X80長輸油氣管道閃光對接焊技術研究

高建文，胡建春，宋晞明，李 潔，傅建楠

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300074）

X80長輸油氣管道閃光對接焊技術研究

高建文，胡建春，宋晞明，李 潔，傅建楠

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津300074）

針對長輸油氣管道建設對焊接質量的要求，對X80管線鋼的閃光對接焊工藝進行了研究。通過對長輸管道用X80管線鋼化學成分及力學性能進行分析，結合選定的焊接方法和焊接工藝，對該管線鋼進行了焊接，并對其焊接接頭的力學性能進行了測試。結果表明，閃光對接焊得到的焊接接頭性能良好，接頭的強度、硬度、韌性等性能均滿足X80管線鋼管的安全要求。所選用的焊接方法和工藝參數可用于該管材的現場焊接。

X80；油氣管道；焊接；閃光對焊；焊接工藝；力學性能

目前，世界油氣管道的建設正朝著長距離、大直徑、高壓力方向發展。在管道建設中，焊接技術是其中最為關鍵的一環，管道接頭的焊接質量關系到整個管道的長期安全運行和使用壽命，因此，焊接方法的選擇對保證接頭的焊接質量至關重要。

國外油氣管道建設廣泛采用自動化焊接技術，我國目前的管道焊接主要以焊條電弧焊和半自動焊為主，存在焊接質量難以保證、焊接易受外界環境影響、生產效率較低等問題。相比以上焊接方法，自動化程度高的閃光對接焊技術具有焊接質量好且穩定、無需使用焊接材料、野外施工不受氣候因素影響、焊接時間短、可一次成型、生產效率高等優點，在軌道建設、建筑鋼結構及其他行業已得到廣泛應用，但閃光對接焊在油氣管道建設方面的研究和應用較少。本研究結合現場施工需要，在焊接工藝參數試驗的基礎上，對X80高強度管線鋼焊接接頭的一系列性能進行了研究，為其在長輸管線建設中的應用提供必要的理論參考和技術支持。

1 閃光對接焊原理

閃光對接焊原理如圖1所示。焊件在夾緊力Fc作用下被夾緊，并在夾緊裝置中裝配成對接接頭，在可移動夾具控制下，兩焊接端面距離逐漸縮小至形成微小接觸點，接觸點通過電流而產生電阻熱，使接觸點迅速融化，從而形成閃光，產生強烈飛濺，此后通過移動夾具對焊接施加頂鍛壓力Fup，使接頭迅速閉合并將液體金屬及雜質層擠出，在頂鍛力作用下接頭發生強烈的塑性變形，使金屬在高溫下重新結晶，從而形成牢固接頭。理論上，閃光越劇烈，對接焊效果越好。

圖1 閃光對焊示意圖

2 試驗材料和試驗方法

2.1 試驗材料

試驗用管材選用高強度和良好抗延性斷裂能力的X80管線鋼管，規格為φ1 219 mm×18.4 mm，其化學成分和力學性能分別見表1和表2。

表1 X80管線鋼化學成分 %

表2 X80管線鋼力學性能

2.2 材料準備

閃光對接焊屬于電阻焊的一種，要保證焊件與電極的良好接觸，使電流通暢，以獲得良好的焊接效果，因此焊前要打磨X80管線鋼表面，去除其表面的氧化膜、油漬和銹蝕等，以減少管道與電極之間的接觸電阻。焊接時要調整管道，盡量避免兩管道間的錯邊并確保焊接過程中管道不滑動，在焊接過程中固定頂鍛力和夾緊力等參數不變。

2.3 試驗方法

焊接試驗設備選用烏克蘭K584Ch型管道閃光焊機，該焊機主要包括焊機、油泵站、控制柜、電源柜、油泵連接管和電纜5個部分。采用該設備對鋼管進行焊接，經過多次焊接工藝試驗，最終確定的焊接工藝參數見表3。

表3 閃光對接焊工藝參數

3 焊接接頭性能測試結果及討論

焊接完成后，首先對焊縫外觀進行檢查，采用閃光對接焊的接頭焊縫無任何分解裂紋、未焊透、燒穿等缺陷，符合API外觀檢驗標準要求。對接頭焊縫進行100%射線探傷檢測，經評定為Ⅱ級合格。然后將合格的焊接接頭按照API 1105—2005《管道及相關設施焊接規范》的檢測標準要求進行相關性能測試。

3.1 拉伸性能

根據API 1105—2005《管道及相關設施焊接規范》的要求，每個試樣的抗拉強度必須大于或等于管材的名義抗拉強度，但不需要大于或等于管材的實際抗拉強度。試樣拉斷后，應觀察斷裂位置。如果試樣斷在焊縫或熔合區，其抗拉強度大于或等于管材的名義抗拉強度時，且斷面無缺陷或缺陷類型和尺寸符合相關的無損檢測要求，則該試樣也合格[1-2]。因此，對X80鋼閃光對接焊焊接接頭進行拉伸試驗，其基本要求是焊接接頭的抗拉強度不低于母材的名義抗拉強度（621 MPa）[3-4]。如果試樣斷在焊縫區，其斷面無缺陷或缺陷類型和尺寸還應符合相關的無損檢測要求。據此要求，在試件上垂直焊縫取焊接接頭橫向板狀拉伸試樣，在試驗機上進行拉伸試驗，試驗結果見表4。

