執(zhí)行俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)的K60 管線管JCO 焊接工藝實(shí)踐

尚才眾，鄭麗華，賈云剛，吳建國(guó)

（河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州 061300）

2014 年河北海乾威鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱河北海乾威）承接了哈薩克斯坦的管線管訂單，鋼級(jí)為K60，執(zhí)行俄羅斯ГОСТ 20295—1985《用于石油天然氣的焊接鋼管》標(biāo)準(zhǔn)，鋼管規(guī)格Φ820 mm×12 mm×12 000 mm（簡(jiǎn)稱俄標(biāo)K60 鋼管）。合同約定按照技術(shù)條件和元素含量限值生產(chǎn)焊管，要求碳當(dāng)量Ceq≤0.46%。

俄標(biāo)K60 鋼管用于哈薩克斯坦—俄羅斯國(guó)際天然氣管線，其合金含量低、性能要求高，屬于低成本管線鋼管。管線設(shè)計(jì)方為提高管道的輸送效率，要求采用較高的輸送壓力。此外，中亞地區(qū)遠(yuǎn)距離輸氣管線，隨著地理環(huán)境、季節(jié)的變化及溫度的起伏，使得管線材料的機(jī)械性能特別是韌性變化劇烈。因此，制造俄標(biāo)K60 鋼管，原料的選擇和焊接工藝的制定顯得尤其重要。

1 俄標(biāo)K60 鋼管的焊接性分析

為實(shí)現(xiàn)俄標(biāo)K60 鋼管的國(guó)產(chǎn)化，河北海乾威選擇秦皇島首秦金屬材料有限公司（簡(jiǎn)稱首秦公司）作為鋼板供應(yīng)商。其鋼板添加了適量的Cr 元素以及微量的Ni、Nb 元素，成分設(shè)計(jì)以低C-Mn-Si-Cr處理為體系，使K60 管線鋼更強(qiáng)韌化。

1.1 Mn 元素對(duì)焊縫性能的影響

K60 管線鋼是以Mn 作為主要合金元素調(diào)整鋼質(zhì)性能的。Mn 是奧氏體穩(wěn)定元素，在降低γ-α 相變溫度方面起著舉足輕重的作用［1］，進(jìn)而細(xì)化鐵素體晶粒。焊縫中增加Mn 可以減少先共析鐵素體（PF）和層狀組分的數(shù)量，使針狀鐵素體（AF）顯著增加，彌補(bǔ)低碳造成的強(qiáng)度下降。由文獻(xiàn)［2］可知：w（Mn）=1.5%時(shí)，焊態(tài)和消除應(yīng)力狀態(tài)下焊縫的沖擊韌性最好。

1.2 Cr、Nb 元素對(duì)焊縫性能的影響

Cr 是強(qiáng)碳化物形成元素，能夠顯著提高K60管線鋼的強(qiáng)度和硬度，降低其塑性和韌性。在含Mn 的K60 管線鋼焊縫中添加0.24%的Cr 元素，可以減少焊縫PF，增加AF 的比例。

Nb 是現(xiàn)代微合金化管線鋼中最主要的元素之一，可以形成碳化物和氮化物的析出物，對(duì)細(xì)化晶粒、提高鋼材的強(qiáng)度和韌性作用明顯。

1.3 Al 元素對(duì)焊縫性能的影響

Al 主要是用來脫氧、脫氮和細(xì)化晶粒，有利于AF 形核。圖1 所示為Al 含量對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響。從圖1 可以看出：Al 含量增加對(duì)焊縫金屬?gòu)?qiáng)度影響不大，呈非線性增加；Al 的加入可能導(dǎo)致焊縫金屬韌性的惡化。當(dāng)w（Al）=0 時(shí)焊縫的韌性最佳；K60 管線鋼的w（Al）=0.03%時(shí)，其焊縫的韌性和強(qiáng)度均處在相對(duì)較高的水平。

圖1 Al 含量對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度的影響

合金元素Al、Cr、Ni、Nb 可以與焊接熔池中的O、S、P、N 結(jié)合，使焊縫金屬凝固生成氧化物、硫化物、氮化物及其復(fù)合物等夾雜物。這些夾雜物在焊縫固態(tài)相變過程中充當(dāng)了AF 的核心，促進(jìn)高比例AF 的形成［3］。

1.4 K60 管線鋼碳當(dāng)量計(jì)算

根據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（IIW）推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式［4］：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%），可計(jì)算出首秦公司生產(chǎn)的俄標(biāo)K60 管線鋼的碳當(dāng)量為0.378%，滿足合同約定的Ceq≤0.46%要求。

經(jīng)過相關(guān)冷裂紋和熱裂紋指數(shù)計(jì)算，俄標(biāo)K60管線鋼的淬硬性和熱裂紋傾向小、可焊性能良好，不需要預(yù)熱和后熱（即焊后的緊急熱處理——保溫或緩冷）［5］。

2 焊接評(píng)定試驗(yàn)

