高含硫氣田集輸管道用鋼L360QS的焊接工藝評(píng)定

程志云

（四川川化永鑫建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川成都 610301）

四川川化永鑫建設(shè)工程有限責(zé)任公司承擔(dān)的某高含硫氣田原料氣集輸管道焊接項(xiàng)目，其管道材料主要是 L360QS，規(guī)格為 φ114mm×17.5 mm，管道材料由業(yè)主提供，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際條件，我公司決定采用氬電聯(lián)焊的焊接方法。焊接材料的選擇，除了要滿足力學(xué)性能要求外，還要滿足抗氫致誘導(dǎo)開裂試驗(yàn)HIC和抗硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)SSC的要求；焊接工藝評(píng)定過程中嚴(yán)格按照 《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》 （NB／T 47014—2011）以及業(yè)主附加要求進(jìn)行，試件焊接完成后，先后對(duì)試件進(jìn)行了外觀檢查、射線檢測(cè)、熱處理、硬度檢測(cè)、刻槽錘斷試驗(yàn)、理化檢測(cè)、宏觀和微觀金相檢測(cè)、熔敷金屬的化學(xué)成分檢測(cè)、HIC試驗(yàn)和SSC試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求。

1 焊接性分析和焊接試驗(yàn)要求

1.1 焊接性分析

L360QS管材按照 《石油和天然氣工業(yè)管道運(yùn)輸系統(tǒng)用鋼管》（ISO3183—2007）進(jìn)行制造和驗(yàn)收，其廣泛應(yīng)用于高含硫氣田原料氣集輸管道工程中，具有強(qiáng)度高、韌性好、抗脆斷以及抗氫致誘導(dǎo)開裂和抗硫化物應(yīng)力開裂的特點(diǎn)。L360QS管道雜質(zhì)元素含量控制得非常嚴(yán)格，尤其是S、P等有害元素含量非常低，因此其熱裂紋傾向??；此外，按照國際焊接學(xué)會(huì) （IIW）的碳當(dāng)量 （CE）計(jì)算公式計(jì)算得知，L360QS的碳當(dāng)量也較低，冷裂紋的傾向也比較小，具有較好的焊接性。

1.2 對(duì)接焊接試驗(yàn)要求

（1）L360QS試件外觀無肉眼可見的缺陷，按照ISO3183—2007進(jìn)行制造和驗(yàn)收。L360QS的化學(xué)成分如下：C0.140%、Mn1.650%、S0.003%、P0.018%、Cr0.300%、Ni0.003%、Mo0.150%、Al0.060%、Si0.450%、V0.050%、Nb0.025%、Cu0.350%、Ti0.025%、Ca0.006%、B0.0005%、N0.012%。L360QS的力學(xué)性能 （實(shí)測(cè)值）如下：拉伸強(qiáng)度534.4MPa（標(biāo)準(zhǔn)值460～760 MPa）、屈服強(qiáng)度429.7MPa（標(biāo)準(zhǔn)值360～530 MPa）、伸長率41.2% （標(biāo)準(zhǔn)值26.5%）；沖擊試驗(yàn)溫度為－10℃，3次沖擊吸收能量 （KV2）分別為 394.4J、395.2J、381.3J。L360QS試件的化學(xué)成分和力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）L360QS試件施焊前徹底去除坡口表面的氧化層、水分、有機(jī)物等，并且按照 《承壓設(shè)備無損檢測(cè)》（NB／T47013—2015）的要求進(jìn)行無損檢測(cè)。

（3）本次焊接工藝評(píng)定采用氬電聯(lián)焊的方法進(jìn)行試驗(yàn)，焊接材料需選用低氫和超低氫焊條，焊絲需控制擴(kuò)散氫含量，焊條需控制擴(kuò)散氫含量和藥皮含水量。

（4）焊接材料嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行烘干，防止有害元素對(duì)焊接質(zhì)量的影響，且焊接材料也需滿足HIC試驗(yàn)和SSC試驗(yàn)的要求。

（5）焊接人員及無損檢測(cè)人員必須持證上崗，焊接設(shè)備必須檢測(cè)合格。

（6）準(zhǔn)備好其他必要的預(yù)熱工裝、測(cè)溫設(shè)備、熱處理設(shè)備等。

（7）本次焊接工藝評(píng)定按照NB／T47014—2011以及業(yè)主附加要求進(jìn)行，即試件焊接完成后，先后對(duì)試件進(jìn)行外觀檢查、射線檢測(cè)、熱處理、硬度檢測(cè)、刻槽錘斷試驗(yàn)、理化檢測(cè)、宏觀和微觀金相檢測(cè)、熔敷金屬的化學(xué)成分檢測(cè)、HIC試驗(yàn)和SSC試驗(yàn)。

