西氣東輸二線X80鋼自動焊工藝試驗研究

唐德渝，牛虎理，龍 斌，李春潤，張建護

（中國石油集團工程技術研究院，天津 300451）

西氣東輸二線X80鋼自動焊工藝試驗研究

唐德渝，牛虎理，龍 斌，李春潤，張建護

（中國石油集團工程技術研究院，天津 300451）

針對西氣東輸二線工程的要求，對其主線路采用的X80鋼的自動焊工藝進行了試驗研究。通過對X80鋼的材質特性分析，結合焊接材料的匹配以及自動焊設備的特點，對焊縫的坡口型式、根焊方法以及填充和蓋面的參數進行了試驗研究，并通過對焊接接頭的力學性能試驗，得到了典型的自動焊規范參數，并在工程中推廣應用，滿足現場自動焊施工的技術要求，為現場施工提供了有力的技術保證。

X80鋼；自動焊；工藝研究

0 引言

西氣東輸二線工程，全長超過8 000 km，其中主線路超過4 000 km，采用X80高強管道鋼，設計管徑為1 219 mm，壁厚分別為18.4 mm、22.6 mm和26.4 mm，個別地段為33 mm。輸送壓力分別為12 MPa和10 MPa，輸送量為300億m3/a。管道經過的地域自然條件差異較大，沿線涉及氣溫低、凍土及地震多發區域。因此，該工程施工難度大，質量要求高，技術復雜。

鑒于X80鋼為控軋控冷超微晶組織，強度高，韌性好，但焊接熱過程會引起其組織和性能的變化，如此大規模應用X80鋼，在我國是首次，在世界上也是史無前例的 （此前，國外用X80鋼建設完成的管道僅2 000 km左右，國內僅8 km）。為了更好地推廣和應用自動焊方法，需結合X80鋼的材質特點，開展配套的工藝技術研究。

為實現自動焊施工優質、高效的目的，本文在對X80鋼自動焊可焊性進行深入分析研究的基礎上，針對各施工單位使用的自動焊裝備，結合工程標準規范的要求，開展自動焊工藝技術的研究，為施工單位提供指導現場施工的自動焊工藝規程，使各單位的自動焊施工能力得到全面提升。

1 X80鋼可焊性分析

X80鋼是通過微合金化、超純凈冶煉、控制軋制、控制冷卻而獲得高強高韌性能的管道用鋼。與X70鋼相比，鋼質更純凈，含硫量更低，晶粒進一步細化至數微米，使得X80鋼強度及韌性得到了同步提升。焊縫金屬是一種鑄態組織，其強韌化方法目前主要以焊縫合金化為主。為了使焊縫具有與基材相當的強度，應向焊縫加入足夠的合金化元素，所以焊縫金屬可能具有更高的碳當量，對焊接裂紋也更為敏感。通常情況下，如果焊縫不進行焊后熱處理，即使焊縫中具有較少量的馬氏體也是有害的，所以焊縫中的顯微偏析應降至最低，這只有通過降低碳含量及細化晶粒來實現。加入合金元素可以促進針狀鐵素體的形成，但也增加了形成馬氏體的危險性。母材強度越高，在選擇焊接工藝及焊接材料時就應該越仔細。焊縫金屬化學成分應該優化以使焊縫強度、韌性及抗裂性能得到平衡。X80鋼的焊接主要應注意以下4個問題：

（1）屈強比增高。隨著鋼等級的提高，屈強比呈現增高趨勢，如Alliance管道的X70鋼要求σs/σb≤0.93，實際測定為0.91，我國的西氣東輸要求σs/σb≤0.90。高屈強比表明鋼的應變硬化能力降低，使管道抗側向彎曲能力降低。應變硬化能力在土質不穩定區、不連續凍土區及地震帶是很重要的。所以在試制西氣東輸二線X80鋼時，也對σs/σb進行了嚴格限制。

