執行俄羅斯標準的K60 管線管JCO 焊接工藝實踐

尚才眾，鄭麗華，賈云剛，吳建國

（河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州 061300）

2014 年河北海乾威鋼管有限公司（簡稱河北海乾威）承接了哈薩克斯坦的管線管訂單，鋼級為K60，執行俄羅斯ГОСТ 20295—1985《用于石油天然氣的焊接鋼管》標準，鋼管規格Φ820 mm×12 mm×12 000 mm（簡稱俄標K60 鋼管）。合同約定按照技術條件和元素含量限值生產焊管，要求碳當量Ceq≤0.46%。

俄標K60 鋼管用于哈薩克斯坦—俄羅斯國際天然氣管線，其合金含量低、性能要求高，屬于低成本管線鋼管。管線設計方為提高管道的輸送效率，要求采用較高的輸送壓力。此外，中亞地區遠距離輸氣管線，隨著地理環境、季節的變化及溫度的起伏，使得管線材料的機械性能特別是韌性變化劇烈。因此，制造俄標K60 鋼管，原料的選擇和焊接工藝的制定顯得尤其重要。

1 俄標K60 鋼管的焊接性分析

為實現俄標K60 鋼管的國產化，河北海乾威選擇秦皇島首秦金屬材料有限公司（簡稱首秦公司）作為鋼板供應商。其鋼板添加了適量的Cr 元素以及微量的Ni、Nb 元素，成分設計以低C-Mn-Si-Cr處理為體系，使K60 管線鋼更強韌化。

1.1 Mn 元素對焊縫性能的影響

K60 管線鋼是以Mn 作為主要合金元素調整鋼質性能的。Mn 是奧氏體穩定元素，在降低γ-α 相變溫度方面起著舉足輕重的作用［1］，進而細化鐵素體晶粒。焊縫中增加Mn 可以減少先共析鐵素體（PF）和層狀組分的數量，使針狀鐵素體（AF）顯著增加，彌補低碳造成的強度下降。由文獻［2］可知：w（Mn）=1.5%時，焊態和消除應力狀態下焊縫的沖擊韌性最好。

1.2 Cr、Nb 元素對焊縫性能的影響

Cr 是強碳化物形成元素，能夠顯著提高K60管線鋼的強度和硬度，降低其塑性和韌性。在含Mn 的K60 管線鋼焊縫中添加0.24%的Cr 元素，可以減少焊縫PF，增加AF 的比例。

Nb 是現代微合金化管線鋼中最主要的元素之一，可以形成碳化物和氮化物的析出物，對細化晶粒、提高鋼材的強度和韌性作用明顯。

1.3 Al 元素對焊縫性能的影響

Al 主要是用來脫氧、脫氮和細化晶粒，有利于AF 形核。圖1 所示為Al 含量對焊縫抗拉強度和屈服強度的影響。從圖1 可以看出：Al 含量增加對焊縫金屬強度影響不大，呈非線性增加；Al 的加入可能導致焊縫金屬韌性的惡化。當w（Al）=0 時焊縫的韌性最佳；K60 管線鋼的w（Al）=0.03%時，其焊縫的韌性和強度均處在相對較高的水平。

圖1 Al 含量對焊縫抗拉強度和屈服強度的影響

合金元素Al、Cr、Ni、Nb 可以與焊接熔池中的O、S、P、N 結合，使焊縫金屬凝固生成氧化物、硫化物、氮化物及其復合物等夾雜物。這些夾雜物在焊縫固態相變過程中充當了AF 的核心，促進高比例AF 的形成［3］。

1.4 K60 管線鋼碳當量計算

根據國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量計算公式［4］：Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15（%），可計算出首秦公司生產的俄標K60 管線鋼的碳當量為0.378%，滿足合同約定的Ceq≤0.46%要求。

經過相關冷裂紋和熱裂紋指數計算，俄標K60管線鋼的淬硬性和熱裂紋傾向小、可焊性能良好，不需要預熱和后熱（即焊后的緊急熱處理——保溫或緩冷）［5］。

2 焊接評定試驗

2.1 焊材的遴選

2.1.1 原 則

管線鋼管的焊接既要滿足強度要求又要保證焊縫和過熱區的低溫韌性。焊縫金屬的缺口韌性受母材、焊材、焊接方法和焊接條件的影響。鑒于俄標K60 鋼管的經濟性要求，在保證焊縫金屬的強度、塑性和韌性達到產品技術要求［6］的前提下，性價比突出是俄標K60 鋼管焊材選擇的原則。河北海乾威根據多年來生產各種管線鋼管的經驗，針對俄標K60 鋼管的特性，選擇四川大西洋牌CHW-S3（H10Mn2）埋弧焊絲和CHF102（SJ102）氟堿性低氫燒結焊劑。CHW-S3/CHF102 組合具有優良的焊接工藝性能，脫渣容易，抗氣孔能力強，焊縫金屬具有較高的強度和良好的低溫韌性。

