海工用X100管線鋼管的焊接工藝及接頭質(zhì)量分析

馮勝昆 周文 張徐強(qiáng) 屈江艷

摘要：采用海洋平臺(tái)建造中符合AWS D1.1標(biāo)準(zhǔn)的6GR位置特定坡口形式，利用焊條電弧焊（SMAW）單面焊雙面成形工藝焊接某國(guó)產(chǎn)X100管線鋼管。通過(guò)拉伸、沖擊、彎曲試驗(yàn)檢測(cè)接頭的力學(xué)性能，通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)比分析X100管線鋼焊接接頭坡口兩側(cè)熔合線顯微組織。結(jié)果表明，該公司生產(chǎn)上所用的X100管線鋼管在6GR位置通過(guò)合適的預(yù)熱及焊接熱輸入可以得到滿足結(jié)構(gòu)使用性能要求的焊接接頭，但接頭未開(kāi)坡口側(cè)在-40 ℃沖擊時(shí)，沖擊吸收能量相對(duì)較低，原因是未開(kāi)坡口側(cè)（直邊）熔合線晶粒粗化嚴(yán)重，大晶粒晶界有相互連接趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：X100管線鋼管;6GR位置;預(yù)熱;未開(kāi)坡口側(cè);晶界

中圖分類號(hào)：TG 442

Abstract：Singleside welding by shielded metal arc welding with the inevitable 6GR position and specific groove form （comply with AWS D1.1）in the offshore platform construction was used to weld domestic X100?pipeline steel pipe. The mechanical properties of the welded joints were measured by tensile strength， impact toughenss， bending test and the microstructures of the fusing area on both sides of the X100?pipeline steel welded joint were analyzed by optical microscope. The results shown that the X100?pipeline steel pipe used in the production of the company could be welded and the weld joint could satisfy the structural performance requirement with appropriate preheating and welding heat input control in the 6GR position. But the impact absorbed energy was relatively low on the unbevel side of the welded joint in the -40 ℃ impact test. The reason is that the grain size coarsened severely and the boundary of the large grains have a mutual connection trend in the fusion area of the unbevel side （square side）.

Key words：X100?pipeline steel pipe;6GR position;preheating;unbevel side;grain boundary

0?前言

在海洋平臺(tái)制造中，為滿足減輕結(jié)構(gòu)重量及低溫力學(xué)性能要求，樁腿桁架結(jié)構(gòu)用690 MPa級(jí)低溫高強(qiáng)鋼管已得到廣泛應(yīng)用，但此類高端材料，如Oceanfit 690，EQ70管等一直主要由國(guó)外進(jìn)口[1]。受國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)以及高昂的進(jìn)口材料費(fèi)用的影響，建造海洋平臺(tái)的利潤(rùn)空間已逐漸降低，目前，國(guó)內(nèi)主要海洋平臺(tái)制造廠已逐漸開(kāi)展利用X100管線鋼管代替進(jìn)口材料，基于國(guó)內(nèi)石油運(yùn)輸用X100管線鋼管的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已有相當(dāng)基礎(chǔ)[2]，且生產(chǎn)成本相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)已有廠家開(kāi)發(fā)出供海洋平臺(tái)桁架用的低溫X100管線鋼管，且已實(shí)現(xiàn)小部分焊接生產(chǎn)應(yīng)用[3-4]。

海洋平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)用X100管線鋼管不同于傳統(tǒng)石油、天燃?xì)膺\(yùn)輸用X100管線鋼管，傳統(tǒng)石油運(yùn)輸用X100管線鋼管主要受內(nèi)部流體壓力作用，且服役溫度一般為-20 ℃以上，而海洋平臺(tái)樁腿等桁架結(jié)構(gòu)用X100管線鋼管及焊接接頭主要承受外部結(jié)構(gòu)或載荷的作用，對(duì)沖擊韌性要求較高，且服役設(shè)計(jì)溫度需要-40 ℃;另外，根據(jù)AWS及船級(jí)社規(guī)范要求，海洋平臺(tái)桁架接頭主要為騎坐式非貫通TKY接頭，即只有分支管道開(kāi)坡口而主管道不開(kāi)坡口。因此，實(shí)際產(chǎn)品接頭中未開(kāi)坡口（直邊）側(cè)往往成為焊接缺欠及力學(xué)性能薄弱側(cè)。此類接頭采用6GR位置（即在管子6G焊接位置增加環(huán)形限位）及特定坡口形式進(jìn)行焊接，針對(duì)不開(kāi)坡口側(cè)（直邊側(cè)）3點(diǎn)或9點(diǎn)鐘位置處進(jìn)行沖擊試驗(yàn)[5-6]，以評(píng)定焊接工藝及材料是否符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。文中針對(duì)某國(guó)產(chǎn)海工用X100管線鋼管進(jìn)行不同預(yù)熱溫度[7-9]及熱輸入焊接，通過(guò)重點(diǎn)檢測(cè)接頭未開(kāi)坡口側(cè)低溫沖擊韌性，以確定某國(guó)產(chǎn)X100高強(qiáng)管線鋼的騎坐式非貫通焊接接頭能夠滿足設(shè)計(jì)服役要求的焊接工藝。

