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特殊條件下管線鋼管自動環縫焊接性研究

來源:至德鋼業 日期:2020-12-27 01:12:49 人氣:249

根據海外管線鋼管用戶需求,針對典型規格X70M大口徑UOE管線鋼管,在不超過0.25 NJ/mm超低熱輸入以及焊絲高強匹配條件下進行熔化極氣體保護自動環縫焊接。通過研究實際焊接過程中環焊接頭冷裂紋敏感性、焊后環焊接頭強化、硬化與脆化傾向,全面評價X70M管線鋼管在這種具有加速失效特征的特殊焊接條件下的環縫焊接性。同時,將特殊條件下X70M管線鋼管接頭使用性能特征與現場施工正常主流焊接工藝條件下的接頭性能指標進行比較,從而證實了X70M管線鋼管良好的環縫焊接性,并指出了特殊條件下管線鋼管自動環縫焊接性評價結果對現場施工焊接的重要指導意義。結果表明,即使在特殊苛刻焊接條件下,X70M管線鋼管焊接性仍能滿足現場施工焊接要求。

1概述

當前,低碳經濟和綠色產業被廣泛關注,相應地,以天然氣為代表的清潔能源正在得到廣泛應用,并具有廣闊的發展前途。然而,天然氣資源大多分布在遠離消費區的邊遠地帶,如何將其從產地輸送到使用地是需要重點解決的問題。作為一種經濟、安全、連續、高效的輸送方法,大口徑長輸管道運輸在天然氣、石油、礦漿等輸送中具有獨特優勢。鑒于此,油氣長輸管道建設在國內外都得到了飛速發展。

對于管道建設項目業主來說,現場環縫焊接是長輸管道建設中的關鍵技術,焊接質量、效率與成本決定了工程質量與工效。長輸管道環縫焊接是一項系統工程,焊接質量、效率與成本取決于諸多內部或外部因素,比如:鋼管材料與規格、輸送壓力、介質性質、現場施工環境、焊接方法選擇、施工隊伍硬件和軟件配置、人文環境要求等。其中,作為管線鋼管材料供應商,更應該關注管材本身的焊接性,包括兩方面含義:一是在一定的焊接條件下形成完整無缺陷焊接接頭的能力,即工藝焊接性;二是焊接接頭在一定的服役條件下安全可靠運行的能力,即使用焊接性。對于目前長輸管道常用的低碳微合金化管線鋼管,工藝焊接性通??疾旌附舆^程中冷裂紋敏感性,使用焊接性一般考察焊后接頭強化、硬化與脆化行為。

當前,針對材料焊接性評價的方法很多,常用的直接評價法包括斜Y坡口對接抗裂試驗、插銷試驗、剛性拘束裂紋試驗、可變拘束熱裂紋試驗、FISCO焊接裂紋試驗以及Z向拉伸試驗等,間接推算法包括碳當量(冷裂紋敏感指數)法、最高硬度法、連續冷卻組織轉變曲線法、熱一應力模擬法等。這些方法已經比較成熟并寫入了相關行業標準。然而,經過大量的工程實踐案例與分析,這些方法均相對保守,對實際現場施工焊接的指導作用不夠充分。

采用與現場施工焊接相同的焊接工藝條件進行實際的接頭施焊,并進行接頭綜合性能評價,可以準確地評估材料在特定條件下的焊接性,可直接用于指導現場施工焊接。但是,這種方法不能體現材料本身的焊接性裕量。對管線鋼管項目業主來說,材料焊接性裕量越大,其現場焊接工藝實施的窗口范圍越寬,對其降低成本、提高效率將非常有利。鑒于此,很多海外用戶對管材供應商提出了特殊苛刻條件下的可焊性評價要求,從而保證管線鋼管現場焊接性裕量,為現場施工焊接提供便利。

