钻井平台用ASTM 4130管线钢管焊接工艺评定

2017-10-11柴俊义张育坤

焊管 2017年8期

关键词：焊材管材热处理

郭毅，柴俊义，张育坤

（太重滨海海工装备分公司，天津300452）

钻井平台用ASTM 4130管线钢管焊接工艺评定

郭毅，柴俊义，张育坤

（太重滨海海工装备分公司，天津300452）

为了保障钻井平台用ASTM 4130管线钢管的安全运行，研究满足规范要求并符合现场工况的焊接工艺，通过对管材焊接性能分析，制定出与之相匹配的焊接工艺，并进行了焊接工艺评定试验。试验结果显示，ASTM 4130管线钢管试样的各项力学性能试验结果均符合评定标准要求，表明研究制定的焊接工艺规范合理，能够满足严苛的标准和现场工况要求，保证了ASTM 4130管线钢管的顺利生产和安全运行。

钢管；钻井平台；ASTM 4130；焊接工艺评定

Abstract:In order to guarantee safe operation of drilling platform ASTM 4130 line pipe,it studied the welding process,which can meet the specification requirements and conform to the site condition.Through the analysis of pipe material welding performance,successfully formulated the matched welding process specification,and the welding procedure qualification test was carried out with this specification.The test results indicated that the various physical and chemical test results conforms to the requirements of the evaluation criteria,showed that the formulated welding process qualification is reasonable,which can meet the severe standard and site condition requirement,ensure the smooth production and safe operation of ASTM 4130 line pipe.

Key words:steel pipe;drilling platform;ASTM 4130;welding procedure qualification

1 ASTM 4130管线钢焊接性能分析

ASTM 4130管线钢的交货状态为调质态，其化学成分和力学性能见表1和表2[1]。从表1可以计算出，ASTM 4130管线钢的碳当量CEIIW为0.56～0.76，裂纹敏感系数 CEpcm 为 0.36～0.44，冷裂纹敏感系数较高，具有明显的淬硬和冷裂纹倾向。

表1 ASTM 4130管线钢化学成分 %

表2 ASTM 4130管线钢力学性能

ASTM 4130管线钢为中碳高强调质钢，类似于国标的30CrMo材质，该类材料的碳含量和合金含量较高，具有较大的热裂倾向。在制定焊接工艺时，应尽量选择低C、P、S焊材，适当增加焊接热输入，提高预热温度，从而减小焊缝金属的应变率，降低焊接裂纹倾向。

中碳高强调质钢由于碳含量和合金含量较高，有较高的淬硬性，在焊接热影响区容易产生硬而脆的高碳马氏体组织，从而导致热影响区脆化[2]。为了尽量减弱热影响区脆化影响，在焊接过程中应精确控制热输入。焊接热输入过高会因晶粒长大或出现魏氏体组织而降低粗晶区韧性；焊接热输入过小，粗晶区中马氏体组织所占比例过大而降低韧性[3]。

ASTM 4130管线钢应用环境十分恶劣，会受到周期载荷、海水及油介质的影响，易产生应力腐蚀开裂，所以在制定焊接工艺时，应满足NACE-0175[4]和 ASME B31.3[5]的相关要求。

2 试验设计

2.1 材料及接头形式

本次焊接工艺评定试验选用规格Φ88.9 mm×7.62 mm进口ASTM 4130-QT无缝钢管，为了覆盖全位置对接焊，确定焊接位置为6G。焊接坡口形式如图1所示。

图1 焊接坡口形式

2.2 焊接材料

由于试验用钢管直径较小，只能进行单面施焊，其背面成形质量不易保证，所以打底焊一般采用钨极氩弧焊工艺。由于本研究中ASTM 4130钢管应用范围较小，故采用手工钨极氩弧焊。根据管材强度及根焊缝残余应力较大因素，选用OERLIKON的1CrMo氩弧焊丝进行打底焊。该焊材的C、P、S含量较低，热裂纹敏感系数较小。

为了提高熔敷率，改善现场施工条件，对接焊的填充和盖面焊部分采用手工电弧焊工艺。手工电弧焊焊材的选用主要依据以下原则：①选用与ASTM 4130管材强度同级别的焊材；②焊材w（Ni）＜1%（NACE MR01-75[2]中的要求）； ③焊材为低氢碱性焊条且热裂纹敏感元素C、P、S含量低。根据以上原则，最终选定ESAB OK74.86作为填充、盖面焊用焊材。

2.3 预热和层间温度

预热温度与管材的淬硬性、板厚、拘束度和氢含量等因素有关，标准推荐的预热温度只能作为参考，工程中应根据实际工况结合焊接工艺评定的验证试验来确定预热温度，多层多道焊的层间温度应保证不低于预热温度。最终确定预热温度≥180℃，层间温度≤230℃。

2.4 焊接参数

ASTM 4130管材作为中碳高强调质钢，合金元素较多，且有相当大的淬硬倾向，马氏体转变温度MS低，无“自回火”过程，在焊接热影响区易产生大量硬而脆的马氏体组织[4]。焊接过程中对焊接热输入较为敏感，热输入过大，会造成焊接热影响区奥氏体晶粒粗大，接头韧性和抗裂性能下降；热输入过小，则冷却速度快，容易产生淬硬组织，使其裂纹倾向增大。根据以往经验，结合焊接工艺，确定本次试验的钨极氩弧焊热输入应控制在1.5～2.0 kJ/mm，手工电弧焊的热输入应控制在1.8～2.5 kJ/mm。具体焊接参数见表3[6-9]。