1?試驗(yàn)材料與方法

1.1?試驗(yàn)材料

圖1為自升式鉆井平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)及所用TKY節(jié)點(diǎn)。根據(jù)AWS及船級(jí)社規(guī)范要求，該類接頭的焊接工藝評(píng)定需使用對(duì)接接頭形式評(píng)定其力學(xué)性能。因此，試驗(yàn)所用接頭坡口形式為37.5°單邊V形坡口，如圖2所示。采用焊條電弧焊的方法進(jìn)行單面焊接雙面成形焊接。所用材料為國(guó)內(nèi)某鋼管廠生產(chǎn)的20 mm及28 mm壁厚海工用X100管線鋼管，材料的化學(xué)成分見(jiàn)表1。試件尺寸為168 mm×20 mm×150 mm + 168 mm×28 mm×150?mm。打底層焊接使用LB62U焊條，填充及蓋面層焊接使用TENACITO 80CL焊條，焊接材料熔敷金屬成分見(jiàn)表1，試驗(yàn)共采用3個(gè)接頭試樣，編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)，采用的具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

1.2?工藝流程

焊前采用陶瓷電阻加熱片進(jìn)行預(yù)熱，升溫過(guò)程，如圖3所示。記錄焊接過(guò)程中的平均焊接電流、電弧電壓及焊接速度，計(jì)算出整條焊縫的平均熱輸入（打底焊道熱輸入不進(jìn)行平均值計(jì)算），如表2所示。采用接觸式測(cè)溫槍進(jìn)行層間溫度測(cè)量，當(dāng)層間溫度低于預(yù)熱溫度時(shí)立即停止焊接，用陶瓷電阻加熱片進(jìn)行補(bǔ)充加熱至不低于預(yù)熱溫度且不高于250 ℃。記錄整個(gè)焊接過(guò)程中層間溫度的最低值及最高值，并以整條焊縫的平均層間溫度進(jìn)行工藝比較分析。焊接完成后，立即采用保溫棉包裹進(jìn)行保溫緩冷，直至室溫。緩冷至室溫后再經(jīng)72 h后進(jìn)行無(wú)損探傷，包括MT，UT等，確認(rèn)焊縫無(wú)缺欠后采用WAW1000電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、CBD500擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)及4XCMS型光學(xué)金相顯微鏡分別進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、-40 ℃低溫沖擊試驗(yàn)及顯微組織觀察。根據(jù)ABS船級(jí)社規(guī)范及ASTM A370試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用全厚度剖管試樣進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn);彎曲試驗(yàn)采用側(cè)彎形式，彎曲角度為180°，彎芯直徑為60 mm;沖擊試樣取試件外表面1～2 mm以下，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，缺口位置分別為未開(kāi)坡口側(cè)（直邊側(cè)）熔合線、熔合線+2 mm、熔合線+5 mm處。對(duì)焊接接頭坡口側(cè)及未開(kāi)坡口側(cè)（直邊側(cè)）熔合線處的顯微組織進(jìn)行觀察分析。

2?試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1?接頭力學(xué)性能

表3為不同焊接工藝參數(shù)下的接頭力學(xué)性能。3個(gè)接頭試樣的抗拉強(qiáng)度都在792 MPa以上，且都斷裂于母材，滿足設(shè)計(jì)及建造規(guī)范要求。彎曲試驗(yàn)也表明，3種工藝參數(shù)下，包括打底焊道在內(nèi)的整條焊縫熔合良好，無(wú)夾渣、氣孔、裂紋等缺陷。接頭未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處的沖擊吸收能量相對(duì)較低，明顯低于焊縫中心及稍遠(yuǎn)離熔合線處，且在110 ℃預(yù)熱條件下，熔合線處沖擊吸收能量已遠(yuǎn)低于驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在通過(guò)提高至200 ℃預(yù)熱條件下，適當(dāng)減小焊接熱輸入，接頭熔合線處沖擊韌性已得到改善。

為進(jìn)一步分析驗(yàn)證接頭熔合線沖擊吸收能量較低原因，在3號(hào)試樣上從坡口側(cè)熔合線處及未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處再各取一組沖擊試樣進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)表4，開(kāi)坡口側(cè)熔合線處沖擊吸收能量單個(gè)值及均值都在80 J以上，而未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處沖擊吸收能量平均值仍只有56 J。

2.2?接頭熔合線顯微組織

因3號(hào)接頭試樣各力學(xué)性能能夠滿足設(shè)計(jì)及建造規(guī)范要求，且開(kāi)坡口側(cè)及未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處低溫沖擊吸收能量差異大，故選取3號(hào)試樣作為微觀組織研究對(duì)象，簡(jiǎn)要分析開(kāi)坡口側(cè)及未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處晶粒尺寸及組織分布，如圖4所示。從圖4a～4b可以看出，未開(kāi)坡口側(cè)焊縫與熔合線界面不明顯;熔合線晶粒尺寸較大，以塊狀分布為主，伴有長(zhǎng)條狀組織，且粗大的晶粒晶界有相互連接現(xiàn)象，形成顯微裂紋發(fā)源地[10]。從圖4c～4d看出，開(kāi)坡口側(cè)焊縫與熔合線界面清晰;熔合線主要以長(zhǎng)條狀組織為主且分布均勻，無(wú)大尺寸晶粒晶界相互連接現(xiàn)象。