表4 焊接接頭拉伸試驗結果

從表4可以看出，焊接接頭的抗拉強度最小值為677.5 MPa，最大值為694.1 MPa，所有強度值均大于X80鋼的名義抗拉強度621 MPa，且試樣均在母材處斷裂。對斷口進行觀察發現，斷裂處均出現頸縮現象，屬于典型的韌性斷裂。試驗結果表明，X80鋼采用閃光對接焊可以得到較好力學性能的接頭。

3.2 硬度測試

焊接接頭熱影響區的軟化是高強度、細晶粒鋼焊接時普遍存在的現象[5-6]。為了考察閃光對焊接頭的硬度值和熱影響區軟化程度的影響，采用維氏硬度計對閃光對焊X80鋼焊接接頭的硬度進行了測量。圖2給出了閃光對焊焊接接頭心部及邊部硬度值。

圖2 焊接接頭心部及邊部硬度值分布圖

從圖2可以看出，焊縫區的硬度值明顯低于熱影響區的硬度值。心部焊縫區的硬度值最低，只有190 HV。邊部焊縫區的硬度值較高，為196 HV，幾乎等于心部母材硬度。從焊接接頭心部硬度分布曲線可以直觀地看出，熱影響區的硬度值要高于心部母材的硬度，不存在軟化現象。焊接接頭邊部熱影響區硬度與母材硬度相當，也不存在軟化區。

焊接接頭邊部熱影響區和母材的硬度值都明顯高于心部熱影響區和母材，這與X80鋼的軋制工藝有關。X80鋼母材區域組織雖然都是鐵素體和珠光體，但珠光體含量卻自心部向外逐漸增多，使得超細晶粒X80鋼的硬度值分布呈現上述特點。

3.3 沖擊韌性試驗

為了考察焊縫金屬和熱影響區的沖擊韌性水平及其韌脆轉變溫度范圍，對焊接接頭在不同溫度下的沖擊韌性進行了試驗。V形缺口位置分別位于焊縫和熱影響區，試驗溫度為0～-40℃。表5為焊縫及熱影響區在不同溫度下的沖擊功AkV和斷口剪切面積SA試驗結果。

表5 焊縫及熱影響區在不同溫度下沖擊韌性試驗結果

由表5可知，熱影響區的沖擊功及斷口剪切面積普遍高于焊縫區金屬，即使在-40℃的試驗條件下，熱影響區的沖擊功也處于一個較高的水平，穩定性良好。-20℃試驗溫度下，焊縫和熱影響區的沖擊功最小單值分別為96 J和116 J，平均值分別為111 J和132 J，滿足《X80管線鋼應用工程焊接施工及驗收規范》單值不小于60 J、平均值不小于80 J的要求。另外，從斷口剪切面積數值來看，50%斷口剪切面積韌脆轉變溫度較低，焊縫區在-20℃以下，熱影響區在-30℃以下，表明焊接接頭具有良好的低溫韌性[7-10]。

圖3為-20℃試驗溫度下焊縫和熱影響區沖擊斷口表面形貌的掃描電子顯微鏡照片。從圖3可以看出，高倍電鏡掃描照片中都是韌窩形貌，說明斷裂類型為韌性斷裂，這與拉伸試驗所得結論一致。

圖3 焊縫和熱影響區沖擊試驗斷口表面SEM照片

4 結 論

根據API 1104—2005對X80管線鋼閃光對焊工藝進行了研究，通過多次試驗，最終得到的焊接接頭力學性能良好，其抗拉強度、硬度與母材等強匹配，熱影響區的軟化現象不明顯，并且具有良好的低溫韌性。選用的焊接工藝合理，采用該工藝可以得到性能良好的焊接接頭。

［1］黃福祥.國產X80管線鋼焊接技術研究[D].天津：天津大學，2008.

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Research on Flash Butt Welding Process of X80 Long-distance Oil and Gas Pipeline

GAO Jianwen，HU Jianchun，SONG Ximing， LI Jie，FU Jiannan
（North China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300074,China）

According to the welding quality requirements of long-distance oil and gas pipeline construction,the flash butt welding process of X80 pipeline steel was studied.Through analyzing the chemical composition and mechanical properties,combined with the selected welding process and welding method,the welding was carried out for X80 pipeline steel,and the mechanical properties of its welded joints were tested.The results showed that the flash butt welding performance of X80 steel is very good,and the strength,hardness and low temperature toughness can meet the safety requirement of X80 grade pipeline steel.The welding method and the technological parameters can be used for site welding.

X80； oil and gas pipeline;welding;flash butt welding;welding procedure;mechanical properties

TG457

A

1001－3938（2015）10-0028-04

高建文（1967—），男，天津人，高級工程師，學士學位，主要從事燃氣工程設計方面的工作。

2015－05－08

李紅麗