2 焊接工藝評(píng)定過程中關(guān)鍵點(diǎn)的控制

（1）焊條烘干溫度的控制。

（2）試件組對(duì)質(zhì)量的控制。

（3）預(yù)熱溫度和層間溫度的控制。

（4）試件打底層內(nèi)透質(zhì)量的控制。

（5）試件熱處理質(zhì)量的控制。

（6）HIC試驗(yàn)、SSC試驗(yàn)試件取樣質(zhì)量的控制。

3 L360QS管材對(duì)接焊接工藝試驗(yàn)

3.1 焊接試驗(yàn)前的準(zhǔn)備

（1）L360QS（所選管材規(guī)格為φ114mm×17.5mm）符合ISO3183—2007的要求；坡口加工后，按NB／T47013—2015進(jìn)行100%PT檢測(cè)，需Ⅰ級(jí)合格，坡口表面不允許有任何超標(biāo)缺陷。

（2）將試件坡口表面及兩側(cè)20mm內(nèi)的鐵銹、氧化層、油污和雜質(zhì)清理干凈。

（3）焊條J507SHA在焊前烘干，烘干溫度350～400℃，保溫2h。

3.2 施焊用焊接材料

結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況，采用氬弧焊打底手工電焊蓋面的工藝進(jìn)行焊接，焊絲牌號(hào)為HS08SHA，規(guī)格為 φ2.0mm；焊條牌號(hào)為J507SHA，規(guī)格為 φ3.2mm、φ4.0mm。焊絲、焊條敷熔金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 焊接工藝參數(shù)的選擇

結(jié)合對(duì)L360QS焊接性的分析，最終確定的焊接工藝參數(shù)如表1。

表1 L360QS試件焊接工藝參數(shù)

3.4 試件焊接及各項(xiàng)檢測(cè)

3.4.1 試件焊接及相關(guān)檢測(cè)

3.4.1.1 焊接坡口

為保證焊接質(zhì)量，試件坡口采用機(jī)械加工，焊接坡口如圖1所示。

圖1 焊接坡口示意圖

3.4.1.2 焊前預(yù)熱

為改善材料的焊接性能，克服溫度對(duì)焊接質(zhì)量的影響，有效防止焊接裂紋和氣孔的產(chǎn)生，參照 《壓力容器焊接規(guī)程》 （NB／T47015—2011）推薦的預(yù)熱溫度，選定預(yù)熱溫度≥50℃，并采用履帶式電加熱器加熱的方式。

3.4.1.3 焊 接

遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀測(cè)定預(yù)熱至要求溫度時(shí)，立即開始用HS08SHA焊絲焊接，氬弧焊打底層焊一層，焊接時(shí)控制好內(nèi)透，做到單面焊雙面成形；打底焊焊接完成、外觀檢查合格后，采用手工電弧焊填充和蓋面。

3.4.1.4 無損檢測(cè)

焊接完成后，打磨焊縫表面并按以下順序檢測(cè)：①表面宏觀檢查，要求無夾渣、氣孔和裂紋，余高厚度均勻；② 按照標(biāo)準(zhǔn)NB／T47013—2015對(duì)對(duì)接焊縫進(jìn)行100%RT檢測(cè)，無裂紋則視為合格。

3.4.1.5 熱處理

按照設(shè)計(jì)文件和相關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)試件進(jìn)行焊后熱處理，以改善焊接接頭組織，減小或消除焊接殘余應(yīng)力，從而降低試件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能性，保證管道焊接質(zhì)量。

試件外觀和無損檢測(cè)合格后，進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，其參數(shù)按NB／T47015—2011進(jìn)行選取，熱處理工藝曲線見圖2。

圖2 試件熱處理工藝曲線圖

3.4.1.6 硬度檢測(cè)

對(duì)焊接接頭試樣采用 《金屬材料維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》 （GB／T4340.1—2009）規(guī)定的維氏HV10進(jìn)行硬度測(cè)試，檢測(cè)部位示意見圖3，檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告見表2（測(cè)點(diǎn)編號(hào)對(duì)應(yīng)圖3中的序號(hào)）。檢驗(yàn)結(jié)論：焊接接頭硬度值符合HV＜250的技術(shù)要求。

圖3 焊接接頭檢測(cè)部位示意圖

表2 焊接接頭硬度檢測(cè)數(shù)據(jù)

3.4.2 焊接試件力學(xué)性能檢驗(yàn)

按NB／T47014—2011加工試樣并進(jìn)行以下檢驗(yàn)。

3.4.2.1 刻槽錘斷試驗(yàn)

刻槽錘斷試驗(yàn)按照 《石油天然氣金屬管道焊接工藝評(píng)定》（SY／T0452—2012）進(jìn)行，試件取樣方法和試驗(yàn)指標(biāo)需滿足SY／T0452—2012的要求，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

表3 刻槽錘斷試驗(yàn)結(jié)果

3.4.2.2 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)按照 《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB／T228.1—2010）進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表4。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.4.2.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)按照 《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》（GB／T2653—2008）進(jìn)行。在彎軸直徑40mm、支座間距63mm、彎曲角度180°的情況下，彎曲（側(cè)彎）試驗(yàn)的結(jié)論為：試件完好，彎曲試驗(yàn)合格。

3.4.2.4 沖擊試驗(yàn)

