高强度X100管线钢自动焊接技术研究

2017-10-11邓贺鑫

焊管 2017年1期

关键词：高强度硬度管线

邓贺鑫

（中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300400）

高强度X100管线钢自动焊接技术研究

邓贺鑫

（中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300400）

为了获得X100高强度管线钢管环焊缝焊接接头的各项性能，在对X100高强度管线钢化学成分、力学性能分析的基础上，结合选定的焊接工艺方案，对该管线钢管环焊缝焊接接头的强度、冲击韧性、硬度、断裂韧性（CTOD）和抗氢致开裂（HIC）等进行了试验分析。结果表明，X100高强度管线钢具有良好的焊接性能，焊接接头的各项性能指标均满足管道运行安全要求，所选用的焊接材料、焊接方法和工艺参数可用于该管材的现场焊接。

焊管；X100管线钢；CRC全自动焊；焊接工艺；力学性能

Abstract:In order to obtain the various properties of X100 high strength pipeline steel pipe circumferential weld welding joint,based on analyzing the chemical composition and mechanical properties,the tensile strength,low temperature impact toughness,hardness,CTOD and HIC of welding joints were analyzed on X100 pipeline steel combined with the selected welding process.The results indicated that X100 high strength pipeline steel possesses good weldability,the various properties indicators of welding joint meet the requirement of pipeline safe operation,and the selection of welding material,welding method and the process parameters can be used for the welding on site.

Key words:welded pipe;X100 pipeline steel;CRC automatic welding;welding process;mechanical properties

随着经济的迅速发展，能源需求日益增加。作为石油天然气经济且安全的运输方式，长输管道的开发与使用正面临着快速发展的历史时期。为提高输送效率、降低管道建设成本，需不断提高管线钢的强度级别，X100管线钢正是在这种背景下应运而生的。在油气管道建设中，用X100管线钢管代替X80管线钢管可降低成本。因此，采用X100作为高压力、大流量油气输送管线用钢，具有较大的经济效益[1-3]。

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高级别的管线钢已经诞生，现场生产技术也日益成熟，但是与发达国家相比还存在一定的差距。目前，我国针对X100管线钢焊接性的研究并不多，焊接工艺的制定还有待进一步研究。

CRC管道全自动焊接技术是管道自动焊接国际先进水平的代表，其对施工现场环境、地理因素、气候条件等的适应性均较强，因此该技术受到业界的广泛关注[4-6]。与其他焊接技术相比，CRC管道全自动焊接技术最大的特点是生产效率高、焊接质量稳定、焊道成形好、劳动强度低[7]。

本研究以实际应用为导向，在对焊接材料及工艺参数试验的基础上，对X100高强度管线钢的环焊焊接接头的一系列性能进行了试验分析，以期为长输管道的建设提供理论参考和技术支持。

1 焊接工艺准备

1.1 CRC焊接系统

CRC管道全自动焊接系统包括CRC坡口机、内焊机、P260热焊系统和P600双焊枪焊接系统。根焊采用CRC内焊机系统，内焊机系统集对口器和内焊机于一体，有8把焊枪，沿圆周方向均匀安装在内对口器上，由4台Lincoln DC-400焊接电源供电。热焊采用P260热焊系统，由焊接小车、Lincoln DC-400焊接电源、电源控制盒及配电盘组成，该系统具有操作简单、可编程和电弧垂直跟踪等特点。填充、盖面采用P600双焊枪焊接系统，包括双焊枪机头、焊枪水冷装置、电源控制箱、正极和负极焊接电缆、气体保护源和调压器、Fronius Transplis Synergic 3200 Pipe电源以及手持式控制器。P600双枪头焊机具有水平和纵向的自动跟踪系统，可根据感应电压和感应电流来调节焊枪的上下及左右位置，以保证焊接过程中焊枪始终居中且电弧燃烧稳定，确保焊接质量[6]。

1.2 管材选用

管材选用鞍钢集团生产的低C高Mn微合金化设计的X100热轧卷板制成的螺旋缝埋弧焊接钢管，规格为Φ1 219 mm×18.4 mm，其化学成分和力学性能检测结果分别见表1和表2。

表1 X100螺旋焊管的化学成分 %

表2 X100螺旋焊管的力学性能

从表1可以看出，X100高强度管线钢为低C高Mn微合金化设计，该成分设计可以保证管线钢组织中针状铁素体的形成和晶粒的细化，使X100管线钢在低碳含量下具有高强度、高韧性和良好的焊接性。另外，w（S）也非常低，仅为0.001 5%，进一步提高了X100高强度管线钢抗H2S腐蚀的性能。