為了適應當前海外管線鋼管用戶特殊苛刻條件下焊接性評價的要求,針對典型規格X70M大口徑UOE鋼管,在不超過0.25kJ/mm超低熱輸入以及焊絲高強匹配條件下進行熔化極氣體保護自動環縫焊接,通過環焊接頭外觀檢查以及X射線、超聲波無損檢驗研究實際焊接過程中環焊接頭冷裂紋敏感性。通過進行環焊接頭強化、硬化與脆化行為分析,全面評價了X70M管線鋼管在這種具有加速失效特征的特殊焊接條件下的環縫焊接性。同時,將特殊條件下X70M管線鋼管接頭使用性能特征與現場施工正常主流焊接工藝條件下的接頭性能指標進行比較,從而證實了X70M管線鋼管良好的環縫焊接性,并指出了特殊條件下管線鋼管自動環縫焊接性評價結果對現場施工焊接的重要指導意義。

2焊接試驗過程

2.1管線鋼管材料

1和表2分別為試驗選取的典型規格鋼管對應的基本化學成分和力學性能,所有指標均能夠滿足API5L標準規定的相關技術要求。制管用X70M管線鋼屬于典型的低碳微合金化控軋控冷鋼,碳含量與冷裂紋敏感指數均較低,理論上應該具有良好的焊接性。管體母材強度與塑韌性指標均很好。

2.2焊接材料匹配

3為試驗鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動環縫焊接焊材匹配方案。其中,自動內根焊采用同種焊材,而填充蓋面焊道分別采用了理論上高強和等強匹配的熔化極氣體保護實芯焊絲。在不超過0.25kJ/mm超低熱輸入自動環縫焊接條件下,同時采用高強匹配焊接材料組合,能夠加劇焊接接頭冷裂紋敏感性,并促進接頭硬化和脆化,從而使這種條件下的焊接性評價具有加速失效特征。等強焊材匹配代表了主流施工焊接工藝條件,評價結果與特殊條件下的結果進行比較對照,一方面可以證實試驗鋼管的可焊性,再者可以判定試驗鋼管是否具有現場環縫焊接性裕量,對用戶制定現場施工焊接技術方案具有重要的指導意義和參考價值。

2.3焊接接頭形式與坡口尺寸

1所示為試驗鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動環焊接頭形式與坡口尺寸。由于采用了帶有內對口器的自動內焊機進行自動熔化極氣體保護根焊,內坡口加工了小尺寸V型槽,保證根焊縫良好成型。外部采用小角度復合V型坡口,從而能夠減少填充量,提高焊接效率。鈍邊尺寸的設置需要結合焊接工藝參數,保證熔透深度。

2.4焊接工藝規范

4為試驗鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動環縫焊接工藝規范。這里,根焊縫均采用自動內焊方法,焊接工藝規范與現場施工主流焊接工藝基本保持一致。填充蓋面焊接分別采用特殊條件和主流施工焊接條件下工藝規范。一般地,管線鋼管現場施工氣體保護自動環縫焊接熱輸入范圍為0.6~1.0kJ/mm,根據焊接坡口形式與焊道布置方式的不同稍有變化?;谌刍瘶O氣體保護焊接的不超過0.25kJ/mm超低熱輸入屬于特殊苛刻的焊接條件,在這種條件下,焊后冷卻速度急劇升高,接頭淬硬傾向增加,微觀組織均勻性變差,將會同時增加焊接過程中冷裂紋敏感性以及接頭硬化與脆化傾向,與現場施工主流焊接工藝條件相比,具有明顯的加速失效特征。

首先,鋼管端部坡口附近25mm范圍內應用機械打磨方法清理干凈,以避免產生焊接缺陷。焊前將鋼管段加熱到不超過60℃,這種低溫加熱條件旨在去除鋼管表面水分,與常用的焊前預熱有本質的區別,對焊后冷卻速度及接頭淬硬傾向基本沒有影響,屬于無預熱焊接范疇。焊接過程中層間溫度不超過150℃。根焊采用直拉焊接,填充與蓋面焊根據熱輸入范圍的不同采用直拉或擺動焊接模式,保證焊接熔合質量。采用CPP900-IW56帶有內對口器的內焊機進行自動內根焊,CPP900-W2外焊機進行填充和蓋面焊。