沖擊試驗(yàn)按照 《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》（GB／T229—2007）進(jìn)行。試驗(yàn)試樣的規(guī)格為10mm×10mm×55mm，其中，SMAW部位為5mm×10mm×55mm，GTAW部位為5 mm×10mm×55mm；沖擊試樣缺口經(jīng)投影儀檢查合格 （投影儀型號(hào) CST-C）；試驗(yàn)溫度 －30℃；沖擊能量300J。試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果 ［沖擊吸收能量 （KV2）］ J

3.4.2.5 焊縫金屬化學(xué)成分測(cè)定

在試件焊縫位置機(jī)加工取樣100g，對(duì)焊縫金屬進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定，結(jié)果為：C0.116%、Mn 1.161%、S0.0001%、P0.008%、Cr0.112%、Ni 0.009%、Mo0.019%、V0.009%、Cu0.014%、Si 0.252%?？梢钥闯?，焊縫金屬的化學(xué)成分滿足酸性環(huán)境條件下對(duì)碳鋼管道化學(xué)成分的要求。

3.4.2.6 金相檢測(cè)

按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接試件取樣并進(jìn)行宏觀檢查和微觀檢查，試樣焊縫、熱影響區(qū)和母材組織正常，未發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷和微觀缺陷，其金相檢測(cè)合格。

3.4.3 HIC試驗(yàn)和SSC試驗(yàn)

3.4.3.1 HIC試驗(yàn) （抗氫致誘導(dǎo)開裂試驗(yàn)）

送檢的L360QS鋼管對(duì)焊焊接接頭樣品采用《管線鋼和壓力容器鋼抗氫致開裂評(píng)定方法》（NACETM0284—2011）進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6。NACETM0284—2011中要求，HIC試驗(yàn)合格需滿足如下指標(biāo)：裂紋長度率 （CLR）≤10%，裂紋厚度率 （CTR）≤3%，裂紋敏感率（CSR）≤1%。由表6數(shù)據(jù)可得出結(jié)論：送檢的L360QS鋼管對(duì)焊焊接接頭試件HIC試驗(yàn)合格。

表6 HIC試驗(yàn)結(jié)果 %

3.4.3.2 SSC試驗(yàn) （抗硫化物應(yīng)力開裂試驗(yàn)）

送檢的L360QS鋼管對(duì)焊焊接接頭樣品采用《彎曲梁應(yīng)力腐蝕試樣制備與使用規(guī)程》［ASTM G39—1999（R2011）］四點(diǎn)彎曲法加載，根焊面受拉應(yīng)力，加載應(yīng)力85%Rt0.5，按照 《金屬抗硫化物應(yīng)力開裂和H2S環(huán)境中應(yīng)力腐蝕開裂的試驗(yàn)室試驗(yàn)》（NACETM0177—2005）試驗(yàn)方法 （A溶液）進(jìn)行SSC試驗(yàn)。試件經(jīng)720h試驗(yàn)，未發(fā)生應(yīng)力開裂，在10倍顯微鏡下觀察，試樣在受拉力面上無任何表面裂紋或開裂。結(jié)論：送檢的L360QS鋼管對(duì)焊焊接接頭SSC試驗(yàn)合格。

3.5 小 結(jié)

（1）L360QS具有良好的焊接性能，采用合適的焊接工藝，焊接接頭力學(xué)性能完全能夠滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（2）焊接過程中，特別是打底焊部位，一定要保證焊接質(zhì)量，嚴(yán)格控制咬邊、未熔合、未焊透等缺陷尤為重要。

（3）實(shí)際施工過程中熱處理工藝嚴(yán)格按照焊接工藝評(píng)定的參數(shù)執(zhí)行，焊接接頭的硬度檢查必不可少，必須確保硬度值滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，否則需重新進(jìn)行熱處理。

（4）試驗(yàn)表明，采用本氬電聯(lián)焊的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，焊接接頭抗酸性介質(zhì)腐蝕性能優(yōu)秀，能夠滿足HIC試驗(yàn)和SSC試驗(yàn)的要求。

（5）將本焊接工藝用于指導(dǎo)此次現(xiàn)場(chǎng)管道焊接項(xiàng)目施工，完全可以保證工程質(zhì)量。

4 結(jié)束語

我公司按照國家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)技術(shù)規(guī)范對(duì)L360QS管材進(jìn)行氬電聯(lián)焊焊接工藝試驗(yàn)和評(píng)定，評(píng)定合格后，將氬電聯(lián)焊工藝用于某高含硫氣田原料氣集輸管道檢修項(xiàng)目中，管道焊接施工按期完成并投用，所焊接的管道完全能滿足該高含硫氣田原料氣集輸使用要求。

［1］中國工程機(jī)械學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè) ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］周振豐.焊接冶金學(xué) （金屬焊接性）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］國家能源局.承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定：NB／T47014—2011［S］.北京：原子能出版社，2011.

［4］國家能源局.石油天然氣金屬管道焊接工藝評(píng)定：SY／T 0452—2012［S］.北京：石油工業(yè)出版社，2012.