2.1.2 焊劑堿度

焊劑堿度是表征焊劑熔渣冶金特性的量。文獻［7］指出，焊劑堿度值的提高，有利于AF 形核，促進AF 在焊縫金屬中的形成。

2.1.3 Mn、Si 含量

在C-Mn-Si 系合金中，焊縫金屬中Mn/Si 比的不同對焊縫金屬性能的影響不同。埋弧焊特別是多絲埋弧焊屬于高熱輸入焊接方法，會導致焊縫組織粗大從而降低韌性。選擇焊材時應注意調配焊縫金屬中的Mn、Si 含量，使Mn/Si 比保持在4~8 時，能夠得到更多的AF［8-9］。經計算可知：俄標K60 鋼管焊縫中的Mn/Si 比處于合理狀態。

俄標K60 鋼管選用焊材的化學成分和力學性能見表1。

2.2 焊接坡口設計

根據俄標K60 鋼管的低溫要求，焊接時需控制焊接線能量，設計出易于低熱輸入且符合生產線自身坡口制備方法的坡口形式特別重要［10］。圖2 所示為Φ820 mm×12 mm 俄標K60 鋼管的坡口設計：鈍邊高度B 為4 mm，外坡口深度A 為4.5 mm，內坡口高度C 為3.5 mm，外坡口角度2e 為80°，內坡口角度2α 為110°。鈍邊高度4 mm 安全適中，熔深減小，有利于控制焊接熱輸入；外坡口高度4.5 mm、角度80°，JCO 三絲埋弧焊接速度可以在1.5 m/min 高速運行，焊縫余高2.0~2.5 mm，焊接穩定高效，焊縫成型美觀；內坡口高度3.5 mm、角度110°，為增加內焊縫的容量，加大內坡口角度是唯一選擇，三絲埋弧內焊接車運行速度可以達到1.6 m/min，焊縫余高2.0 mm。

表1 俄標K60 鋼管選用焊材的化學成分（質量分數）和力學性能

圖2 Φ820 mm×12 mm 俄標K60 鋼管坡口設計示意

2.3 焊接方法和焊接能量參數

2.3.1 焊接方法

俄標K60 鋼管在JCO 生產線上的焊接方法是雙面三絲自動埋弧內外焊接，其外焊接如圖3 所示。采用美國Lincoln 焊機（電源組合方式DC+AC+AC，直流1 500 A，交流1 200 A），直流DC 電極采用反接法，傾角-8°；交流AC1 傾角5°，AC2 傾角18°；焊絲間距18 mm，焊絲干長度27 mm。

2.3.2 焊接熱輸入和AF 的關系

焊縫組織與韌性有著密切的關系，在焊縫中存在著高比例的AF 組織時，其韌性較好［9］。AF 晶粒細小，相鄰AF 間的方位差為大傾角，當裂紋沿AF 擴展時，斷裂路徑曲折，擴展需要較大的能量。AF 晶粒內位錯密度達到1.2×1010根/cm2左右［8］，對裂紋的擴展具有阻礙吸收作用。提高AF 的比例，對焊縫金屬既有韌化、又有強化的作用。

圖3 俄標K60 鋼管雙面三絲自動埋弧外焊接示意

焊縫金屬的組織狀態，受焊縫的化學成分和冷卻條件影響［11］，冷卻條件取決于焊接熱輸入。圖4所示為不同焊接熱輸入條件下焊縫金屬的金相組織。隨著焊接熱輸入的提高，焊縫金屬組織發生了有規律的變化：熱輸入量為25.25 kJ/cm 時，AF 達到最大值，PF 變化不大、側板條狀鐵素體FSP 和珠光體P 含量迅速減少，此時焊縫表現出較好的韌性水平（表2）。對于俄標K60 鋼管來說，焊接熱輸入的合理選擇、適量控制是重要的工藝手段。

2.3.3 焊接能量參數

表2 所示為焊接熱輸入與AF 的關系是在JCO生產線上做的焊接工藝試驗，根據這組數據，確定了俄標K60 鋼管實際生產的焊接能量參數，具體見表3。

2.3.4 檢驗結果

按照合同約定執行俄羅斯ГОСТ 20295—1985標準，并參考API Spec 5L—2013《管線鋼規范》（45 版）PSL2 等級進行相關項目檢驗。

（1） 按ASTM E 94—2004《X 射線檢查指南》，ASTM E 2698—2010《使用數字檢測器陣列的放射學檢查規程》或ASTM E 2033—1999《計算機輻射（光刺激照明法）實施規程》標準進行X 射線檢驗，評定等級為Ⅰ級。

