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  • X100高强管线钢钢管半自动焊接技术

  • 1、概述

    1、概述 随着天然气的需求在全球范围内持续增长,推动了管线钢进一步向大口径、高等级方向发展。为了提高管道输送效率、降低敷设管道费用,高钢级管线钢将成为今后长距离输气管道的主要钢种。X100高强管线钢属于控扎及加速冷却状态的低碳微合金管线钢,为粒状贝氏体、针状铁素体外加M/A岛构成的复相组织,由细晶强化、相变强化、析出强化和固溶强化保证基本强度要求,并通过复相组织的合理匹配提高韧性。与X80等级的管线钢相比,X100高强管线钢由于强度高、合金成分复杂,其焊接性一般较差。目前还没有X100高强管线钢的制管和管线建设的国家标准,但钢铁企业和制管企业已制定高钢级管线钢的冶金设计及制管工艺,以优化钢管的力学性能,满足油气企业对管线钢性能的要求。

    管道质量对管道长期安全运行和使用寿命至关重要,而焊接技术是长输管道建设中的关键技术。虽然我国X100高强管线钢已经诞生,现场生产技术也日益成熟,但是与发达国家相比还存在很大差距。目前,针对X100高强管线钢焊接技术的研究并不多,焊接工艺研究和应用在国内处于起步阶段。因此,我们通过X100高强管线钢的焊接工艺研究,考察其对焊接工艺的适应性,对提高X100高强管线钢管道今后的施工技术水平具有十分重要的意义。本文以实际应用为导向,依据API 1104—2013《管道及有关设施的焊接》(以下简称API 1104—2013),采用STT(Surface Tension Transfer,表面张力熔滴过渡)半自动根焊+FCAW(Fluxed-cored Arc Welding,药芯焊丝电弧焊)自保护焊丝半自动填充、盖面的方式,在对焊接材料及工艺参数进行试验的基础上,对X100高强管线钢的焊接接头的一系列性能进行了研究,以期为管道焊接提供必要的理论参考和技术支持。

    2、焊接工艺准备

    ①试验用管材

    管材选用鞍钢生产的低C高Mn微合金化设计的X100螺旋焊缝埋弧焊接钢管,管外直径为1 219 mm,壁厚为18.4 mm。X100管材化学成分,碳当量以质量分数计为0.28%,裂纹敏感系数为0.21%。力学性能测试结果见表2(表中硬度为维氏硬度HV10,300HV10表示采用98.07 N的试验力,保持时间10~15 s时得到的硬度值为300,以下均与此相同)。试验试样选用夏比V形缺口,试验温度为-20 ℃。

    X100高强管线钢中C元素的质量分数非常低,但Mn元素的质量分数较高,可以保证针状铁素体的形成和晶粒细化,使X100管线钢在低的碳含量下具有高强度、高韧性和良好的焊接性。另外,S元素质量分数非常低,进一步提高X100高强管线钢具有较好的抗H2S腐蚀的可能性。

    ②焊接方法

    焊接方法选用STT半自动根焊+FCAW自保护焊丝半自动填充、盖面的方式。STT根焊是美国林肯公司开发的一种新的下向半自动根焊焊接工艺。采用CO2气体保护,并采用表面张力过渡的逆变电源,与传统的平特性输出的气体保护焊电源不同,其焊接工艺特点为电弧燃烧稳定,引弧容易,飞溅熔渣极少,焊缝成形美观,焊接成本较低,焊接效率较高[3]。

    ③坡口

    X100高强管线钢的坡口形式及组对尺寸见图1(图中标注尺寸单位为mm)。坡口采用机械加工,以保证装配精度。

    ④焊材

    现有的研究结果认为,焊接高强度管线钢如果采用低匹配(即所选焊材的强度低于母材的强度),焊缝会产生应变,进而会产生裂纹等缺陷,因而需要焊缝具有更高的强度防止因应变产生裂纹,采用等强或高匹配。X100高强管线钢环缝焊接时,焊接材料应选用高强度、高韧性、低氢的焊接材料,以降低焊缝金属中残余的N、O、H元素的含量,满足焊缝强度要求。据此,根焊焊材采用直径为1.2 mm的ER100S-G焊丝,填充焊和盖面焊焊材均采用直径为1.2 mm的E110T5-K3药芯焊丝。两种焊材化学成分见表3。

    3、焊接工艺试验

    焊接时根焊采用STT半自动焊,保护气体为纯CO2;填充、盖面层均采用FCAW自保护焊丝半自动焊。对于X100高强管线钢,在焊接环焊缝满足等强或高匹配要求的情况下焊缝金属韧性较差,焊接时,要严格控制热输入及层间温度。因此,焊前需将坡口两侧50 mm内做预热处理,预热温度为100~200 ℃,层间温度控制在120~250 ℃。经过多次焊接工艺试验,最终确定的焊接工艺参数见表4。