2.1 焊材的遴選

2.1.1 原 則

管線鋼管的焊接既要滿足強(qiáng)度要求又要保證焊縫和過熱區(qū)的低溫韌性。焊縫金屬的缺口韌性受母材、焊材、焊接方法和焊接條件的影響。鑒于俄標(biāo)K60 鋼管的經(jīng)濟(jì)性要求，在保證焊縫金屬的強(qiáng)度、塑性和韌性達(dá)到產(chǎn)品技術(shù)要求［6］的前提下，性價(jià)比突出是俄標(biāo)K60 鋼管焊材選擇的原則。河北海乾威根據(jù)多年來生產(chǎn)各種管線鋼管的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)俄標(biāo)K60 鋼管的特性，選擇四川大西洋牌CHW-S3（H10Mn2）埋弧焊絲和CHF102（SJ102）氟堿性低氫燒結(jié)焊劑。CHW-S3/CHF102 組合具有優(yōu)良的焊接工藝性能，脫渣容易，抗氣孔能力強(qiáng)，焊縫金屬具有較高的強(qiáng)度和良好的低溫韌性。

2.1.2 焊劑堿度

焊劑堿度是表征焊劑熔渣冶金特性的量。文獻(xiàn)［7］指出，焊劑堿度值的提高，有利于AF 形核，促進(jìn)AF 在焊縫金屬中的形成。

2.1.3 Mn、Si 含量

在C-Mn-Si 系合金中，焊縫金屬中Mn/Si 比的不同對(duì)焊縫金屬性能的影響不同。埋弧焊特別是多絲埋弧焊屬于高熱輸入焊接方法，會(huì)導(dǎo)致焊縫組織粗大從而降低韌性。選擇焊材時(shí)應(yīng)注意調(diào)配焊縫金屬中的Mn、Si 含量，使Mn/Si 比保持在4~8 時(shí)，能夠得到更多的AF［8-9］。經(jīng)計(jì)算可知：俄標(biāo)K60 鋼管焊縫中的Mn/Si 比處于合理狀態(tài)。

俄標(biāo)K60 鋼管選用焊材的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1。

2.2 焊接坡口設(shè)計(jì)

根據(jù)俄標(biāo)K60 鋼管的低溫要求，焊接時(shí)需控制焊接線能量，設(shè)計(jì)出易于低熱輸入且符合生產(chǎn)線自身坡口制備方法的坡口形式特別重要［10］。圖2 所示為Φ820 mm×12 mm 俄標(biāo)K60 鋼管的坡口設(shè)計(jì)：鈍邊高度B 為4 mm，外坡口深度A 為4.5 mm，內(nèi)坡口高度C 為3.5 mm，外坡口角度2e 為80°，內(nèi)坡口角度2α 為110°。鈍邊高度4 mm 安全適中，熔深減小，有利于控制焊接熱輸入；外坡口高度4.5 mm、角度80°，JCO 三絲埋弧焊接速度可以在1.5 m/min 高速運(yùn)行，焊縫余高2.0~2.5 mm，焊接穩(wěn)定高效，焊縫成型美觀；內(nèi)坡口高度3.5 mm、角度110°，為增加內(nèi)焊縫的容量，加大內(nèi)坡口角度是唯一選擇，三絲埋弧內(nèi)焊接車運(yùn)行速度可以達(dá)到1.6 m/min，焊縫余高2.0 mm。

表1 俄標(biāo)K60 鋼管選用焊材的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和力學(xué)性能

圖2 Φ820 mm×12 mm 俄標(biāo)K60 鋼管坡口設(shè)計(jì)示意

2.3 焊接方法和焊接能量參數(shù)

2.3.1 焊接方法

俄標(biāo)K60 鋼管在JCO 生產(chǎn)線上的焊接方法是雙面三絲自動(dòng)埋弧內(nèi)外焊接，其外焊接如圖3 所示。采用美國(guó)Lincoln 焊機(jī)（電源組合方式DC+AC+AC，直流1 500 A，交流1 200 A），直流DC 電極采用反接法，傾角-8°；交流AC1 傾角5°，AC2 傾角18°；焊絲間距18 mm，焊絲干長(zhǎng)度27 mm。

2.3.2 焊接熱輸入和AF 的關(guān)系

焊縫組織與韌性有著密切的關(guān)系，在焊縫中存在著高比例的AF 組織時(shí)，其韌性較好［9］。AF 晶粒細(xì)小，相鄰AF 間的方位差為大傾角，當(dāng)裂紋沿AF 擴(kuò)展時(shí)，斷裂路徑曲折，擴(kuò)展需要較大的能量。AF 晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度達(dá)到1.2×1010根/cm2左右［8］，對(duì)裂紋的擴(kuò)展具有阻礙吸收作用。提高AF 的比例，對(duì)焊縫金屬既有韌化、又有強(qiáng)化的作用。

