劉 碩

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

當(dāng)前,低碳經(jīng)濟和綠色產(chǎn)業(yè)被廣泛關(guān)注,相應(yīng)地,以天然氣為代表的清潔能源正在得到廣泛應(yīng)用,并具有廣闊的發(fā)展前途。然而,天然氣資源大多分布在遠離消費區(qū)的邊遠地帶,如何將其從產(chǎn)地輸送到使用地是需要重點解決的問題。作為一種經(jīng)濟、安全、連續(xù)、高效的輸送方法,大口徑長輸管道運輸在天然氣、石油、礦漿等輸送中具有獨特優(yōu)勢。鑒于此,油氣長輸管道建設(shè)在國內(nèi)外都得到了飛速發(fā)展[1-2]。

對于管道建設(shè)項目業(yè)主來說,現(xiàn)場環(huán)縫焊接是長輸管道建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù),焊接質(zhì)量、效率與成本決定了工程質(zhì)量與工效。長輸管道環(huán)縫焊接是一項系統(tǒng)工程,焊接質(zhì)量、效率與成本取決于諸多內(nèi)部或外部因素,比如:鋼管材料與規(guī)格、輸送壓力、介質(zhì)性質(zhì)、現(xiàn)場施工環(huán)境、焊接方法選擇、施工隊伍硬件和軟件配置、人文環(huán)境要求等。其中,作為管線鋼管材料供應(yīng)商,更應(yīng)該關(guān)注管材本身的焊接性,包括兩方面含義:一是在一定的焊接條件下形成完整無缺陷焊接接頭的能力,即工藝焊接性;二是焊接接頭在一定的服役條件下安全可靠運行的能力,即使用焊接性。對于目前長輸管道常用的低碳微合金化管線鋼管,工藝焊接性通?？疾旌附舆^程中冷裂紋敏感性,使用焊接性一般考察焊后接頭強化、硬化與脆化行為[1-3]。

當(dāng)前,針對材料焊接性評價的方法很多,常用的直接評價法包括斜Y坡口對接抗裂試驗、插銷試驗、剛性拘束裂紋試驗、可變拘束熱裂紋試驗、FISCO焊接裂紋試驗以及Z向拉伸試驗等,間接推算法包括碳當(dāng)量(冷裂紋敏感指數(shù))法、最高硬度法、連續(xù)冷卻組織轉(zhuǎn)變曲線法、熱—應(yīng)力模擬法等。這些方法已經(jīng)比較成熟并寫入了相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。然而,經(jīng)過大量的工程實踐案例與分析,這些方法均相對保守,對實際現(xiàn)場施工焊接的指導(dǎo)作用不夠充分[1]。

采用與現(xiàn)場施工焊接相同的焊接工藝條件進行實際的接頭施焊,并進行接頭綜合性能評價,可以準(zhǔn)確地評估材料在特定條件下的焊接性,可直接用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工焊接。但是,這種方法不能體現(xiàn)材料本身的焊接性裕量。對管線鋼管項目業(yè)主來說,材料焊接性裕量越大,其現(xiàn)場焊接工藝實施的窗口范圍越寬,對其降低成本、提高效率將非常有利。鑒于此,很多海外用戶對管材供應(yīng)商提出了特殊苛刻條件下的可焊性評價要求,從而保證管線鋼管現(xiàn)場焊接性裕量,為現(xiàn)場施工焊接提供便利[4]。

為了適應(yīng)當(dāng)前海外管線鋼管用戶特殊苛刻條件下焊接性評價的要求,針對典型規(guī)格X70M大口徑UOE鋼管,在不超過0.25 kJ/mm超低熱輸入以及焊絲高強匹配條件下進行熔化極氣體保護自動環(huán)縫焊接,通過環(huán)焊接頭外觀檢查以及X射線、超聲波無損檢驗研究實際焊接過程中環(huán)焊接頭冷裂紋敏感性。通過進行環(huán)焊接頭強化、硬化與脆化行為分析,全面評價了X70M管線鋼管在這種具有加速失效特征的特殊焊接條件下的環(huán)縫焊接性。同時,將特殊條件下X70M管線鋼管接頭使用性能特征與現(xiàn)場施工正常主流焊接工藝條件下的接頭性能指標(biāo)進行比較,從而證實了X70M管線鋼管良好的環(huán)縫焊接性,并指出了特殊條件下管線鋼管自動環(huán)縫焊接性評價結(jié)果對現(xiàn)場施工焊接的重要指導(dǎo)意義。