（2）熱影響區 （HAZ）軟化。由于X80鋼的性能是通過合金化和控制軋制共同作用獲得精細組織來保證的，因此，在焊接過程中，在熱循環作用下，其HAZ的組織必然會由于重新加熱而發生相變，并在冷卻時因再結晶而出現晶粒粗化等現象，使接頭的強度下降，產生軟化，同時HAZ的韌性也會發生變化。對于X80以下的管道鋼，這種現象并不顯著。鋼材強度級別越高，保證焊縫及HAZ性能的工藝條件越嚴格。研究表明，焊接線能量對HAZ軟化有很大影響。焊接線能量越大，軟化區就越寬。因此，其焊接工藝應以嚴格控制焊接線能量為重點。另外，母材強度及成分對HAZ軟化也有一定的影響，含鈮 （Nb）、釩 （V）、鈦（Ti）等微合金元素時軟化區寬度也會更窄一些。

（3）焊縫金屬與母材的匹配。美國天然氣協會曾對X70管道鋼進行過焊縫金屬與母材強度匹配對斷裂行為影響的研究。研究表明，焊縫金屬和母材屈服強度的差別是防止由焊縫金屬缺陷引起嚴重塑性變形的重要因素。如果焊縫金屬強度優于母材，那么屈服就可能發生在管道上；如果焊縫金屬強度低，屈服不會發生在管道上，焊縫金屬會產生應變，就要求焊縫具有更高的韌性以防止裂紋在缺陷處產生。鋼材強度級別越提高，焊縫金屬與母材的匹配就越困難。通常認為，焊縫金屬強度應高于母材，但對于X80鋼這樣的高強鋼，更難的是韌性的匹配。因此，在選擇焊材時，除考慮高強度匹配外，重點還要考慮其延性指標。

（4）焊接裂紋。對于X80鋼來說由于其碳含量和碳當量較低，所以淬硬傾向不大，雖然產生冷裂的傾向小，卻也仍需引起注意。一般來講，采用預熱或合適的焊接材料及相應的工藝措施即可防止冷裂，但是隨著管道輸送壓力的提高、鋼管壁厚的增加，尤其是輸送介質中含有較多的腐蝕性氣體 （如H2S）時，也有可能產生氫致裂紋和應力腐蝕裂紋。

2 試驗用設備及材料

2.1 焊接設備

在長輸管道焊接中，根焊和填充、蓋面采用不同焊接方法，根據各施工單位的裝備情況，自動焊施工，根焊采用STT，填充、蓋面采用全位置自動焊機。故本項目的試驗根焊采用林肯公司的STTII+STT10型焊機，填充、蓋面采用APW-IIA型管道全位置焊機。

APW-IIA是典型的直擺型全位置管道自動焊機，在西氣東輸工程中得到成功的應用，也是西氣東輸二線工程中油建公司的主力機型之一。因此，本項目采用該機型進行填充、蓋面的自動焊工藝試驗，其結論同樣適用于其他直擺型自動焊設備。

2.2 母材及其性能

西氣東輸二線用的X80鋼管材主要由國內廠家提供。項目所用的X80鋼管，其板材由武鋼冶煉、軋制，由寶雞鋼管廠卷制，管徑為1 219 mm，壁厚為18.4 mm；實驗所用厚22 mm的鋼管由巨龍鋼管有限公司生產。表1和表2為寶雞管廠管材的化學成分和機械性能。

表1 管材化學成分

表2 管材機械性能

2.3 焊接材料的選擇

X80鋼在國內應用極少，在國外實際用量也不大，在西氣東輸二線開工前，全世界的管道敷設僅2 000 km。由于市場規模所限，各專業焊材公司實際上沒有生產針對X80鋼的專用焊絲。因此，在焊材的選擇上，只能根據X80鋼的材質特性、強度匹配要求以及西氣東輸二線施工規范的要求，收集篩選適用的焊絲。

