基于應變設計的高強鋼管道環縫焊接技術*

李為衛， 高 琦， 劉煒辰， 葛加林 編譯

（1. 中國石油集團石油管工程技術研究院， 西安710077；2. 中國石油西部管道公司， 烏魯木齊830013；3. 中國石油測井公司國際事業部， 北京102206； 4. 西安石油大學， 西安710065）

0 前 言

現有管道大多數是根據許用應力設計， 即工程應力低于材料屈服強度 （不發生塑性變形）。在未來的幾十年里， 石油天然氣工業管道的敷設將持續在更惡劣的環境中進行， 因為凍土、 山體滑坡、 地震活動等自然條件， 管道的縱向應變可能會持續增加。 為了適應惡劣的環境， 可能會采用基于應變設計 （strain based design， 以下簡稱SBD） 理念進行管道設計。 雖然高強度管線鋼的優點很多， 但是如果管道承受基于應變的載荷， 那么對管道環焊縫的焊接性和力學性能也提出了新的挑戰。 由于焊接缺陷、 錯邊和焊縫微觀結構等影響， 焊縫通常是SBD 管道中最薄弱的部位。 由于應用條件的苛刻， SBD 管道比傳統管道需要更高強度和韌性的焊縫， 最終的目的是充分提高應變能力和缺陷容限。 本研究介紹了ExxonMobil 公司基于應變設計X80高強鋼管道環縫焊接技術的研究情況， 供從事相關研究的技術人員參考。

1 試驗材料和焊接工藝

管道環縫焊接試驗選取的是Φ1 219 mm×23.7 mm 的L555/X80 管線鋼管。 為了提高焊縫強度， 保證焊縫韌性， 設計了一種FeNi 合金焊絲， 該焊絲可以使焊縫形成針狀鐵素體穿插于馬氏體中 （FAIM） 的混合顯微組織。 針狀鐵素體（AF） 為軟相， 主要是平衡韌性， 馬氏體 （M）和貝氏體（B） 為硬相， 主要是保證強度。 FAIM組織結構如圖1 所示， FeNi 合金焊絲的化學成分見表1。

圖1 FAIM 組織結構示意圖

表1 試驗用FeNi 合金焊絲的化學成分 %

根焊使用內焊機從內部實施焊接， 采用GMAW 短路過渡模式， 焊絲采用傳統的ER70S－6焊絲。 熱焊、 填充焊以及蓋面焊采用外部雙焊炬自動熔化極氣體保護脈沖電弧焊 （GMAW－P），通過調整脈沖電流波形（脈沖頻率、 脈沖幅度和寬度、 脈沖形狀等） 對焊接過程與側壁熔合進行優化， 焊接材料為FeNi 合金焊絲。 焊縫坡口尺寸和接頭宏觀照片如圖2 所示， 焊接位置為5G， 典型的熱輸入為熱焊0.6 kJ/mm， 填充焊0.65 kJ/mm，蓋面焊0.45 kJ/mm。 焊接預熱和層間溫度控制在100～150 ℃之間， 保護氣體為Ar 與CO2的混合氣。 焊后對焊縫進行射線和超聲檢測， 合格后取樣進行力學性能試驗和分析。

圖2 焊縫坡口設計和接頭宏觀照片

2 試驗結果及分析

按設計的焊接工藝進行了焊接試驗， 并對焊縫金屬的力學性能進行檢測， 結果見表2。 由表2可見， 檢測結果均滿足開發設計的目標要求。 焊縫金屬的拉伸強度超過母材標準規定的上限（API SPEC 5L 規定X80 母材的屈服強度為555～705 MPa， 抗拉強度為625～825 MPa）， 完全達到了高強匹配。 焊縫金屬具有良好的塑性和韌性，－30 ℃時夏比沖擊韌性達到253 J，－15 ℃時斷裂韌性CTOD 最小值達到1.12 mm，－15 ℃時斷裂韌性SENT 最小值達到1.16 mm， 均超過設計目標的要求。 可以看出， 為基于應變設計管道焊接開發的AFIM 組織焊接材料、 使用雙焊炬GMAW－P 工藝 （簡稱SBD－AFIM）， 管道環焊縫可獲得較高的強韌匹配度。

表2 焊縫金屬的力學性能試驗結果

圖3 SBD－AFIM 與商業化管道焊縫強韌性的對比

SBD－AFIM 與商業化管道焊縫強韌性的對比如圖3 所示。 由圖3 可見， SBD－AFIM 管道焊縫的強度更高、 韌性更好， 雖然商業化管道焊接技術達到了規定的性能， 但是不如采用SBD－AFIM 焊縫強度和韌性匹配高。 SBD－AFIM 焊縫在光學和掃描電鏡下的微觀組織照片如圖4 所示。 由圖4 可見，其組織是由針狀鐵素體和硬相組織（包括退化上貝氏體、 粒狀貝氏體以及側板條馬氏體） 組成， 由于組織的細化和軟硬相的平衡， 提高了焊縫的強韌匹配度。 典型的SBD－AFIM 焊縫CTOD 試樣疲勞裂紋尖端附近在掃描電鏡下的斷口形貌如圖5 所示， 可見， 其斷裂方式是韌性斷裂。

圖4 典型的SBD－AFIM 焊縫光學和SEM 掃描照片

圖5 典型的CTOD 試樣斷口形貌

3 應變能力預測及全尺寸試驗

為了驗證開發的焊接工藝能否滿足高應變管道的焊接要求， 取應變值3%， 采用有限元模擬計算臨界裂紋尺寸， 類似的有限元分析也可以用來預測環焊縫缺陷尺寸和應變能力。 通過這種方法， 應變能力預測技術可用于基于應變設計管道的工程臨界評估 （SBECA） 缺陷的驗收標準。 計算時， 假設SBD－AFIM 管道焊縫的錯邊量為4 mm， 預測結果如圖6 所示。 由圖6可見， 即使在高應變下SBD－AFIM 管道焊縫也具有高的應變容量。

對外徑762 mm、 壁厚15.6 mm 的X80 鋼管， 采用SBD－AFIM 焊接技術進行環縫焊接，焊縫具有超過母材23%的高強匹配， 在焊縫中心引入了3 mm×50 mm （深度×長度） 的缺口和3 mm 的錯邊， 在內壓情況下進行全尺寸雙軸試驗， 管道環焊縫應變能力全尺寸雙軸試驗照片如圖7 所示。 試驗過程中， 由于遠離焊縫的母材發生塑性垮塌而結束試驗， 試驗獲得了3.2%的變形量， 表明管道環縫具有抗大應變的能力。

圖7 管道環焊縫應變能力全尺寸雙軸試驗照片

4 結 論

（1） SBD－AFIM 管道焊接技術， 包括開發的AFIM 焊接材料， 使用窄間隙GMAW－P 焊接方法以及合適的工藝參數， 能夠滿足基于應變設計的X80 高強鋼管道環焊縫的強度與韌性要求。

（2） SBD－AFIM 管道焊接技術獲得良好的焊縫強韌匹配度， 比傳統商業化管道X80 高強鋼的環焊縫性能更好。

（3） 有限元模擬和全尺寸測試結果表明，SBD－AFIM X80 管道環焊縫具有大的缺陷容限和高的抗大應變能力。

致謝： 本文編譯自2014 年國際管道會議上Neerav Verma， Doug P. Fairchild， Fredrick F.Noecker II 等人的論文 “Advanced Strain－based Design Pipeline Welding Technologies” （IPC2014－33079）， 在此表示感謝。