圖4 不同焊接熱輸入條件下焊縫金屬的金相組織

表2 熱輸入量與焊縫金屬組織組分的關系（體積分數）

（2） 按ASTM A 370—2010《鋼制品力學性能試驗方法和定義》標準，抗拉強度為629 MPa。在-40 ℃下焊縫的沖擊功單個值分別為52，57，84 J；熱影響區的沖擊功單個值分別為95，70，102 J。彎曲180°，冷彎試驗全部合格。

表3 俄標K60 鋼管焊接能量參數

（3） 按ASTM A 370—2010 或ASTM E 110—2010《用便攜式硬度測試器測定金屬材料壓痕硬度的試驗方法》標準檢驗硬度（HV10），母材的平均值為158 HV10，熱影響區的平均值為199 HV10 、焊縫的平均值為175 HV10。

（4） 屈強比為0.77。屈強比既可以作為管道材料性能參數，也可以作為管道安全性的表征［12］。屈強比越小，材料的變形能力越大，強度裕度越大；屈強比越大，材料屈服后的塑性范圍越小，越容易產生斷裂破壞。

俄標K60 鋼管的化學成分及力學性能檢驗結果見表4~5。

2.3.5 組織分析

圖5 所示為俄標K60 鋼管的金相組織。俄標K60 鋼管母材組織為典型的AF、無帶狀組織，呈精密結構特征，晶粒度在10 級以上（圖5a）。焊縫中心組織以AF 為主，PF、FSP 層狀分布，焊縫金屬具備高的韌性和強度，AF 周圍顏色呈深色或黑色，主要是碳化物析出所致（圖5b）。熔合線附近母材存在熱影響過熱區組織，AF 和少量P、FSP 增多（圖5c~d）。受焊接熱循環的影響，粗晶區晶粒尺寸明顯長大，AF 減少，PF 增多（圖5e）；臨界區未能溶于奧氏體的鐵素體晶粒成長，組織輕微不均勻（圖5f）。

3 結 論

（1） 使用國產鋼板和焊材，完全可以滿足俄標K60 天然氣管線鋼管的生產需要。

（2） 選用堿度值較高的焊劑，注意調配焊縫金屬的Mn、Si 含量。

（3） 俄標K60 管線鋼焊接時，隨焊接熱輸入的增加，FSP 和P 減少，AF 的含量呈先增后減的趨勢。

（4） 焊接坡口對焊接能量參數和焊接效率有重要影響。

表4 俄標K60 鋼管母材和焊縫的化學成分（質量分數） %

表5 俄標K60 鋼管母材的力學性能

圖5 俄標K60 鋼管的金相組織

［1］ 中信微合金化技術中心. 含鈮管線鋼的焊接性和耐酸性［M］. 北京：冶金工業出版社，2013：7.

［2］ 吳樹雄，尹士科，李春范. 金屬焊接材料手冊［M］. 北京：化學工業出版社，2008：47.

［3］ 黃國安，余圣甫，謝明立，等. 低合金鋼焊縫的針狀鐵素體微觀組織［J］. 焊接學報，2008，29（3）：45-48.

［4］ 陳裕川. 低合金結構鋼焊接技術［M］. 北京：機械工業出版社，2008：63.

［5］ 中國機械工程學會焊接學會. 焊接詞典［M］. 3 版. 北京：機械工業出版社，2008：33.

［6］ 中國機械工程學會焊接學會. 焊接手冊：材料的焊接［M］. 北京：機械工業出版社，2007：267-268.

［7］ 國旭明，錢百年，張艷，等. 焊劑堿度對管線鋼埋弧焊熔敷金屬顯微組織和韌性的影響［J］. 鋼鐵研究學報，2001，13（5）：51-54.

［8］ 李亞江，王娟. 焊接原理及應用［M］. 北京：化學工業出版社，2009：44，52-53.

［9］ 李愛玲，翟陽，閻澄，等. 針狀鐵素體形成機理的探討［J］. 甘肅工業大學學報，1998，14（2）：61-69.

［10］ 尚才眾，董宏斌，賈云剛，等. 09MnNiDR 低溫鋼管雙面雙層三絲自動埋弧焊接研究［J］. 鋼管，2014，43（4）：23-29.

［11］ 杜則裕. 焊接科學基礎 材料焊接科學基礎［M］//中國機械工程學會焊接學會. 北京：機械工業出版社，2012：126-134.

［12］ 高惠臨. 管線鋼與管線鋼管［M］. 北京：中國石化出版社，2012：93-99.