由于西氣東輸二線為天然氣管道，輸送壓力高達12 MPa，焊接材料的選擇首先要滿足強度要求，以等強匹配的原則，要求焊接接頭的強度大于或等于母材規定強度的下限。根據西氣東輸二線標準規范的要求，X80鋼焊接接頭的抗拉強度必須大于等于620 MPa。另外，由于管道經過的區域地理及氣候環境復雜，考慮斷裂控制等因素，要求焊縫和熱影響區有足夠高的韌性。工程對于X80管道的焊縫起裂韌性要求 （沖擊吸收功）3個試樣平均值不小于80 J，單個試樣最低值不小于56 J。

通過對8種型號的根焊焊絲和15種填充、蓋面焊絲進行試驗篩選，綜合對比分析各種焊絲的焊接操作性、焊接成型、力學性能等特點，最終確定用于正式焊接工藝試驗的焊絲。表3為試驗所確定的根焊及填充、蓋面的焊絲。

表3 試驗用焊絲

3 工藝試驗

3.1 坡口型式和尺寸

坡口型式和尺寸是保證焊接質量、提高焊接效率的基礎，這對自動焊尤為重要。由于工程采用的X80鋼管壁厚分別為18.4 mm，22.0 mm和26.4 mm，為提高焊接效率，同時要保證層間和兩側熔合良好，需要對焊接坡口進行優化設計。

古今完器，造物所忌，而得亦有不可易者。康節講易，伊川謂其好聽，而朱子又有與圣門不同之說，蓋康節得易之數而易之理不得也。朱子謂子美夔州已后之詩自出規模，橫逆已甚；李、杜、陳、黃得詩之辭而詩之理不得也；先儒又謂六經已后無文，蓋班、馬、韓、蘇得文之法而文之理不得也，惟周程張朱之學可以無間然。孔子自以為不試故藝而子貢又謂孔子天縱將圣又多能也。是則康節之數，子美之詩，太史公之文又豈足為吾道君子之累哉？［3］卷六《送潘應昌提學山東序》，5葉

傳統的V型坡口，如圖1所示，開口角度大，且表面寬，若壁厚較大時，上部焊接需排焊，焊縫熔敷金屬填充量大，焊接效率較低。因此，對于厚壁大口徑的管道施工，普遍采用復合坡口，在西氣東輸工程中，就采用了如圖2所示的雙 “V”型復合坡口。這種坡口型式下部開口角度大，可保證焊槍深入底部，并在坡口中擺動；上部開口角度小，可減少開口寬度，減少填充量，提高焊接速度。但是坡口加工時，在30°和15°的拐角處易出現 “帽沿”狀臺階，焊絲無法擺動到位，從而導致側壁未熔或夾渣等缺陷。

針對上述問題，本項目設計了如圖3所示的U型復合坡口。該坡口拐角處采用圓弧過渡，可避免“帽沿”狀臺階出現，從而降低側壁未熔的風險，進一步提高焊接質量。而且該坡口通過半徑較小的圓弧過渡，坡口角度還可適當減小，減少了焊接填充量。

另外，通過采用無間隙組對方式，在進一步減少填充量的同時，可簡化坡口組對。既降低工人勞動強度，還可避免間隙不均勻導致根焊質量的變化。

3.2 STT根焊參數試驗

表面張力過渡 （STT）半自動焊是西氣東輸工程中廣泛用于管道根部打底的一種焊接方法，各單位有足夠的裝備及豐富的經驗。但西氣東輸二線主線路以X80鋼為主，其強度較X70鋼有大幅的提高，而STT熱輸入量相對較小，根焊時易出現未熔合缺陷。因此，須針對X80鋼進行STT打底的自動焊工藝試驗。

為保證根部焊道的良好熔合，除對規范參數進行試驗摸索外，坡口根部的形狀和尺寸也需由試驗來確定。

試驗采用留間隙和無間隙兩種組對方式。一般焊接在組對時通常留有間隙，這是為保證良好的背面熔透和兩側熔合，從而保證根部焊道的質量，采用STT也是如此，這在西氣東輸工程中廣泛使用。在西氣東輸二線工程中，為進一步提高自動焊的效率，根焊推薦采用無間隙組對，這就對STT的應用提出了更高的要求。