表3 试验焊接参数

2.5 焊后热处理工艺

焊后热处理主要是为了改善焊接接头的显微组织，消除焊接残余应力。ASTM 4130管材的焊后热处理工艺制定主要基于以下几点：①焊后接头硬度满足NACE-0175标准要求（≤22.0HRC）；②热处理最高温度应低于母材的调质回火温度，（一般低于此温度30℃左右）；③符合ASME B31.3中对4130材质的热处理要求。本研究确定的焊后热处理工艺参数见表4。

表4 焊后热处理工艺参数

3 焊接工艺评定

焊接试件热处理后，对焊缝进行100%的UT和MT探伤，探伤合格后，进行力学性能试验，取样位置如图2所示。由于项目入级CCS，所以ASTM 4130钢管焊接评定的取样要求应遵守CCS材料与焊接规范2014版[10]的相关要求，而评定标准则综合考虑NACE-0175、ASEM B 31.3和API的相关要求。

图2 取样位置示意图

3.1 横向拉伸试验

根据CCS材料与焊接规范2014版的要求，焊缝横向拉伸试样为2个，接头抗拉强度应不低于母材规定的最小抗拉强度（690 MPa）。

3.2 弯曲试验

由于试验用管材壁厚为7.62 mm（＜12 mm），所以应选择正反弯试样各2个。弯曲试验后，试样的受拉表面不应出现长度超过3 mm的裂纹或其他缺陷。

3.3 宏观形貌和硬度检查

各取1个焊缝宏观形貌和硬度测试试样。焊缝断面的宏观检查应为焊缝完全焊透、无裂纹。硬度检查应满足CCS材料与焊接规范2014版[10]≤420HV的要求；而NACE-0175中规定硬度≤248HV。在本次试验中，采用较严格的规范，焊后热处理后的硬度≤248HV。

3.4 冲击试验

在焊接试件焊缝中心、熔合线、熔合线+2 mm和熔合线+5 mm位置各加工冲击试样3个。根据产品服役温度0℃，参考ASME IX（2013）[11]和ASME 31.3的相关规定，最终确定焊接工艺评定的冲击试验温度为-30℃，冲击功值≥34 J。

以上力学性能试验结果见表5。从表5可以看出，ASTM 4130钢管焊接工艺评定的各项指标均在要求范围之内，从而证明该工艺可应用于实际生产中。

表5 理化试验结果

4 结论

（1）对ASTM 4130管材焊接性能进行分析，制定出与之相匹配的焊接工艺；通过焊接工艺试验表明，该工艺中预热、热输入、焊后热处理等关键工艺参数合理并满足要求。

（2）通过对ASTM 4130管材进行焊接工艺研究，使该工艺通过了船级社和业主的认可，有效保证了生产的顺利进行，并为ASTM 4130管材的工程施焊提供理论参考。

[1]ASTM A519-06，Standard Specification for Seamless Carbon and Alloy Steel Mechanical tubing[S].

[2]李亚江.焊接原理及应用[M].北京：化学工业出版社，2009.

[3]周振丰.焊接冶金学（金属焊接性）[M].北京：机械工业出版社，2001.

[4]NACE MR0175:2009，Petroleum and Natural Gas Industries-materials for Use in H2S—Containing Environment in Oil and Gas Production[S].

[5]ASME B31.3：2012， Process piping[S].

[6]张继军，邵丹丹，温道能，等.海洋平台AISI4130高压管线的焊接工艺[J].广东造船，2015（6）：60-61.

[7]时群超.海洋平台AISI4130管线的焊接[J].管道技术与设备，2012（3）:45-47.

[8]李颂宏.国际管道工程焊接工艺评定的经验与体会[J].焊接技术， 2007（S2）:4-9.

[9]AWS D1.1/D1.1M：2010， Structural Welding Code Steel[S].

[10]中国船级社.CCS材料与焊接规范[M].北京：人民交通出版社，2014.

[11]ASME IX：2013， Qualification Standard for Welding and Brazing Procedures，Welders，Brazers and Welding and Brazing Operators[S].

编辑：李超

关于征集“中国金属学会轧钢分会焊管学术委员会七届二次年会”论文的通知

焊管学术委员会各成员单位、国内焊管界专家、学者：

为了加强国内焊管企业之间的技术交流与合作，中国金属学会轧钢分会焊接钢管学术委员会拟于2017年11月召开焊管学术委员会七届二次年会，届时将特邀焊管行业有关权威人士，知名焊管生产及装备制造企业的技术专家做相应主题报告。同时，会议将进行学术论文交流，并评选优秀论文。会议将对优秀论文进行奖励，并将择优在《焊管》期刊上发表。有关征稿事宜具体通知如下：

一、征集主题

1、焊管行业发展的宏观预测及转型升级途径；

2、直缝埋弧焊管、螺旋埋弧焊管及HFW焊管等产品的研制成果：包括新产品研发、性能优化、工艺改进、装备升级、质量提升等；

3、复合钢管研制成果：双金属复合钢管、玻璃纤维管等；

4、焊材研制成果：焊丝、焊剂等。

二、稿件要求

1、论文要求没有在正式刊物上公开发表，要有新意，有一定的科技、学术水平。

2、每篇论文要求数据可靠，公式、符号、计量单位及工程术语使用正确。

3、稿件的最后一页注明第一作者姓名、职务、工作单位、地址、邮政编码、联系电话、电子邮箱。

4、论文题目下要注明论文作者、工作单位（多人合写者，按主次署名）。正文前有摘要、关键词。论文中引用参考文件按其在论文中出现的先后顺序编列附于文后，依次为顺序号、题目、作者、出版单位、日期。三、截稿时间及编审

1、截稿时间为2017年10月25日，逾期不再受理。

2、会务组将对论文进行审查，通过审查的论文将于11月5日前通知作者。