2 焊接試驗過程

2.1 管線鋼管材料

表1和表2分別為試驗選取的典型規(guī)格鋼管對應(yīng)的基本化學(xué)成分和力學(xué)性能,所有指標(biāo)均能夠滿足API 5L標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相關(guān)技術(shù)要求。制管用X70M管線鋼屬于典型的低碳微合金化控軋控冷鋼,碳含量與冷裂紋敏感指數(shù)均較低,理論上應(yīng)該具有良好的焊接性。管體母材強度與塑韌性指標(biāo)均很好。

表1 試驗選取的典型規(guī)格X70M鋼管基本化學(xué)成分

表2 試驗選取的典型規(guī)格X70M鋼管基本力學(xué)性能

2.2 焊接材料匹配

表3為試驗鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動環(huán)縫焊接焊材匹配方案。其中,自動內(nèi)根焊采用同種焊材,而填充蓋面焊道分別采用了理論上高強和等強匹配的熔化極氣體保護實芯焊絲。在不超過0.25 kJ/mm超低熱輸入自動環(huán)縫焊接條件下,同時采用高強匹配焊接材料組合,能夠加劇焊接接頭冷裂紋敏感性,并促進接頭硬化和脆化,從而使這種條件下的焊接性評價具有加速失效特征。等強焊材匹配代表了主流施工焊接工藝條件,評價結(jié)果與特殊條件下的結(jié)果進行比較對照,一方面可以證實試驗鋼管的可焊性,再者可以判定試驗鋼管是否具有現(xiàn)場環(huán)縫焊接性裕量,對用戶制定現(xiàn)場施工焊接技術(shù)方案具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值。

表3 試驗鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動環(huán)縫焊接焊材匹配方案

2.3 焊接接頭形式與坡口尺寸

圖1所示為試驗鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動環(huán)焊接頭形式與坡口尺寸。由于采用了帶有內(nèi)對口器的自動內(nèi)焊機進行自動熔化極氣體保護根焊,內(nèi)坡口加工了小尺寸V型槽,保證根焊縫良好成型。外部采用小角度復(fù)合V型坡口,從而能夠減少填充量,提高焊接效率。鈍邊尺寸的設(shè)置需要結(jié)合焊接工藝參數(shù),保證熔透深度。

2.4 焊接工藝規(guī)范

表4為試驗鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動環(huán)縫焊接工藝規(guī)范。這里,根焊縫均采用自動內(nèi)焊方法,焊接工藝規(guī)范與現(xiàn)場施工主流焊接工藝基本保持一致。填充蓋面焊接分別采用特殊條件和主流施工焊接條件下工藝規(guī)范。一般地,管線鋼管現(xiàn)場施工氣體保護自動環(huán)縫焊接熱輸入范圍為0.6～1.0 kJ/mm,根據(jù)焊接坡口形式與焊道布置方式的不同稍有變化?；谌刍瘶O氣體保護焊接的不超過0.25 kJ/mm超低熱輸入屬于特殊苛刻的焊接條件,在這種條件下,焊后冷卻速度急劇升高,接頭淬硬傾向增加,微觀組織均勻性變差,將會同時增加焊接過程中冷裂紋敏感性以及接頭硬化與脆化傾向,與現(xiàn)場施工主流焊接工藝條件相比,具有明顯的加速失效特征。

首先,鋼管端部坡口附近25 mm范圍內(nèi)應(yīng)用機械打磨方法清理干凈,以避免產(chǎn)生焊接缺陷。焊前將鋼管段加熱到不超過60 ℃,這種低溫加熱條件旨在去除鋼管表面水分,與常用的焊前預(yù)熱有本質(zhì)的區(qū)別,對焊后冷卻速度及接頭淬硬傾向基本沒有影響,屬于無預(yù)熱焊接范疇。焊接過程中層間溫度不超過150 ℃。根焊采用直拉焊接,填充與蓋面焊根據(jù)熱輸入范圍的不同采用直拉或擺動焊接模式,保證焊接熔合質(zhì)量。采用CPP900-IW56帶有內(nèi)對口器的內(nèi)焊機進行自動內(nèi)根焊,CPP900-W2外焊機進行填充和蓋面焊。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 環(huán)焊接頭冷裂紋敏感性