表4為試驗得出的留間隙組對的STT根焊的典型參數，焊道背面成型優良，兩側熔合良好。

在無間隙組對試驗中，其規范參數進一步提高，其中，基值電流增加20 A，平均電流增加30%，同時，坡口的鈍邊尺寸進一步減小，需低于0.5 mm，方能保證背面的良好熔透。表5為無間隙組對的STT根焊參數。

3.3 APW-IIA填充、蓋面參數試驗

本項目采用APW-IIA型管道全位置自動焊機進行填充、蓋面的自動焊工藝試驗。工藝試驗的內容包括坡口尺寸的確定及焊接工藝參數的摸索。

表4 典型的留間隙組對根焊焊接參數

表5 典型的無間隙組對根焊焊接參數

試驗采用的坡口型式如圖3所示，按照工程標準規定，坡口角度的變化允許范圍為5°～15°。由于坡口角度決定焊縫的截面尺寸，直接影響自動焊的效率，因此，確定適宜的坡口角度，對于提高自動焊效率意義重大。坡口角度越小，焊縫截面越小，焊接效率越高，施工速度越快。但坡口角度較小，對直擺型焊機來說，由于坡口側壁較陡，易于出現未熔合，焊縫質量難以保證，故坡口角度需通過試驗來確定。

根據坡口角度及主要的焊接參數，設計工藝試驗組合如表6所示。

表6 自動焊工藝試驗組合

試驗按表6中所示的工藝組合進行，焊后立即進行100%射線探傷，按標準外檢及探傷合格后加工側彎試件，進行側彎試驗，檢查焊縫根部及層間的熔合情況。試驗結果表明。當坡口角度小于8°時，極易出現側壁未熔合現象。坡口角度大于8°后，按要求操作，能夠得到合格的焊縫，但10°以下對焊工的技能要求較高。坡口角度在12°左右，操作易于掌握，能夠保證質量。

采用D 1 219 mm×17.5 mm的X80鋼管針對確定的U型復合坡口，進行填充、蓋面焊參數的摸索，經過大量的焊接試驗，得出適當的焊接參數如表7所示。

4 焊接接頭力學性能試驗

合格的焊接接頭必須保證接頭的力學性能滿足標準規定的要求。X80鋼強度較高，同時，對于天然氣，按照Q/SY GJX0110-2007《西氣東輸二線管道工程線路焊接技術規范》，對焊縫進行無損檢測后，加工試樣，進行力學及其他性能測試。

4.1 拉伸及彎曲試驗

在試件上垂直焊縫取焊接接頭橫向板狀拉伸試樣，試樣長230 mm、寬25 mm，厚度為全壁厚。拉伸試驗在液壓式萬能試驗機上進行，試驗標準為GB/T 228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，焊接接頭的抗拉強度測試結果均高于X80管道鋼的焊接要求 （≥621 MPa），且有很大的裕量，斷裂位置位于母材，斷口成延性斷裂。結果見表8。

表7 典型的填充/蓋面焊接參數

表8 拉伸試驗數據

在試件上取焊縫橫向側彎試樣進行導向彎曲試驗，寬度為13 mm，試樣厚度為全壁厚，壓頭直徑為90 mm，彎曲角度為180°。試驗后試樣彎曲表面未產生任何裂紋，表明接頭工藝性能良好，有很好的延性和致密性。

4.2 沖擊試驗

沖擊試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，缺口 （V型）位置分別位于焊縫和熱影響區，試樣位于厚度的中部，沖擊溫度為-10℃。焊縫及熱影響區的沖擊功如表9所示。可見，-10℃焊縫及熱影響區的沖擊韌度滿足標準規范的要求，焊接接頭具有良好的低溫韌性。