    4、焊接接头性能测试结果及分析

    4.1拉伸性能试验

    ①拉伸性能判别

    依照API 1104—2013《管道及有关设施的焊接》进行拉伸性能试验,每个试样抗拉强度不得小于所选管线钢母材的名义抗拉强度(可以小于管线钢母材的实际抗拉强度)。试样被拉断后应对拉伸断裂位置进行观察。若试样拉断位置发生在母材,并且试验测得的抗拉强度在管材规定名义抗拉强度之上或两者相当时,则认为试样是合格的。若试样的拉断位置不是发生在母材,而是位于焊缝或在熔合区,试验测得抗拉强度在管材规定名义抗拉强度之上或两者相当,并且断面没有发现缺陷,或者缺陷的相关类型与尺寸大小不影响无损检测,则认为也是合格的。因而,对X100高强管线钢接头开展拉伸性能测试,最低要求为所得接头抗拉强度不得小于X100高强管线钢名义抗拉强度,即不得小于760 MPa。

    ②拉伸试验结果及分析

    拉伸试验结果,试样的拉断断口均为韧性断口。

    所得接头抗拉强度最小为793 MPa,最大为824 MPa,均高于760 MPa,且都有很大的裕量。从试样拉断部位看,4个试样中有2个在焊缝部位,2个在母材部位。观察发现,断裂部位在焊缝处的试样,断口处塑性变形和断面收缩现象明显,此种情况属于韧性断裂。试样1拉伸断面见图3,可以看出断口部位有像鱼眼的白点,鱼眼是典型的可逆性氢脆,只有对低碳钢的焊缝区金属进行拉弯试验时才可看到,冲击试验是无法看到的。鱼眼现象对焊缝产生的效果会使得接头塑性和韧性下降。鱼眼是由于在拉伸、塑变时诱发的,采取减少氢(包括游离态氢)来源、进行焊前预热或在100~250 ℃进行去氢退火处理等手段,就能够将焊缝里H元素的含量降低,有效预防鱼眼的发生,消除氢脆的产生。

    断口处存在像鱼眼的白点外,其他试样断口表面均未有发现明显焊接缺陷,并且断口韧性良好。

    X100高强管线钢焊接接头拉伸试验结果表明,焊接接头的抗拉强度与X100钢管的抗拉强度相当,实现了与母材的等强匹配。

    4.2 低温冲击性能试验

    冲击韧性为金属材料非常重要的一项性能。为了考察X100高强管线钢焊缝金属和热影响区的冲击韧性水平,根据GB/T 2650—2008《焊接接头冲击试验方法》对接头试样的冲击韧性开展试验,试样选用夏比V形缺口,缺口的加工位置分别位于焊缝中心、焊接热影响区,试验温度为-20 ℃。

    X100高强管线钢焊接接头焊缝中心冲击功最小为116 J,最大达144 J,平均130 J;热影响区的冲击功最小为176 J,最大达198 J,平均为186 J。均满足冲击功单值大于等于60 J、平均值大于等于80 J的要求。同时,试验温度下,冲击试验结果的离散性也较小,与平均值的最大偏差仅为14 J。综合来看,该焊接工艺的热影响区的冲击功均高于焊缝中心的冲击功,说明热影响区的低温冲击韧性优于焊缝,主要是因为热影响区试样缺口处在焊材和母材的熔合线上,其缺口范围跨越了焊缝区、热影响区和母材3个区域,又由于X100高强管线钢母材的冲击韧性要好于焊缝,因而试验所得热影响区冲击功较焊缝高,并未对热影响区整体韧性水平造成较大的影响。

    冲击功越高,钢材的韧性越好,则钢材越不易发生脆断。一般而言,热影响区的韧性普遍要比焊缝高,因此断裂发生在焊缝的概率较大。

    采用扫描电镜,观察冲击功较低的焊缝与热影响区断口,焊缝中心及热影响区冲击试样断口表面扫描电镜照片见图4。

    照片中出现的韧窝状很多,且韧窝较深,说明断裂的方式为韧断,这与拉伸试验结论一致。

    断口表面呈现的韧窝大小不一,并且存在撕裂棱。分析发现韧窝均为等轴韧窝,且较大的韧窝中还会发现有很多较小韧窝,由于韧窝尺寸很小,属微孔聚集断裂。该断裂为高强管线钢韧断的常见方式。显微孔或者微孔会在塑变较严重区形成、长大、聚集,进而发展成裂纹,直至断裂。

    4.3 硬度测试试验

    硬度是对钢材力学性能(如弹、塑、强、韧等性能)进行综合表征的重要的参数。通常认为,母材强度级别越高,其抗塑性变形的能力也越大,相应地其硬度也越高。随着管线钢材料硬度的增大,其强度也会逐渐升高,而塑性和韧性则会相应下降,此种情况下,受力时管线钢发生塑性变形的能力也下降,通过塑性变形而使内应力松弛、应力集中降低和材料强度提高来阻止裂纹扩展的作用就会减弱,由此会增大管线钢材料的开裂倾向。钢在经过焊接热循环后,部分组织和相比例会产生变化,力学性能也会产生相应改变。通过维氏显微硬度测量仪测量,X100高强管线钢焊接接头硬度分布曲线见图5。