圖3 俄標(biāo)K60 鋼管雙面三絲自動(dòng)埋弧外焊接示意

焊縫金屬的組織狀態(tài)，受焊縫的化學(xué)成分和冷卻條件影響［11］，冷卻條件取決于焊接熱輸入。圖4所示為不同焊接熱輸入條件下焊縫金屬的金相組織。隨著焊接熱輸入的提高，焊縫金屬組織發(fā)生了有規(guī)律的變化：熱輸入量為25.25 kJ/cm 時(shí)，AF 達(dá)到最大值，PF 變化不大、側(cè)板條狀鐵素體FSP 和珠光體P 含量迅速減少，此時(shí)焊縫表現(xiàn)出較好的韌性水平（表2）。對(duì)于俄標(biāo)K60 鋼管來說，焊接熱輸入的合理選擇、適量控制是重要的工藝手段。

2.3.3 焊接能量參數(shù)

表2 所示為焊接熱輸入與AF 的關(guān)系是在JCO生產(chǎn)線上做的焊接工藝試驗(yàn)，根據(jù)這組數(shù)據(jù)，確定了俄標(biāo)K60 鋼管實(shí)際生產(chǎn)的焊接能量參數(shù)，具體見表3。

2.3.4 檢驗(yàn)結(jié)果

按照合同約定執(zhí)行俄羅斯ГОСТ 20295—1985標(biāo)準(zhǔn)，并參考API Spec 5L—2013《管線鋼規(guī)范》（45 版）PSL2 等級(jí)進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目檢驗(yàn)。

（1） 按ASTM E 94—2004《X 射線檢查指南》，ASTM E 2698—2010《使用數(shù)字檢測(cè)器陣列的放射學(xué)檢查規(guī)程》或ASTM E 2033—1999《計(jì)算機(jī)輻射（光刺激照明法）實(shí)施規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行X 射線檢驗(yàn)，評(píng)定等級(jí)為Ⅰ級(jí)。

圖4 不同焊接熱輸入條件下焊縫金屬的金相組織

表2 熱輸入量與焊縫金屬組織組分的關(guān)系（體積分?jǐn)?shù)）

（2） 按ASTM A 370—2010《鋼制品力學(xué)性能試驗(yàn)方法和定義》標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度為629 MPa。在-40 ℃下焊縫的沖擊功單個(gè)值分別為52，57，84 J；熱影響區(qū)的沖擊功單個(gè)值分別為95，70，102 J。彎曲180°，冷彎試驗(yàn)全部合格。

表3 俄標(biāo)K60 鋼管焊接能量參數(shù)

（3） 按ASTM A 370—2010 或ASTM E 110—2010《用便攜式硬度測(cè)試器測(cè)定金屬材料壓痕硬度的試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)硬度（HV10），母材的平均值為158 HV10，熱影響區(qū)的平均值為199 HV10 、焊縫的平均值為175 HV10。

（4） 屈強(qiáng)比為0.77。屈強(qiáng)比既可以作為管道材料性能參數(shù)，也可以作為管道安全性的表征［12］。屈強(qiáng)比越小，材料的變形能力越大，強(qiáng)度裕度越大；屈強(qiáng)比越大，材料屈服后的塑性范圍越小，越容易產(chǎn)生斷裂破壞。

俄標(biāo)K60 鋼管的化學(xué)成分及力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果見表4~5。

2.3.5 組織分析

圖5 所示為俄標(biāo)K60 鋼管的金相組織。俄標(biāo)K60 鋼管母材組織為典型的AF、無帶狀組織，呈精密結(jié)構(gòu)特征，晶粒度在10 級(jí)以上（圖5a）。焊縫中心組織以AF 為主，PF、FSP 層狀分布，焊縫金屬具備高的韌性和強(qiáng)度，AF 周圍顏色呈深色或黑色，主要是碳化物析出所致（圖5b）。熔合線附近母材存在熱影響過熱區(qū)組織，AF 和少量P、FSP 增多（圖5c~d）。受焊接熱循環(huán)的影響，粗晶區(qū)晶粒尺寸明顯長(zhǎng)大，AF 減少，PF 增多（圖5e）；臨界區(qū)未能溶于奧氏體的鐵素體晶粒成長(zhǎng)，組織輕微不均勻（圖5f）。

3 結(jié) 論

（1） 使用國(guó)產(chǎn)鋼板和焊材，完全可以滿足俄標(biāo)K60 天然氣管線鋼管的生產(chǎn)需要。

（2） 選用堿度值較高的焊劑，注意調(diào)配焊縫金屬的Mn、Si 含量。

（3） 俄標(biāo)K60 管線鋼焊接時(shí)，隨焊接熱輸入的增加，F(xiàn)SP 和P 減少，AF 的含量呈先增后減的趨勢(shì)。

（4） 焊接坡口對(duì)焊接能量參數(shù)和焊接效率有重要影響。

表4 俄標(biāo)K60 鋼管母材和焊縫的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表5 俄標(biāo)K60 鋼管母材的力學(xué)性能

圖5 俄標(biāo)K60 鋼管的金相組織

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