表9 低溫夏比沖擊試驗數據 （-10℃）

4.3 硬度試驗

對焊縫及熱影響區進行硬度試驗，可大致反映接頭的強度及韌性，一般來講，硬度高的地方，強度高，塑性、韌性相對較低，故西氣東輸二線項目部的企業標準規定對X80鋼，硬度為必測的指標，且規定HV10＜300，以此來保證接頭的性能，從而保證管道的安全性。由于采用不同的焊材匹配和規范參數，其最高硬度值差異較大，許多焊材由于硬度值偏高，不能采用。表10為通過工藝試驗所確定焊材和工藝的典型硬度值。

表10 HV10硬度試驗數據

4.4 金相組織檢驗

在試件上取樣，進行焊縫及熱影響區金相檢驗。焊接接頭的宏觀金相檢驗結果表明，焊縫及熱影響區無任何夾渣、裂紋等宏觀可見缺陷。其微觀金相組織檢驗結果是，焊縫區為針狀鐵素體+多邊鐵素體+貝氏體+珠光體，如圖4所示；熱影響粗晶區的顯微組織為粒狀貝氏體+板條馬氏體，如圖5所示。

盡管粗晶區含有較多的板條馬氏體組織，但由于含碳量較低，加上多層多道焊而使后面焊道對前面焊道起回火作用，得到低碳回火馬氏體組織，其韌性較高；熱影響細晶區的顯微組織為多邊鐵素體+MA島狀組織+珠光體，晶粒尺寸細小。以上試驗結果表明，采用擬定的焊接工藝，X80管道鋼的焊接接頭的各項性能良好，滿足西氣東輸二線現場施工標準規范的要求。

5 結論

（1）通過對X80高強管道鋼焊接性的分析，結合西氣東輸二線標準規范的要求，開展了自動焊工藝技術的研究，完成了坡口型式的優化設計、焊接材料的匹配，確定了自動焊工藝方法及完整的自動焊工藝參數。

（2）本文的研究成果已用以指導西氣東輸二線主線路現場自動焊接施工，滿足現場自動焊施工的技術要求，充分發揮了自動焊流水作業線的優勢，并為施工單位帶來明顯的經濟效果。

[1]錢百年，國旭明，李晶麗，等.高強度管道鋼X80的焊接研究[J].焊接,2002（8）：14-17.

[2]杜則裕.高強度級別管道鋼的焊接[J].焊接技術,2005,34（增刊）：6-9.

[3]李為衛，沈磊，韓林生，等.X80鋼級管道鋼焊接工藝試驗[J].熱加工工藝,2006,35（11）：26-27.

[4]熊林玉，杜則裕，董泊江，等.高強度X80鋼管道的焊接[J].石油工程建設，2004，（2）：31-34.

Application Cases and Comparative Analysis of Cathodic Protection for Buried Pipelines at Oil and Gas Stations

YANG Wan-guo（Xinjiang Petroleum Construction Company of China Petroleum Engineering Co.,Ltd.,Kelamayi 834000,China），LIU Tong-gang,XU Feng-gang,et al.

Cathodic protection of buried pipelines and metal structures at oil and gas stations is more complicated than that of long-distance pipelines.This paper carries through comparative analysis on several cathodic protection schemes for oil and gas stations based on engineering cases and measured data.It points out that the station cathodic protection is closely associated with corresponding specialties,especially with grounding devices；formulating protection schemes should refer to the experience from previous projects and be on the basis of sufficient investigation and evaluation；scheme should be implemented after making a joint checkup and authorization in order to realize its cathodic protection function and save cost and energy.

buried pipeline at station;cathodic protection;implementation effect;comparison

TE973.3

A

1001－2206（2011）05－0036－05

唐德渝 （1961-），男，重慶人，高級工程師，1982年畢業于重慶大學焊接專業，1992年獲天津大學工學碩士學位，一直從事石油工程焊接技術的研究、開發及推廣應用工作。

2010-11-29