1.3 坡口设计

CRC管道全自动焊接选用复合坡口，坡口形状及焊接顺序如图1所示。该坡口形状可有效节省焊材和保护气体，具有焊接效率高、热影响区、接头应力及焊接变形小等特点。

图1 CRC管道全自动焊接的坡口形状及焊道顺序示意图

2 焊接工艺试验

按照美国AWS选择焊材，根焊选用Φ0.9 mm ER100S-G气体保护焊实芯焊丝，保护气体为25%CO2+75%Ar；热焊选用Φ0.9 mm ER100S-G气体保护焊实芯焊丝，保护气体为100%CO2；填充、盖面焊选用Φ1.0 mm ER110S-G气体保护焊实芯焊丝，保护气体为15%CO2+85%Ar。经过多次焊接工艺试验，最终确定的焊接工艺参数见表3。

焊前应将试件清理干净，坡口及坡口两侧20 mm范围内应见金属光泽，检查焊接设备、送气系统、送丝系统、供电电源并调试好。为了防止焊口产生淬硬组织导致延迟裂纹等缺陷，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100～250℃。

表3 CRC管道全自动焊接系统焊接工艺参数

3 焊接接头性能测试结果及分析

3.1 拉伸试验

依照API 1104—2013美国石油学会标准，任何一个试样在强度数值上不得小于所选管线钢母材名义强度值（可以小于管线钢母材实际强度）。试样在被拉断后应对拉断的位置进行观察。若试样拉断位置发生在母材，并且试验测得的强度数值在管材规定名义强度数值之上或两者相当时，则认为试样是合格的。若试样的拉断位置不在母材，而是位于焊缝，亦或在熔合区，试验测得强度数值在管材规定名义强度数值之上或两者相当，并且断面没有发现缺陷，亦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[8]。因而，对X100高强度管线钢焊接接头进行拉伸性能测试，最低要求为所得接头强度不得小于X100高强钢名义强度（数值为760 MPa）。X100高强度管线钢焊接接头的拉伸试验结果见表4。

表4 X100高强度管线钢焊接接头的拉伸试验结果

从表4可以看出，焊接接头的强度最小值为805 MPa，最大852 MPa；所得强度数值均比X100高强度管线钢名义强度（760 MPa）大，且有较大的富裕量。从试样拉断部位看，4个试样当中有3个断在焊缝区，1个断在母材区。观察发现，断裂位置在焊缝处的试样，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。在CRC-LS-1试样的断口位置有像鱼眼似的白点（如图2所示）。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。鱼眼现象会使焊接接头的塑性和韧性下降。鱼眼现象是拉伸或塑性变形时诱发的，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，能降低焊缝里的氢含量，有效预防鱼眼的发生，消除氢脆的产生。

图2 CRC-LS-1试样拉伸断面

除CRC-LS-1试样断口处存在像鱼眼似的白点外，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高强度管线钢焊接接头拉伸试验结果表明，焊接接头的抗拉强度数值与X100钢管的抗拉强度数值大小相当，实现了与母材的等强匹配。

3.2 低温冲击试验

按照GB/T 2650—2008要求对X100焊接接头试样进行冲击试验。选用夏比V形缺口试样，缺口的加工位置分别位于焊缝中心和焊接热影响区，试验温度为-20℃。X100高强度管线钢管焊接接头的冲击试验结果见表5。

由表5可知，X100高强度管线钢焊接接头焊缝中心的冲击功最小为138 J，最大为162 J，平均为152 J；HAZ区的冲击功，最小为180 J，最大为203 J，平均为194 J。所有试验值均满足冲击功单值≥60 J、平均≥80 J的标准要求。同时，试验温度下，冲击试验结果的离散性较小，与平均值的最大偏差仅为14 J。综合来看，该焊接工艺下，HAZ区的冲击功普遍高于焊缝，这说明HAZ区的低温冲击韧性要优于焊缝。究其原因，主要是HAZ区试样缺口处在熔合线，其缺口范围跨越了焊缝区、热影响区和母材三个区域。又由于X100高强钢母材的冲击韧性要好于焊缝，因而试验所得HAZ区冲击功数值较焊缝高。

表5 X100高强度管线钢焊接接头－20℃冲击试验结果

冲击吸收功数值愈高，钢材的韧性愈好，则钢材愈不易发生脆断。一般而言，HAZ的韧性普遍要比焊缝高，那么断裂发生在焊缝区域的概率较大。

采用SEM对－20℃温度时冲击功较低的焊缝与HAZ断口进行观察，结果如图3所示。从图3可以看出，－20℃下冲击试样SEM照片中出现的韧窝状很多，且韧窝较深，说明该断裂的方式为韧断，这与拉伸试验的结论一致。

