执行俄罗斯标准的K60 管线管JCO 焊接工艺实践

2015-04-17尚才众郑丽华贾云刚吴建国

钢管 2015年4期

尚才众，郑丽华，贾云刚，吴建国

（河北海乾威钢管有限公司，河北沧州 061300）

2014 年河北海乾威钢管有限公司（简称河北海乾威）承接了哈萨克斯坦的管线管订单，钢级为K60，执行俄罗斯ГОСТ 20295—1985《用于石油天然气的焊接钢管》标准，钢管规格Φ820 mm×12 mm×12 000 mm（简称俄标K60 钢管）。合同约定按照技术条件和元素含量限值生产焊管，要求碳当量Ceq≤0.46%。

俄标K60 钢管用于哈萨克斯坦—俄罗斯国际天然气管线，其合金含量低、性能要求高，属于低成本管线钢管。管线设计方为提高管道的输送效率，要求采用较高的输送压力。此外，中亚地区远距离输气管线，随着地理环境、季节的变化及温度的起伏，使得管线材料的机械性能特别是韧性变化剧烈。因此，制造俄标K60 钢管，原料的选择和焊接工艺的制定显得尤其重要。

1 俄标K60 钢管的焊接性分析

为实现俄标K60 钢管的国产化，河北海乾威选择秦皇岛首秦金属材料有限公司（简称首秦公司）作为钢板供应商。其钢板添加了适量的Cr 元素以及微量的Ni、Nb 元素，成分设计以低C-Mn-Si-Cr处理为体系，使K60 管线钢更强韧化。

1.1 Mn 元素对焊缝性能的影响

K60 管线钢是以Mn 作为主要合金元素调整钢质性能的。Mn 是奥氏体稳定元素，在降低γ-α 相变温度方面起着举足轻重的作用［1］，进而细化铁素体晶粒。焊缝中增加Mn 可以减少先共析铁素体（PF）和层状组分的数量，使针状铁素体（AF）显著增加，弥补低碳造成的强度下降。由文献［2］可知：w（Mn）=1.5%时，焊态和消除应力状态下焊缝的冲击韧性最好。

1.2 Cr、Nb 元素对焊缝性能的影响

Cr 是强碳化物形成元素，能够显著提高K60管线钢的强度和硬度，降低其塑性和韧性。在含Mn 的K60 管线钢焊缝中添加0.24%的Cr 元素，可以减少焊缝PF，增加AF 的比例。

Nb 是现代微合金化管线钢中最主要的元素之一，可以形成碳化物和氮化物的析出物，对细化晶粒、提高钢材的强度和韧性作用明显。

1.3 Al 元素对焊缝性能的影响

Al 主要是用来脱氧、脱氮和细化晶粒，有利于AF 形核。图1 所示为Al 含量对焊缝抗拉强度和屈服强度的影响。从图1 可以看出：Al 含量增加对焊缝金属强度影响不大，呈非线性增加；Al 的加入可能导致焊缝金属韧性的恶化。当w（Al）=0 时焊缝的韧性最佳；K60 管线钢的w（Al）=0.03%时，其焊缝的韧性和强度均处在相对较高的水平。

图1 Al 含量对焊缝抗拉强度和屈服强度的影响

合金元素Al、Cr、Ni、Nb 可以与焊接熔池中的O、S、P、N 结合，使焊缝金属凝固生成氧化物、硫化物、氮化物及其复合物等夹杂物。这些夹杂物在焊缝固态相变过程中充当了AF 的核心，促进高比例AF 的形成［3］。

1.4 K60 管线钢碳当量计算

根据国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量计算公式［4］：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%），可计算出首秦公司生产的俄标K60 管线钢的碳当量为0.378%，满足合同约定的Ceq≤0.46%要求。

经过相关冷裂纹和热裂纹指数计算，俄标K60管线钢的淬硬性和热裂纹倾向小、可焊性能良好，不需要预热和后热（即焊后的紧急热处理——保温或缓冷）［5］。

2 焊接评定试验

2.1 焊材的遴选

2.1.1 原则

管线钢管的焊接既要满足强度要求又要保证焊缝和过热区的低温韧性。焊缝金属的缺口韧性受母材、焊材、焊接方法和焊接条件的影响。鉴于俄标K60 钢管的经济性要求，在保证焊缝金属的强度、塑性和韧性达到产品技术要求［6］的前提下，性价比突出是俄标K60 钢管焊材选择的原则。河北海乾威根据多年来生产各种管线钢管的经验，针对俄标K60 钢管的特性，选择四川大西洋牌CHW-S3（H10Mn2）埋弧焊丝和CHF102（SJ102）氟碱性低氢烧结焊剂。CHW-S3/CHF102 组合具有优良的焊接工艺性能，脱渣容易，抗气孔能力强，焊缝金属具有较高的强度和良好的低温韧性。

2.1.2 焊剂碱度

焊剂碱度是表征焊剂熔渣冶金特性的量。文献［7］指出，焊剂碱度值的提高，有利于AF 形核，促进AF 在焊缝金属中的形成。

2.1.3 Mn、Si 含量

在C-Mn-Si 系合金中，焊缝金属中Mn/Si 比的不同对焊缝金属性能的影响不同。埋弧焊特别是多丝埋弧焊属于高热输入焊接方法，会导致焊缝组织粗大从而降低韧性。选择焊材时应注意调配焊缝金属中的Mn、Si 含量，使Mn/Si 比保持在4~8 时，能够得到更多的AF［8-9］。经计算可知：俄标K60 钢管焊缝中的Mn/Si 比处于合理状态。