    不同焊道所具有的硬度为盖面层最高、根焊层最低。这是由于盖面焊所得组织属于一次结晶,而在填充层与根焊层都在不同程度上经历了后道焊对其二次加热作用,晶粒会发生再次的结晶,从而造成了硬度降低。

    ①根焊层中,焊缝金属(根焊层的熔合线距离焊缝中心线的距离约为4.0 mm)具有最小硬度为246HV10,最大硬度为262HV10,均较母材低。热影响区(自熔合线往外,宽度约6.0 mm)所具有最小硬度266HV10,最大284HV10,没有出现软化区(硬度明显较母材低的区域)。

    ②填充层中,焊缝金属(填充层的熔合线距离焊缝中心线的距离约为4.5 mm)具有最小硬度268HV10,最大293HV10。热影响区(自熔合线往外,宽度约4.0 mm)最小硬度为281HV10,最大硬度为296HV10,也未出现软化区。

    ③盖面层中,焊缝金属(盖面层的熔合线距离焊缝中心线的距离约为8 mm)具有最小硬度为293HV10,最大为315HV10,接近母材,热影响区(自熔合线往外,宽度约2.0 mm)没有软化区。

    测试结果表明,使用给定的工艺进行焊接实现了与母材的等强度匹配,焊接接头的硬度指标满足要求,热影响区的软化现象较弱。

    4.4 断裂韧性试验

    按照GB/T 21143—2014《金属材料准静态断裂韧度的统一试验方法》对焊接接头进行-20 ℃的断裂韧性(CTOD)测试。CTOD值能够反映裂纹尖端的材料抵抗开裂的能力。通常情况下,若测得的CTOD值越大,表明裂纹尖端处材料的抗开裂性能越好,即韧性越好;测得的CTOD值越小,表明裂纹尖端处材料的抗开裂性能越差,即韧性越差。试验温度为-20 ℃时。

    焊缝CTOD值最小为0.13 mm,最大为0.54 mm;热影响区CTOD值最小为0.34 mm,最大为0.73 mm。总的来看,热影响区的CTOD值普遍高于焊缝,这与低温冲击试验结果一致。由表6还可以看出,焊缝CTOD试验结果离散性较大,当人工预制疲劳裂纹位于焊缝金属的微裂纹区,将会造成CTOD值突降,产生非常大的离散类分布。-20 ℃条件下测定的CTOD值均在0.05 mm以上,符合API 1104—013《管道及有关设施的焊接》标准中CTOD值大于或等于0.05 mm的要求。

    4.5 抗氢致开裂试验

    有硫存在时,管线钢容易形成氢脆裂纹。当管线钢的强度较高时,在外加拉伸应力作用下沿垂直钢表面容易产生脆性裂纹。X100高强管线钢接头抗氢致开裂测试按NACE TM0284《管线钢及压力容器抗氢致开裂评定方法》(以下简称NACE TM0284)进行。试验所选溶液为NACE TM0284中的A溶液。对检查面使用金相进行抛光,试验后,裂纹敏感率(CSR)、裂纹长度率(CLR)、裂纹厚度率(CTR)3个指标依据NACE TM0284计算平均值。

    3个指标中,衡量管线钢抗氢致开裂能力高低的主要依据为CSR。因为CSR不但表示了厚度方向上管材产生氢致裂纹的能力,而且体现了轧制方向上管材抵抗氢致开裂的难易程度。材料的CSR的平均值越大,表明对氢致开裂敏感性越大;CSR的平均值越接近于零,材料抗氢致开裂的能力就越强。

    根据API 5L—2013《管线钢管规范》,在A溶液进行氢致开裂试验时,试样三个截面的CSR、CLR、CTR的平均值应符合以下验收极限:即CSR≤2%,CLR≤15%,CTR≤5%。依据表7,所选焊接工艺方案焊接的X100高强管线钢的3个试样的CSR、CLR、CTR平均值分别为0.23%、4.57%、2.37%,均满足标准的要求,说明使用所选择的焊接工艺方案对X100高强管线钢进行焊接,所得接头对氢致开裂具有较好的抵抗性。 5、结论

    根据API 1104—2013《管道及有关设施的焊接》对X100高强管线钢STT半自动根焊+FCAW自保护焊丝半自动填充、盖面焊接工艺技术进行了研究。在选定的焊接工艺下,X100高强管线钢焊接接头金属所具有的强、塑、韧等方面的力学性能均满足要求,且不存在热影响区软化现象,实现了与母材的等强匹配;所得焊接接头具有良好的低温韧性和抗氢致开裂性能。选用的焊接工艺合理,采用该工艺可以得到性能良好的接头。



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  • 2020.06.26