抗腐蝕海底管線鋼半自動焊工藝研究

王 紅 ，曹用順 ，何亞章 ，劉 劍 ，楊華慶

1.中國石油集團工程技術研究有限公司，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

3.中國石油集團海洋工程有限公司，天津 300451

隨著海上油氣資源的不斷勘探與開發，海底輸送管道的建設與日俱增[1]。由于輸送介質多為含硫化物、CO2等腐蝕成分的多相介質，在長期服役的條件下，管道接頭的腐蝕開裂成為其主要的失效形式[2]。因此，針對海底管道的鋪設，研究合理的焊接工藝，以獲得抗腐蝕性能良好的焊接接頭顯得尤為重要[3-5]。

近年來，X65管線鋼在酸性服役條件下的應用較為普遍，而X65QOS為滿足特定要求的預期可用于海上的具有抗腐蝕開裂性能的輸送管道[6]。本文針對X65QOS制定焊接工藝并進行試驗研究，以期為海底管道的鋪設提供理論支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本文采用API 5L PSL2級X65QOS無縫鋼管與錨固件F65進行焊接試驗，鋼管尺寸為D168.3 mm×15.9 mm，母材和焊材的化學成分見表1，母材的力學性能的見表2。測試結果表明，母材和焊材均滿足標準要求。

表1 母材和焊材的化學成分

表2 X65QOS母材的力學性能

1.2 焊接材料

焊接接頭不同區域的硬度在決定接頭抗SSC性能方面起到重要作用，合理控制焊接接頭的硬度可以有效降低SSC風險[7]。焊材的選用應滿足DNV-OS-F101-2013的要求，既要保證輸送含H2S介質時根焊道的硬度不高于250 HV10，其他位置不得高于275 HV10，又要滿足接頭拉伸試驗時不能斷于焊縫。同時，為了降低氫致開裂的風險，應保證焊材擴散氫含量不高于5 mL/100 g。本工藝選用TM-60焊絲用于GMAW打底、DW-A81Ni1焊絲用于FCAW-G熱焊、填充及蓋面，其化學成分見表1，二者成分實測滿足理論要求；且擴散氫含量分別為3.04 mL/100 g（TM-60）和4.44 mL/100 g（DW-A81Ni1），均不高于5 mL/100 g。

1.3 坡口形式

海管焊接設計采用V型、單面焊雙面成型（如圖1所示）的對稱坡口形式，可以有效排出擴散氫，較好控制焊接變形，從而降低裂紋產生的概率。坡口角度為55°～65°，鈍邊1.0～2.0 mm，根部間隙2.0～4.0 mm，焊接層道數如圖2所示。焊接位置采用6G（管傾斜45°固定焊），實際工程項目中在其他要素不變的情況下可以覆蓋任意焊接位置，節約工藝開發成本。

圖1 坡口設計圖

圖2 焊接層道數

1.4 焊接工藝參數

為保證焊接接頭性能，焊接熱輸入控制在1.0～2.2 kJ/mm。焊接工藝試驗焊接方法為熔化極氣保焊 （GMAW）+藥芯焊絲氣保焊 （FCAW-G），GMAW保護氣體采用100% CO2，FCAW-G保護氣體采用80% Ar+20% CO2。為促使擴散氫的逸出從而避免氫致開裂，焊前預熱溫度應不低于50℃，層間溫度應不高于250℃，具體工藝參數見表3。

表3 焊接參數

2 試驗結果及分析

試件焊接完成后，按照標準要求進行了焊接接頭的無損檢測，包括100%（VT+UT+RT+MT）。外觀檢查結果顯示焊接接頭無裂紋、未熔、夾渣、氣孔、咬邊等缺陷，探傷檢測結果表明，焊接接頭缺陷均在可接受范圍內，滿足標準DNV-OS-F101-2013的要求。

2.1 力學性能試驗分析

按照DNV-OS-F101-2013及相關標準進行力學性能試驗，包括橫向拉伸、彎曲、V型缺口夏比沖擊、宏觀、維氏硬度。焊接接頭的宏觀腐蝕結果如圖3所示，可看出焊材與母材熔合良好，無氣孔、夾渣等缺陷；兩個硬度測試件的硬度值如圖4、圖5所示，維氏硬度測點位置如圖6所示。由圖4、圖5可看出焊接接頭不同區域的硬度均遠低于250 HV10，可以有效降低SSC風險；-10℃V型缺口夏比沖擊試樣（10 mm×10 mm×55 mm）的取樣位置見圖7，試驗結果見表4；拉伸試驗、彎曲試驗結果見表5、表6。從結果可以看出，依據該工藝焊接的接頭性能良好，滿足標準要求。

圖3 宏觀腐蝕照片

圖4 1號試件維氏硬度值

圖5 2號試件維氏硬度值

圖6 維氏硬度測點位置示意

圖7 沖擊試樣取樣位置示意

表4 沖擊試驗結果

表5 拉伸試驗結果

表6 彎曲試驗結果

2.2 HIC試驗分析

根據DNV-OS-F101-2013要求，HIC試驗用NACE TM0284溶液A進行，將試樣浸入溶液中進行96 h氫致開裂試驗。試驗完成后試樣表面（如圖8所示）未發現氫鼓泡現象，且CLR/CTR/CSR值均為零。因此，依據該工藝焊接的接頭具有良好的抗氫致開裂性能。

圖8 接頭HIC試驗后照片

2.3 SSC試驗分析

根據DNV-OS-F101-2013要求，SSC試驗用NACE TM0177溶液A進行，試樣尺寸為長115 mm、寬15 mm、厚5 mm，試樣加載方式為四點彎曲法，加載載荷不低于材料屈服強度的80%。在指定溶液中進行720 h硫化物應力腐蝕開裂試驗。試樣腐蝕后照片如圖9所示，試樣未發現裂紋或斷裂。因此，依據該工藝焊接的接頭具有良好的抗腐蝕開裂性能。

圖9 接頭SSC試驗后照片

3 結論

研究提出了適用于X65QOS+F65的焊接工藝，通過對此工藝焊接的接頭進行力學性能試驗及腐蝕試驗分析，得出如下結果。

（1）焊接接頭宏觀無缺陷，力學性能滿足相關標準要求。

（2）腐蝕試驗（HIC和SSC）結果表明，焊接接頭具有良好的抗氫致開裂和抗硫化物應力開裂的性能。

（3）根據DNV-OS-F101-2013，該工藝可用于X65QOS/X65QOS、X65QOS/F65的焊接，可為海上酸性服役條件下油氣田開發項目的焊接工藝研究提供參考。