X65钢管焊接工艺分析及质量控制

孙强 段英新 苏衍福 黄江中 赵翠华 武丙东

摘要：X65钢管工程应用极为广泛，管道焊接技术不断发展、更新，但是气体保护焊及手工焊仍然有不可替代的地位。本文通过大壁厚X65钢管的手工焊和气体保护焊两种工艺评定，设置合理的试验参数，分析二种焊接方法的理化试验性能差别，并根据管道流体介质，增加了抗硫化物应力腐蚀开裂性能试验（SSC）。针对该管道应用于海洋工程对施工环境要求相对苛刻，提出了相应的焊接过程质量控制方案，相关内容对工程制造具有很好的参考价值。

关键词：X65;气保护药芯焊;手把焊;SSC

中图分类号：TG457      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）03-0100-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.18

0    前言

X65钢管海洋工程应用极为广泛，管道焊接技术不断发展、更新，但气体保护焊及手工焊仍然有不可替代的地位。在海洋服役环境中对X65钢管要求更为苛刻，严格保证焊接质量的同时还要具备一定抗腐蝕能力。下面将介绍对于X65钢管，相同管径壁厚及焊接标准下，通过对E81T1-NI1M、E8018-C3 H4R二种牌号焊材试件进行检测，分析其焊接性并提出焊接质量控制要点。

1 焊接方法及焊接材料的选择

本工艺采用宝钢生产X65级别钢管，其化学成分和力学性能的实测结果见表1、表2。考虑到生产效率、焊缝质量和设备的应用实际情况等因素，故选择手工焊条和药芯焊丝对钢管分别进行焊接。

X65作为低碳钢应选用与母材相匹配的焊接材料，为形成具有良好低温韧性的返修焊接接头，选用低氢型焊条及药芯焊丝，扩散氢含量<5 mL/100 g。本研究选取以下2种牌号焊材：E81T1-NI1M（AWS A5.29）、E8018-C3 H4R（AWS A5.5）。焊材金属的化学成分见表1。焊接前采用密封包装状态，便于焊工操作施焊。

2 焊接工艺试验

试验管尺寸为φ610 mm×厚20.6 mm，采用30°坡口，组对坡口如图1所示。焊件组对避免出现错边，焊前使用砂轮打磨清理坡口边缘15 mm范围内的铁锈等杂质，直至露出金属光泽。焊前采取氧乙炔火焰预热，预热温度至50 ℃，焊后在200 ℃时进行水冷降温至60 ℃。气体保护焊和手工焊两组工艺（E8018-C3 H4R、E81T1-NI1M）均采用6G位置焊接，根据经验及现场实际应用设计的工艺参数如表3所示[1]。

3 焊接检测结果与分析

焊接24 h后对焊件进行外观、NDT检测（RT、UT、MT）显示结果全部合格。对焊缝外观质量检查，无表面气孔、夹渣、咬边、裂纹等缺陷。

对遵循标准及项目规格书制取的力学性能试样，进行了拉伸、弯曲、缺口锤断、冲击、硬度试验及抗硫化物应力腐蚀开裂性能试验。

3.1 拉伸试验

API标准要求试样焊缝的抗拉强度不小于母材的最小名义抗拉强度的95%。拉伸试验结果见表4[2]。由表4可见，断裂发生在母材位置的试样，其焊缝拉伸强度均高于母材最小名义;试验结果表明，两种焊材焊接的X65钢管接头拉伸性能符合相关标准要求，焊缝接头性能合格。且E81T1-NI1M试件的屈服强度、抗拉强度和延伸率略高于E8018-C3 H4R试件，表现出前者焊材的优越性能。

3.2 弯曲试验及缺口锤断试验

试验执行API 1104标准，沿厚度方向截取8个弯曲试样及4个缺口锤断试样，进行侧弯及拉伸试验。弯曲试验条件为压头直径90 mm，弯曲角180°，试验弯曲面及截断面金属密实，无气孔、裂纹及夹渣出现，符合标准要求。

3.3 冲击试验

区别于API 1103标准要求，额外进行了冲击试验，执行ASME SA370标准，冲击试验结果见图2[3]。

由图2可见，X65钢焊接接头的焊缝及热影响区冲击性能满足项目-26 ℃冲击韧性要求，单个冲击功AkV≥34 J，平均吸收功AkV≥46 J（每点各代表一个试件）;由图可知，焊缝中心、熔合线位置的冲击较低，通过对比冲击试验点线图可知，气体保护焊冲击性能与手工焊近乎相当。

