抗腐蝕海底管線鋼半自動焊工藝研究

王 紅 ，曹用順 ，何亞章 ，劉 劍 ，楊華慶

1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451

3.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，天津 300451

隨著海上油氣資源的不斷勘探與開發(fā)，海底輸送管道的建設(shè)與日俱增[1]。由于輸送介質(zhì)多為含硫化物、CO2等腐蝕成分的多相介質(zhì)，在長期服役的條件下，管道接頭的腐蝕開裂成為其主要的失效形式[2]。因此，針對海底管道的鋪設(shè)，研究合理的焊接工藝，以獲得抗腐蝕性能良好的焊接接頭顯得尤為重要[3-5]。

近年來，X65管線鋼在酸性服役條件下的應(yīng)用較為普遍，而X65QOS為滿足特定要求的預(yù)期可用于海上的具有抗腐蝕開裂性能的輸送管道[6]。本文針對X65QOS制定焊接工藝并進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為海底管道的鋪設(shè)提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文采用API 5L PSL2級X65QOS無縫鋼管與錨固件F65進(jìn)行焊接試驗(yàn)，鋼管尺寸為D168.3 mm×15.9 mm，母材和焊材的化學(xué)成分見表1，母材的力學(xué)性能的見表2。測試結(jié)果表明，母材和焊材均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 母材和焊材的化學(xué)成分

表2 X65QOS母材的力學(xué)性能

1.2 焊接材料

焊接接頭不同區(qū)域的硬度在決定接頭抗SSC性能方面起到重要作用，合理控制焊接接頭的硬度可以有效降低SSC風(fēng)險[7]。焊材的選用應(yīng)滿足DNV-OS-F101-2013的要求，既要保證輸送含H2S介質(zhì)時根焊道的硬度不高于250 HV10，其他位置不得高于275 HV10，又要滿足接頭拉伸試驗(yàn)時不能斷于焊縫。同時，為了降低氫致開裂的風(fēng)險，應(yīng)保證焊材擴(kuò)散氫含量不高于5 mL/100 g。本工藝選用TM-60焊絲用于GMAW打底、DW-A81Ni1焊絲用于FCAW-G熱焊、填充及蓋面，其化學(xué)成分見表1，二者成分實(shí)測滿足理論要求；且擴(kuò)散氫含量分別為3.04 mL/100 g（TM-60）和4.44 mL/100 g（DW-A81Ni1），均不高于5 mL/100 g。

1.3 坡口形式

海管焊接設(shè)計(jì)采用V型、單面焊雙面成型（如圖1所示）的對稱坡口形式，可以有效排出擴(kuò)散氫，較好控制焊接變形，從而降低裂紋產(chǎn)生的概率。坡口角度為55°～65°，鈍邊1.0～2.0 mm，根部間隙2.0～4.0 mm，焊接層道數(shù)如圖2所示。焊接位置采用6G（管傾斜45°固定焊），實(shí)際工程項(xiàng)目中在其他要素不變的情況下可以覆蓋任意焊接位置，節(jié)約工藝開發(fā)成本。

圖1 坡口設(shè)計(jì)圖

圖2 焊接層道數(shù)

1.4 焊接工藝參數(shù)

為保證焊接接頭性能，焊接熱輸入控制在1.0～2.2 kJ/mm。焊接工藝試驗(yàn)焊接方法為熔化極氣保焊 （GMAW）+藥芯焊絲氣保焊 （FCAW-G），GMAW保護(hù)氣體采用100% CO2，F(xiàn)CAW-G保護(hù)氣體采用80% Ar+20% CO2。為促使擴(kuò)散氫的逸出從而避免氫致開裂，焊前預(yù)熱溫度應(yīng)不低于50℃，層間溫度應(yīng)不高于250℃，具體工藝參數(shù)見表3。

表3 焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件焊接完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行了焊接接頭的無損檢測，包括100%（VT+UT+RT+MT）。外觀檢查結(jié)果顯示焊接接頭無裂紋、未熔、夾渣、氣孔、咬邊等缺陷，探傷檢測結(jié)果表明，焊接接頭缺陷均在可接受范圍內(nèi)，滿足標(biāo)準(zhǔn)DNV-OS-F101-2013的要求。

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)分析

按照DNV-OS-F101-2013及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，包括橫向拉伸、彎曲、V型缺口夏比沖擊、宏觀、維氏硬度。焊接接頭的宏觀腐蝕結(jié)果如圖3所示，可看出焊材與母材熔合良好，無氣孔、夾渣等缺陷；兩個硬度測試件的硬度值如圖4、圖5所示，維氏硬度測點(diǎn)位置如圖6所示。由圖4、圖5可看出焊接接頭不同區(qū)域的硬度均遠(yuǎn)低于250 HV10，可以有效降低SSC風(fēng)險；-10℃V型缺口夏比沖擊試樣（10 mm×10 mm×55 mm）的取樣位置見圖7，試驗(yàn)結(jié)果見表4；拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表5、表6。從結(jié)果可以看出，依據(jù)該工藝焊接的接頭性能良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 宏觀腐蝕照片

圖4 1號試件維氏硬度值

圖5 2號試件維氏硬度值

圖6 維氏硬度測點(diǎn)位置示意

圖7 沖擊試樣取樣位置示意

表4 沖擊試驗(yàn)結(jié)果

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表6 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

2.2 HIC試驗(yàn)分析

根據(jù)DNV-OS-F101-2013要求，HIC試驗(yàn)用NACE TM0284溶液A進(jìn)行，將試樣浸入溶液中進(jìn)行96 h氫致開裂試驗(yàn)。試驗(yàn)完成后試樣表面（如圖8所示）未發(fā)現(xiàn)氫鼓泡現(xiàn)象，且CLR/CTR/CSR值均為零。因此，依據(jù)該工藝焊接的接頭具有良好的抗氫致開裂性能。

圖8 接頭HIC試驗(yàn)后照片

2.3 SSC試驗(yàn)分析

根據(jù)DNV-OS-F101-2013要求，SSC試驗(yàn)用NACE TM0177溶液A進(jìn)行，試樣尺寸為長115 mm、寬15 mm、厚5 mm，試樣加載方式為四點(diǎn)彎曲法，加載載荷不低于材料屈服強(qiáng)度的80%。在指定溶液中進(jìn)行720 h硫化物應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)。試樣腐蝕后照片如圖9所示，試樣未發(fā)現(xiàn)裂紋或斷裂。因此，依據(jù)該工藝焊接的接頭具有良好的抗腐蝕開裂性能。

圖9 接頭SSC試驗(yàn)后照片

3 結(jié)論

研究提出了適用于X65QOS+F65的焊接工藝，通過對此工藝焊接的接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)及腐蝕試驗(yàn)分析，得出如下結(jié)果。

（1）焊接接頭宏觀無缺陷，力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）腐蝕試驗(yàn)（HIC和SSC）結(jié)果表明，焊接接頭具有良好的抗氫致開裂和抗硫化物應(yīng)力開裂的性能。

（3）根據(jù)DNV-OS-F101-2013，該工藝可用于X65QOS/X65QOS、X65QOS/F65的焊接，可為海上酸性服役條件下油氣田開發(fā)項(xiàng)目的焊接工藝研究提供參考。