观察可知，图3（b）中断口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。该断裂为高强度管线钢韧性断裂的常见方式。断裂时，首先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。当微孔达到一定程度的塑性变形后就会导致材料的断裂。

图3 焊缝及HAZ冲击试样断口表面SEM照片

3.3 硬度试验

硬度是对钢材力学性能（如弹、塑、强、韧等性能）进行综合表征的一项重要的参数。通常认为，母材强度级别愈高，其抗塑性变形的能力也愈大，相应地其硬度数值也愈高。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。钢在经过了焊接热循环后，部分组织和相比例会发生变化，力学性能也会产生相应的改变。通过维氏显微硬度测量仪测得X100高强度管线钢焊接接头硬度值如图4所示。

图4 X100高强度管线钢焊接接头硬度分布

从图4可以看出，不同焊道的硬度不同，其中盖面层硬度值最高、根焊/热焊层最低。这是由于盖面焊所得组织属于一次结晶，而填充层与根焊/热焊层都经历了不同程度的二次加热，晶粒会发生再次结晶，从而使硬度降低。根焊/热焊层中，焊缝金属的最小硬度247 HV10，最大硬度260 HV10，均较母材低；HAZ区的最小硬度为275 HV10，最大287 HV10，没有出现软化区（硬度明显较母材低的区域）。填充层中，焊缝金属的最小硬度 269 HV10，最大289 HV10；HAZ区的最小硬度282 HV10，最大硬度293 HV10，也没有出现软化区。盖面层中，焊缝金属的最小硬度294 HV10，最大305 HV10，接近母材；HAZ区没有软化区。测试结果表明，在给定工艺下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。

3.4 CTOD试验

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数值越大，表明裂纹尖端处材料的抗开裂性能越好，即韧度越好；反之，测得的CTOD数值越小，表明裂纹尖端处材料的抗开裂性能越差，即韧度越差。

按照JB/T 4291方法对X100高强度管线钢的焊接接头进行－20℃的断裂韧性（CTOD）测试，结果见表6。从表6可以看出，焊缝的CTOD值最小 0.35，最大 0.67；HAZ区的 CTOD最小0.68，最大0.81。总的来看，热影响区的断裂韧度在数值上普遍高于焊缝金属，这与低温冲击试验结果相一致。但焊缝区CTOD试验结果的离散性较大，当人工预制疲劳裂纹位于焊缝金属的微裂纹区时，将会造成CTOD值突降，产生较大的离散类分布。

表6 X100高强度管线钢焊接接头焊缝及热影响区CTOD试验结果（试验温度－20℃）

试验结果表明，－20℃条件下测定的CTOD数值均在0.05 mm以上，符合API 1104—2013标准中CTOD数值不小于0.05的要求。

3.5 HIC试验

按照NACE TM0284标准对X100高强度管线钢焊接接头进行抗氢致开裂（HIC）试验，所选溶液为NACE TM0284规范中的A溶液。按图5要求切割试样，对检查面进行金相抛光。试验后按图6测量裂纹的长度及宽度，并按照相应计算公式进行计算。

图5 抗HIC试样切割示意图

图6 裂纹长度和宽度测量示意图

式中：a—裂纹长度，mm；

b—裂纹厚度，mm；

W—样品宽度，mm；

T—样品厚度， mm。

在3个指标中，衡量管线钢抗HIC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CSR平均值愈大，表明对HIC敏感性愈大；反之，CSR平均值愈接近于0，材料抗HIC的能力就愈强。

X100高强度管线钢焊接接头抗HIC试验结果见表7。

根据API SPEC 5L标准，在A溶液进行HIC试验时，每个试样3个截面的CSR、CLR和CTR应符合以下验收极限，即CSR≤2%，CLR≤15%，CTR≤5%。试验结果表明，所选焊接工艺方案焊接的X100高强度管线钢焊缝金属的CSR=0.04%，CLR=1.57%，CTR=0.61%，均满足标准要求。说明采用该焊接工艺方案对X100高强度管线钢进行焊接，所得焊接接头具有较好的抗HIC性能。

表7 X100高强度管线钢焊接接头抗HIC试验结果

4 结束语

根据API 1104—2013管道焊接标准，对X100高强度管线钢CRC全自动焊接工艺技术进行了研究，在选定的焊接工艺方案下，X100高强度管线钢焊缝金属具有的强、塑、韧等方面的力学性能均满足相关标准的要求，且不存在HAZ区软化现象，实现了与母材的等强匹配；且焊接接头具有良好的低温韧性和抗HIC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焊接接头。

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Research on Automatic Welding Technology of X100 Grade High Strength Pipeline Steel

DENG Hexin
（China Railway Eighteen Bureau Group Construction and Installation Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300400,China）

TG457.11

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.01.003