范 健

(深圳市信科萊檢測技術有限公司，廣東 深圳 518126)

0 引 言

目前，為防止硫化應力腐蝕的產生ASTM A519 Gr.4130SR材料在海洋石油鉆井平臺項目中已廣泛應用于高壓泥漿及水泥管等管線的生產制作。為滿足設計要求，在生產制造前，須對該材料進行焊接工藝評定。

1 焊接工藝評定要求

該焊接工藝評定按API STD 1104-2013、API SPEC 6A-2010及NACE MR 0175/ISO 15156-2:2015要求進行。工藝評定焊接接頭力學性能試驗結果需滿足下列要求：

(1) 抗拉強度：≥655 MPa(如果拉伸試樣斷在母材上，拉伸強度不低于規(guī)定最小抗拉強度的95%)[1]。

(2) 沖擊試驗：試驗溫度為-29 ℃，平均沖擊吸收功Akv≥27 J, 單個沖擊吸收功≥20 J[2]。

(3) 彎曲試驗：彎曲后，試樣拉伸彎曲表面上的焊縫和熔合線區(qū)域所發(fā)現(xiàn)的任何方向上的任一裂紋或其他缺陷尺寸應不大于鋼管公稱壁厚的1/2，且不大于3 mm。除非發(fā)現(xiàn)其他缺陷，由試樣邊緣上產生的裂紋長度在任何方向上應不大于6 mm[1]。

(4) 刻槽試驗：每個刻槽錘斷試樣的斷裂面應完全焊透和熔合。任何氣孔的最大尺寸應不大于1.6 mm，且所有氣孔的累計面積應不大于斷裂面積的2%。夾渣深度應不大于0.8 mm，長度應不大于鋼管公稱壁厚的1/2，且小于3 mm。相鄰夾渣間至少應相距13 mm。白點(參見AWS A3.0中的定義)不做為不合格的原因[1]。

(5) 硬度試驗：197 HV10≤平均值≤250 HV10,單個值≤260 HV10[2-3]。

(6) 為防止硫化物應力開裂，焊縫熔敷金屬中化學元素Ni含量不大于1%(質量百分數(shù))[3]。

2 材料試驗

該焊接工藝評定中所使用的原材料為ASTM A519 Gr.4130SR，Φ108 mm×14.31 mm，在進行焊接工藝評定前需對原材料化學成分及力學性能進行復驗，復驗結果如表1及表2。復驗結果表明原材料化學成分及力學性能滿足相關標準要求。

3 接頭型式、焊接位置及焊接方向

(1) 接頭型式:

接頭型式如圖1。

(2) 焊接位置及焊接方向：

管軸傾斜45°固定焊，向上焊。

表1 ASTM A519 Gr.4130SR化學成分(質量分數(shù)%)

注：根據(jù)業(yè)主要求，ASTM A519 Gr.4130SR力學性能要求值按API SPEC 6A,75K(沖擊要求分類為P類)要求。

4 焊接方法及焊接材料

該焊接工藝評定采用手工氬弧焊(GTAW)打底，手工電弧焊(SMAW)填充及蓋面。

圖1 接頭型式 (mm)

根據(jù)對母材力學性能及焊縫熔敷金屬化學成分(Ni含量不大于1%)要求，氬弧焊焊絲選用伊薩 OK Tigrod 55/AWS A5.28 ER100S-G (Ф2.4 mm), 手工電弧焊焊條選用四川大西洋焊條CHE707/AWS A5.5 E10015-D2 (Ф3.2 mm),焊接材料化學成分及力學性能如表3～6所列。

表3 OK Tigrod 55化學成分(質量分數(shù)%)

表4 OK Tigrod 55力學性能

表5 CHE707力學性能

表6 CHE707化學成分(質量分數(shù)%)

5 焊接工藝參數(shù)的確定

5.1 焊接性分析

根據(jù)ASTM A519 Gr.4130SR(Φ108 mm×14.31 mm) 實際化學成分(見表1)，按國際焊接協(xié)會碳當量公式：CE(IIW)=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15計算該母材碳當量CE(IIW)=0.67%>0.4%，由此可判斷該母材淬硬傾向和冷裂傾向大，焊接性極差。為保證焊接質量，必須采取焊前預熱及焊后熱處理來減少淬硬組織的產生，并防止冷裂發(fā)生。

5.2 焊前預熱、層間溫度及焊后熱處理溫度的確定

預熱能減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產生氫致裂紋。同時也降低焊縫及熱影響區(qū)冷卻速度，從而減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。根據(jù)AWS D1.1/D1.1M Annex H確定預熱溫度為200 ℃[5]。

為防止焊縫及熱影響區(qū)晶粒組織粗大而降低韌性，層間溫度控制在200～250 ℃。

焊后熱處理不僅能消除焊后殘余應力，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，更重要的是改善接頭組織，降低接頭整體的硬度，提高接頭組織的穩(wěn)定性，從而提高接頭的綜合性能。焊完后即刻進行焊后熱處理，焊后熱處理溫度設定為700±10 ℃，保溫時間5.5 h，升降溫速度不大于150 ℃/h。

5.3 焊接參數(shù)

焊接參數(shù)如表7。

表7 焊接參數(shù)

注：①GTAW保護氣體為氬氣(Ar)，氬氣流量為10～15 L/min；②DCEN表示直流正接， DCEP表示直流反接；③根部焊道與第二

焊道燒焊最大間隔時間為10 min。

6 力學性能試驗結果

(1) API STD 1104-2013及NACE MR 0175/ISO 15156-2:2015標準要求，對符合外觀檢驗及無損探傷要求的焊接工藝評定試件進行力學性能試驗，試驗項目及試驗結果如表8。

表8 力學性能試驗項目及結果

(2) 硬度試驗按NACE MR 0175/ISO 15156-2: 2015標準要求進行,硬度測試點布置如圖2，試驗結果如表9。

圖2 硬度測試點布置圖 注：①2、3、6、7、10、11、14、15、17和19硬度壓痕應完全在熱影響區(qū)內，并盡量靠近焊縫金屬與熱影響區(qū)之間的熔合線；②上部測定線應設置于適當位置使得2和6硬度壓痕和最后焊道的熱影響區(qū)或與最后焊道熔合線變化輪廓相重合。

測試位置硬度值(HV10)測試位置硬度值(HV10)12191121322391220132431320342221422052141521162311622572461721682211821392091921410222----

7 結 語

從力學性能試驗結果及焊接材料的化學成分看，焊接ASTM A519 Gr.4130SR(Φ108 mm×14.31 mm)鋼管采用上述焊接方法、焊接材料、焊接參數(shù)及焊后熱處理工藝，焊接接頭性能完全能滿足API STD 1104-2013、API SPEC 6A-2010及NACE MR 0175/ISO 15156-2：2015標準要求，能夠滿足實際生產的需要。