3試驗結果與討論

3.1環焊接頭冷裂紋敏感性

基于特殊條件與主流施工焊接條件下的試驗鋼管自動環縫焊接完成后,進行接頭外觀檢查,焊縫與管體母材之間過渡良好,焊縫均勻連續,沒有發現明顯可見的焊接缺陷。鋼管環縫焊接完成24h后進行X射線、超聲波無損檢驗發現:焊接質量滿足API1104-2016標準要求,沒有出現焊接冷裂紋等缺陷??梢?,即使在預熱溫度很低、高強焊材匹配、超低熱輸入自動焊接特殊苛刻條件下,典型規格X70M管線鋼管環焊接頭也沒有冷裂紋傾向,其工藝焊接性良好,并具有較大的裕量。圖2為編號GW152GW190環焊接頭外觀形貌。

3.2環焊接頭強化硬化與脆化行為分析

3為兩種焊接工藝條件下環焊接頭力學性能評價試樣取樣位置。通過進行相關力學性能評價試驗,分析在特殊苛刻焊接條件下X70M管線鋼管環焊接頭強化、硬化與脆化行為。

4為兩種焊接工藝條件下環焊接頭橫向拉伸性能??梢?,所有試樣抗拉強度均遠高于X70M規定最低抗拉強度,并且所有接頭試樣斷裂位置均為管體母材。

5為兩種焊接工藝條件下環焊縫金屬縱向拉伸性能??梢?,超低熱輸入自動焊接與焊材高強匹配,共同造成了焊縫金屬過度強化,同時,塑性指標顯著下降。當采用現場施工主流焊接工藝規范時,焊縫金屬強度顯著降低,塑性指標也得到改善。

按照圖5所示方法進行兩種焊接工藝條件下環焊接頭維氏硬度測試,試驗結果見圖6BM為母材,HAZ為焊接熱影響區,WM為焊縫金屬;測試點位置按照圖5從左到右依次編號)??梢?,在高強焊接材料匹配、超低熱輸入自動焊接條件下,焊縫金屬硬度值均很高,最高達到389HV10,表現出嚴重的硬化傾向。受到超低熱輸入焊接后快速冷卻的影響,焊接熱影響區靠近熔合線的粗晶區位置也表現出明顯的硬化傾向,這與前述接頭強度指標劇烈升高以及塑性指標降低是一致的。當采用現場焊接主流工藝規范時,接頭硬化程度不大。

7為兩種焊接工藝條件下環焊接頭不同位置沖擊韌性??梢?,在高強度焊材匹配、超低熱輸人自動焊接條件下,隨著焊縫金屬強化與硬化程度的增加,沖擊韌性顯著下降,但仍高于用戶規定的驗收指標50/60J。相對之下,現場焊接主流工藝條件下焊縫金屬沖擊韌性非常好。無論哪種焊接工藝條件,熔合線和熱影響區沖擊韌性均很好。

針對現場焊接主流工藝條件接頭,進行系列溫度沖擊韌性試驗,研究其在一定溫度范圍內的韌脆轉變行為。圖8GW190環焊接頭不同位置系列溫度沖擊韌性??梢?,在試驗溫度范圍內,GW190環焊接頭3個位置沖擊韌性均處于較高水平,即使在-40℃條件下,沖擊功也沒有劇烈下降,只是出現了個別沖擊值的波動??梢哉J為,基于現場施工主流焊接工藝的自動環焊接頭韌脆轉變溫度低于-40℃,這在一般的管線設計與服役溫度下是非常安全的,這說明了寶鋼典型規格UOE鋼管具有較大的現場焊接性裕量。針對兩種焊接工藝條件下環焊接頭不同位置進行基于單側缺口彎曲試樣(SENB)的CTOD斷裂韌性試驗,試樣尺寸為B·BB表示鋼管壁厚),缺口方向為貫穿壁厚(NP),試驗溫度為-10℃。圖9為兩種焊接工藝條件下環焊接頭不同位置CTOD特征值??梢?,在高強度焊材匹配、超低熱輸入自動焊接條件下,隨著焊縫金屬強化與硬化程度的增加,CTOD斷裂韌性顯著下降,受此影響,熔合線和熱影響區位置CTOD特征值也偏低。然而,即使在特殊苛刻焊接工藝條件下,環焊接頭熔合線和熱影響區CTOD斷裂韌性均明顯高于一般工程驗收標準值0.2mm,說明寶鋼典型規格UOE鋼管具有較高的現場焊接性裕量。所以,在現場焊接主流工藝條件下,環焊接頭各個位置均表現出良好的CTOD斷裂韌性。此外,與沖擊韌性值相比,CTOD特征值表現出很大的離散性,這與環焊接頭組織不均勻有關,這種組織不均勻性對CTOD特征值的影響程度遠大于沖擊韌性。同時,沖擊韌性與斷裂韌性也不是完全正相關的關系。CTOD斷裂韌性的影響因素與機制更加復雜,也具有更大的不確定性。