2.3?接頭力學(xué)性能差異原因分析

所用的X100管線鋼碳當(dāng)量較高，裂紋敏感性大。 1號(hào)試樣在110 ℃預(yù)熱溫度下采用較大熱輸入焊接，焊接開(kāi)始時(shí)，因冷卻速度較快，易形成脆硬組織，形成顯微缺陷源[11];隨后在原有熱量累積基礎(chǔ)上，較高的熱輸入導(dǎo)致近焊縫區(qū)金屬高溫停留時(shí)間長(zhǎng)，易形成粗大組織導(dǎo)致韌性下降[12]。2號(hào)試樣通過(guò)提高預(yù)熱溫度來(lái)減小脆硬組織形成的可能性，接頭沖擊韌性有所改善。3號(hào)試樣在提高預(yù)熱溫度的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低焊接熱輸入，減少了粗大組織的生成，熔合線沖擊韌性進(jìn)一步得到改善。因此，對(duì)于焊接所用的X100管線鋼管，適當(dāng)提高預(yù)熱溫度至200 ℃是必要的，適當(dāng)降低焊接熱輸入可以得到滿足使用要求的焊接接頭。

在適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)下得到的焊接接頭，開(kāi)坡口側(cè)和未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處沖擊韌性相差較大，從冶金過(guò)程看，主要原因?yàn)槠驴趥?cè)結(jié)晶條件優(yōu)于直邊側(cè)，焊縫組織與熔合線組織界限分明，界限處基本為等軸組織。而未開(kāi)坡口側(cè)導(dǎo)熱有差異，結(jié)晶條件較差，所以形成模糊界面且晶粒尺寸較大。大尺寸晶粒晶界相互連接形成的顯微裂紋源在低溫缺口沖擊下，更容易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致接頭承受沖擊的能力較差。因此，需進(jìn)一步研究探尋合適的焊接工藝，解決未開(kāi)破口側(cè)熔合線處沖擊韌性薄弱情況，使整個(gè)焊接接頭沖擊韌性均勻一致。

3?結(jié)論

（1）采用焊條電弧焊焊接國(guó)產(chǎn)X100管線鋼管對(duì)接接頭，其強(qiáng)度、彎曲性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處是低溫沖擊韌性薄弱環(huán)節(jié)，適當(dāng)提高焊接預(yù)熱溫度能夠得到改善。

（2）采用焊條電弧焊焊接焊接國(guó)產(chǎn)X100管線鋼管，在接頭未開(kāi)坡口側(cè)熔合線處易產(chǎn)生粗大組織，其晶界處能夠形成顯微裂紋源。

（3）采用焊條電弧焊焊接國(guó)產(chǎn)X100管線鋼管TKY接頭，在預(yù)熱溫度200 ℃、熱輸入1.58 kJ/mm條件下可以得到滿足使用要求的焊接接頭。

參考文獻(xiàn)

[1]?楊麗麗.海洋工程制造中的關(guān)鍵焊接技術(shù)分析[J]. 中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2017，21：172-175.

[2]?鄭磊，傅俊巖. 高等級(jí)管線鋼的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 鋼鐵，?2006，41（10）：1-10.

[3]?東濤. 我國(guó)造船業(yè)發(fā)展的新定位及海工裝備用鋼生產(chǎn)技術(shù)趨向[J]. 軋鋼，2013，30（2）：1-5.

[4]?劉振宇，唐帥，陳俊，等. 海洋平臺(tái)用鋼的研發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 鞍鋼技術(shù)，2015，391（1）：1-7.

[5]?American Welding Society （AWS） D1 Committee on Structural Welding. AWS D1.1/D1.1M：2015 Structural welding codeSteel [S]. American Welding Society， USA，2015.

[6]?American Bureau of Shipping. ABS， rules for materials and welding[S]. American Bureau of Shipping ABS Plaza， Houston，USA，2015.

[7]?Aristotele R， Divito L F， Barsanti L. Welding X100 steels for gaspipelines[J].Welding International， 2004，18（11）：877-882.

[8]?Hudson M G， Blackman S A， Hammond J， et al. Girth welding of X100 pipeline steels[C].ASME 2002 4th International Pipeline Conference，Calgary， Alberta， Canada 2002：525-532.

[9]?黃景鵬.X100管線鋼焊接性分析與研究[J].西安：西安石油大學(xué)，2017.

[10]?高德林. 晶界裂紋產(chǎn)生原因及其對(duì)性能影響分析[J]. 電力建設(shè)，1994，15（4）：36-39.

[11]?李亞江. 焊接冶金學(xué)—材料焊接性[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版 社，2006.

[12]?嚴(yán)春妍， 李午申， 馮靈芝， 等. X100級(jí)管線鋼及其焊接性[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（10）：105-108.