俄标K60 钢管选用焊材的化学成分和力学性能见表1。

2.2 焊接坡口设计

根据俄标K60 钢管的低温要求，焊接时需控制焊接线能量，设计出易于低热输入且符合生产线自身坡口制备方法的坡口形式特别重要［10］。图2 所示为Φ820 mm×12 mm 俄标K60 钢管的坡口设计：钝边高度B 为4 mm，外坡口深度A 为4.5 mm，内坡口高度C 为3.5 mm，外坡口角度2e 为80°，内坡口角度2α 为110°。钝边高度4 mm 安全适中，熔深减小，有利于控制焊接热输入；外坡口高度4.5 mm、角度80°，JCO 三丝埋弧焊接速度可以在1.5 m/min 高速运行，焊缝余高2.0~2.5 mm，焊接稳定高效，焊缝成型美观；内坡口高度3.5 mm、角度110°，为增加内焊缝的容量，加大内坡口角度是唯一选择，三丝埋弧内焊接车运行速度可以达到1.6 m/min，焊缝余高2.0 mm。

表1 俄标K60 钢管选用焊材的化学成分（质量分数）和力学性能

图2 Φ820 mm×12 mm 俄标K60 钢管坡口设计示意

2.3 焊接方法和焊接能量参数

2.3.1 焊接方法

俄标K60 钢管在JCO 生产线上的焊接方法是双面三丝自动埋弧内外焊接，其外焊接如图3 所示。采用美国Lincoln 焊机（电源组合方式DC+AC+AC，直流1 500 A，交流1 200 A），直流DC 电极采用反接法，倾角-8°；交流AC1 倾角5°，AC2 倾角18°；焊丝间距18 mm，焊丝干长度27 mm。

2.3.2 焊接热输入和AF 的关系

焊缝组织与韧性有着密切的关系，在焊缝中存在着高比例的AF 组织时，其韧性较好［9］。AF 晶粒细小，相邻AF 间的方位差为大倾角，当裂纹沿AF 扩展时，断裂路径曲折，扩展需要较大的能量。AF 晶粒内位错密度达到1.2×1010根/cm2左右［8］，对裂纹的扩展具有阻碍吸收作用。提高AF 的比例，对焊缝金属既有韧化、又有强化的作用。

图3 俄标K60 钢管双面三丝自动埋弧外焊接示意

焊缝金属的组织状态，受焊缝的化学成分和冷却条件影响［11］，冷却条件取决于焊接热输入。图4所示为不同焊接热输入条件下焊缝金属的金相组织。随着焊接热输入的提高，焊缝金属组织发生了有规律的变化：热输入量为25.25 kJ/cm 时，AF 达到最大值，PF 变化不大、侧板条状铁素体FSP 和珠光体P 含量迅速减少，此时焊缝表现出较好的韧性水平（表2）。对于俄标K60 钢管来说，焊接热输入的合理选择、适量控制是重要的工艺手段。

2.3.3 焊接能量参数

表2 所示为焊接热输入与AF 的关系是在JCO生产线上做的焊接工艺试验，根据这组数据，确定了俄标K60 钢管实际生产的焊接能量参数，具体见表3。

2.3.4 检验结果

按照合同约定执行俄罗斯ГОСТ 20295—1985标准，并参考API Spec 5L—2013《管线钢规范》（45 版）PSL2 等级进行相关项目检验。

（1）按ASTM E 94—2004《X 射线检查指南》，ASTM E 2698—2010《使用数字检测器阵列的放射学检查规程》或ASTM E 2033—1999《计算机辐射（光刺激照明法）实施规程》标准进行X 射线检验，评定等级为Ⅰ级。

图4 不同焊接热输入条件下焊缝金属的金相组织

表2 热输入量与焊缝金属组织组分的关系（体积分数）

（2）按ASTM A 370—2010《钢制品力学性能试验方法和定义》标准，抗拉强度为629 MPa。在-40 ℃下焊缝的冲击功单个值分别为52，57，84 J；热影响区的冲击功单个值分别为95，70，102 J。弯曲180°，冷弯试验全部合格。

表3 俄标K60 钢管焊接能量参数

（3）按ASTM A 370—2010 或ASTM E 110—2010《用便携式硬度测试器测定金属材料压痕硬度的试验方法》标准检验硬度（HV10），母材的平均值为158 HV10，热影响区的平均值为199 HV10 、焊缝的平均值为175 HV10。

（4）屈强比为0.77。屈强比既可以作为管道材料性能参数，也可以作为管道安全性的表征［12］。屈强比越小，材料的变形能力越大，强度裕度越大；屈强比越大，材料屈服后的塑性范围越小，越容易产生断裂破坏。

俄标K60 钢管的化学成分及力学性能检验结果见表4~5。

2.3.5 组织分析

图5 所示为俄标K60 钢管的金相组织。俄标K60 钢管母材组织为典型的AF、无带状组织，呈精密结构特征，晶粒度在10 级以上（图5a）。焊缝中心组织以AF 为主，PF、FSP 层状分布，焊缝金属具备高的韧性和强度，AF 周围颜色呈深色或黑色，主要是碳化物析出所致（图5b）。熔合线附近母材存在热影响过热区组织，AF 和少量P、FSP 增多（图5c~d）。受焊接热循环的影响，粗晶区晶粒尺寸明显长大，AF 减少，PF 增多（图5e）；临界区未能溶于奥氏体的铁素体晶粒成长，组织轻微不均匀（图5f）。