規(guī)范

2.2.4 焊縫的焊接與打磨

對于X65、X70強度偏高的管道，若返修的焊口較長，應(yīng)采取分段打磨和焊接。每段長度應(yīng)控制在100mm的范圍內(nèi)，返修長度大于100mm時需分段打磨穿后分段焊接。焊縫過長，一次性打磨穿補焊極易形成冷裂紋，補焊時焊口由于受熱不均而產(chǎn)生應(yīng)力集中，故應(yīng)打磨一段補焊一段，多層多道，使焊縫組織結(jié)構(gòu)細化，在100mm～200mm范圍內(nèi)應(yīng)分兩段打磨焊接；如果補焊的長度大于300mm時，應(yīng)先打磨修補中段（即下圖4中B段），在分別打磨修補兩端（即圖4中A、C段）：段，同時應(yīng)注意層間溫度，使坡口兩側(cè)溫度均勻且不低于100℃。

圖4 焊道返修示意圖

在B段打底之后，焊道厚度及強度不夠，必須用E5015在B段填充2遍～3遍之后，再進行A與C段的打磨焊接。為保證焊接質(zhì)量，在打磨時應(yīng)將坡口兩側(cè)各50mm范圍內(nèi)清理干凈，并露出金屬光澤，打磨穿之后把內(nèi)部的卷邊清理干凈。焊接前需對整個焊道均勻預(yù)熱，預(yù)熱溫度應(yīng)在120℃左右。

3 操作技術(shù)要點

3.1 打底焊

為保證打底的成型和不產(chǎn)生新缺陷，焊條應(yīng)與管道焊接處切線方向成85°～90°角，若熔孔較大，角度應(yīng)向后減小，焊速向前加快；若熔孔較小，增加焊條角度，減緩運條的速度；焊條與管道軸向應(yīng)保持垂直，否則熔池缺水會偏向一邊。運條中必須壓縮電弧，鐵水往熔池背面送才可保證根部不內(nèi)凹。無論熔孔大小，運條時焊條需作月牙形擺動才能保證坡口兩側(cè)均勻熔合，無內(nèi)咬邊。

3.2 填充和蓋面焊

圖5 填蓋時焊條的運動示意圖

蓋面和填充都是用E5015堿性低氫型向上焊焊條，為保證返修質(zhì)量，在填充蓋面時宜采用短弧焊接。填充時電流取上限值，一次填充厚度不能過厚，應(yīng)多層多道，同時要注意填充焊道與坡口的夾角，夾角過深應(yīng)打磨清渣，避免產(chǎn)生夾渣，填充時焊條的運動見圖5。蓋面時焊條的運條應(yīng)采取向上作月牙形狀運動（如圖5），熔池保持橢圓狀利于控制熔池溫度和形狀，同時焊縫表面不易咬邊，且成形圓滑過度美觀，焊縫余高應(yīng)控制在0mm～1.59mm內(nèi)。

[1]方洪淵.焊接結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008，5.

[2]李紅衛(wèi)，彭云，何長紅，等.X60鋼級管線鋼焊接熱影響區(qū)的熱模擬研究[J].鋼管，2008，3.

[3]劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007，3.