3.4 硬度和宏观试验

为与API 1104标准要求进行区分，额外进行了硬度和宏观试验，执行ASTM E384-11e1标准。通过对焊缝宏观检查（见图3）[4]，发现焊缝完全焊透，无裂纹等缺陷。如图3所示，热影响区（HAZ）附近硬度稍大，根据项目要求，两种焊材的硬度值均在可接受范围（≤248 HV10）。

3.5 抗硫化物应力腐蚀开裂性能试验（SSC）

按应用项目要求，进行了硫化物应力腐蚀开裂性能试验，执行NACE TM 0177标准[5]，通99.5%的硫化氢气体，压力为0.1 MPa（1 bar），温度为（24±3）℃的试验条件下进行720 h SSC试验。

试验前pH值2.8，试验后pH值3.8。720 h前后清洗10倍对受拉面进行宏观检测，结果显示无断裂且受拉面无可见SSC裂纹。

4 质量控制

焊接环境要求出现阴冷、雨雪，盐水雾或大风等可能会影响焊接质量的天气时，不允许焊接。焊接过程需有必要的防风措施，风速不大于8 m/s，避免气温、风等原因影响焊接施工。

坡口外电弧击伤是不可接受的。因电弧击伤引起的母材受损可以打磨去除，打磨后要做磁粉检测以确认没有裂纹，并用超声波检测该部位母材厚度，以确保剩余母材厚度不小于母材最小允许厚度。

采用电动钢刷打磨15 mm区域，无水分、油污、碳化物等影响焊接质量的杂质存在。

焊接前必须预热，可使用烤把或电加热方法进行预热，但不应高于最低值50 ℃。

焊接前使用高斯表，检查磁场是否太高或在管上是否分布不均，在管件上每90°测量一个点，4个测量点平均值不超过2.0 mT，最大单值不超过2.5 mT [6]。

焊接中使用外对口器时，必须根焊完毕才能动管。使用外对管器时，根焊50%后方可撤掉外对管器。焊接过程不应中断，如中断则应在中断前至少完成3道焊缝或壁厚的一半厚度的焊接。并采用绝热材料包裹焊缝，使焊缝缓慢冷却。在重新施焊前，应将未完成的焊接接头重新预热至焊接程序规定温度。

返修焊接氣刨前必须进行预热，预热温度与焊接温度相同，气刨区域坡口打磨至金属光泽，并进行磁粉检验以确保缺陷被去除。返修焊最大层间温度应与焊接温度一致并且不超过250 ℃。返修焊接过程不得中断。

为防止产生气孔缺欠，保护气体纯度应不低于99.99%，气体流量设定在17～19 L/min，气流量太低会造成保护气体不足，气流量太高有可能在熔池内形成紊流，降低保护效果，不利于保护气体从熔池中溢出，容易产生气孔缺陷。

为防止产生热裂纹缺陷，应采用较小的焊接热输入，采用多层多道焊。为获得良好焊缝成形，焊接时需适当摆动。

5 结论

通过对E8018-C3 H4R、E81T1-NI1M二种牌号焊材焊接X65钢力学性能分析，采用设计合理的焊接工艺并严格控制焊接过程，可以得到合格的焊接接头，其具有较强低温冲击韧性，在SSC试验环境下对硫致应力腐蚀开裂倾向不敏感;手工电弧焊焊条E8018-C3 H4R、药芯气体保护焊焊丝E81T1-NI1M在全位置焊接X65钢管试件中表现出良好的力学性能，满足项目规范要求。

参考文献：

孙强，秦颖，黄江中，等.船用高强度钢埋弧焊材焊接工艺[J].电焊机，2018，48（2）：126-129，134.

API 1104-2013，美国管道和相关设施的焊接标准，Wel-ding of Pipelines and Related Facilities[S].

ASTM A370-15，钢制品力学性能试验的标准试验方法和定义，Standard Test Methods and Definitions for Mechani-cal Testing of Ste[S].

ASTM E384-11e1-11，材料的努氏和维氏硬度标准试验方法，Standard Test Methods for Knoop and Vickers Hard-ness of Materials[S].

NACE TM 0177 H2S，环境中抗特殊形式的环境开裂材料的实验室试验方法，Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments[S].

DNVGL-ST-F101，海底管道标准，Submarine pipeline sy-stems[S].