10GW152焊接接頭不同位置典型微觀組織。在超低熱輸入自動焊后快速冷卻時,焊縫金屬內碳原子來不及擴散形成鐵素體/貝氏體基體上聚集狀M-A組元,這是焊縫金屬脆化的重要原因。焊后快速冷卻增加了淬硬傾向并形成密集分布的條狀馬氏體,這是焊縫金屬強化、硬化與脆化的重要原因。熱影響區粗晶區(CGHAZ)同樣受到快速冷卻淬硬作用,在原奧氏體晶界內生成交錯分布的條狀貝氏體+馬氏體組織,二者交錯分布在一定程度上改善了CGHAZ韌性,同時由于該區域比較窄,所以對沖擊韌性的影響不大。多層多道焊接時,二次和多次循環受熱的臨界再熱粗晶區(IRCGHAZ)組織特征比較復雜,其循環受熱溫度處于a+y兩相區,冷卻時發生不均勻、不充分固態相變,多次非均勻相變使碳化物在M-A組元內部聚集,與周圍基體出現了碳濃度梯度,并形成了條狀貝氏體/鐵素體+馬氏體+不均勻分布塊狀高碳M-A組元,這將割裂貝氏體/鐵素體基體并降低該區域韌性指標。由于這種局部脆化區很窄并且隨機分布,無論是熔合線還是熱影響區位置沖擊試驗取樣刻槽,都不可能完全取在該區域,其對沖擊韌性影響不大。然而,在CTOD斷裂韌性評價時,一旦預制疲勞裂紋尖端位于該局部脆化IRCGHAZ,加載過程中將快速失穩擴展,出現突變區或直接發生脆性斷裂,并造成CTOD特征值的劇烈下降。這也是前述熔合線和熱影響區位置CTOD值離散性分布的重要原因5。

11GW190焊接接頭不同位置典型微觀組織。在現場焊接主流工藝條件下,環焊接頭焊后冷卻速度適中,焊縫金屬以條狀鐵素體+貝氏體組織為主,局部存在少量塊狀M-A組元,沒有形成對基體金屬的割裂作用,從而使焊縫金屬表現出良好的韌性指標。熱影響區粗晶區很窄,一次粗晶區奧氏體晶界明顯,以細針狀貝氏體+鐵素體+少量M-A組元為主,同時二次再熱粗晶區具有M-A組元聚集特征。在該試驗條件下,該區域對接頭造成的局部脆化效應不明顯。

4結論

1)針對典型規格X70M大口徑UOE管線鋼管,在不超過0.25kJ/mm超低熱輸入以及焊絲高強匹配條件下進行無預熱熔化極氣體保護自動環縫焊接,在這種特殊苛刻焊接條件下,材料無冷裂紋敏感性,表現出良好的工藝焊接性。

2)特殊苛刻焊接條件下X70M環焊接頭表現出一定的強化、硬化與脆化傾向,但仍能滿足相關標準要求。通過進行現場焊接主流工藝條件環焊與性能評價比較,證明了寶鋼X70M管線管具有較大的焊接性裕量,該結果對現場施工焊接具有重要的指導意義。

3)環焊接頭表現出的強化、硬化與脆化傾向,與接頭微觀組織形態密切相關。不同的焊接條件下形成的不同組織形態導致接頭性能的差異。環焊接頭非均勻組織分布造成了部分性能指標的離散性。

本文標簽:鋼管 

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