基于特殊條件與主流施工焊接條件下的試驗鋼管自動環(huán)縫焊接完成后,進行接頭外觀檢查,焊縫與管體母材之間過渡良好,焊縫均勻連續(xù),沒有發(fā)現(xiàn)明顯可見的焊接缺陷。鋼管環(huán)縫焊接完成24 h后進行X射線、超聲波無損檢驗發(fā)現(xiàn):焊接質(zhì)量滿足API 1104—2016標(biāo)準(zhǔn)要求,沒有出現(xiàn)焊接冷裂紋等缺陷?？梢?即使在預(yù)熱溫度很低、高強焊材匹配、超低熱輸入自動焊接特殊苛刻條件下,典型規(guī)格X70M管線鋼管環(huán)焊接頭也沒有冷裂紋傾向,其工藝焊接性良好,并具有較大的裕量。圖2為編號GW152和GW190環(huán)焊接頭外觀形貌。

表4 試驗鋼管特殊條件與主流施工焊接條件下自動環(huán)縫焊接工藝規(guī)范

3.2 環(huán)焊接頭強化硬化與脆化行為分析

圖3為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭力學(xué)性能評價試樣取樣位置。通過進行相關(guān)力學(xué)性能評價試驗,分析在特殊苛刻焊接條件下X70M管線鋼管環(huán)焊接頭強化、硬化與脆化行為。

圖4為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭橫向拉伸性能。可見,所有試樣抗拉強度均遠高于X70M規(guī)定最低抗拉強度,并且所有接頭試樣斷裂位置均為管體母材。

表5為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊縫金屬縱向拉伸性能。可見,超低熱輸入自動焊接與焊材高強匹配,共同造成了焊縫金屬過度強化,同時,塑性指標(biāo)顯著下降。當(dāng)采用現(xiàn)場施工主流焊接工藝規(guī)范時,焊縫金屬強度顯著降低,塑性指標(biāo)也得到改善。

表5 兩種焊接工藝條件下環(huán)焊縫金屬縱向拉伸性能

按照圖5所示方法進行兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭維氏硬度測試,試驗結(jié)果見圖6(BM為母材,HAZ為焊接熱影響區(qū),WM為焊縫金屬;測試點位置按照圖5從左到右依次編號)。可見,在高強焊接材料匹配、超低熱輸入自動焊接條件下,焊縫金屬硬度值均很高,最高達到389HV10,表現(xiàn)出嚴(yán)重的硬化傾向。受到超低熱輸入焊接后快速冷卻的影響,焊接熱影響區(qū)靠近熔合線的粗晶區(qū)位置也表現(xiàn)出明顯的硬化傾向,這與前述接頭強度指標(biāo)劇烈升高以及塑性指標(biāo)降低是一致的。當(dāng)采用現(xiàn)場焊接主流工藝規(guī)范時,接頭硬化程度不大。

圖7為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭不同位置沖擊韌性。可見,在高強度焊材匹配、超低熱輸入自動焊接條件下,隨著焊縫金屬強化與硬化程度的增加,沖擊韌性顯著下降,但仍高于用戶規(guī)定的驗收指標(biāo)50/60 J。相對之下,現(xiàn)場焊接主流工藝條件下焊縫金屬沖擊韌性非常好。無論哪種焊接工藝條件,熔合線和熱影響區(qū)沖擊韌性均很好。

針對現(xiàn)場焊接主流工藝條件接頭,進行系列溫度沖擊韌性試驗,研究其在一定溫度范圍內(nèi)的韌脆轉(zhuǎn)變行為。圖8為GW190環(huán)焊接頭不同位置系列溫度沖擊韌性?？梢?在試驗溫度范圍內(nèi),GW190環(huán)焊接頭3個位置沖擊韌性均處于較高水平,即使在-40 ℃條件下,沖擊功也沒有劇烈下降,只是出現(xiàn)了個別沖擊值的波動。可以認(rèn)為,基于現(xiàn)場施工主流焊接工藝的自動環(huán)焊接頭韌脆轉(zhuǎn)變溫度低于-40 ℃,這在一般的管線設(shè)計與服役溫度下是非常安全的,這說明了寶鋼典型規(guī)格UOE鋼管具有較大的現(xiàn)場焊接性裕量。

針對兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭不同位置進行基于單側(cè)缺口彎曲試樣(SENB)的CTOD斷裂韌性試驗,試樣尺寸為B·B(B表示鋼管壁厚),缺口方向為貫穿壁厚(NP),試驗溫度為-10 ℃。圖9為兩種焊接工藝條件下環(huán)焊接頭不同位置CTOD特征值?？梢?在高強度焊材匹配、超低熱輸入自動焊接條件下,隨著焊縫金屬強化與硬化程度的增加,CTOD斷裂韌性顯著下降,受此影響,熔合線和熱影響區(qū)位置CTOD特征值也偏低。然而,即使在特殊苛刻焊接工藝條件下,環(huán)焊接頭熔合線和熱影響區(qū)CTOD斷裂韌性均明顯高于一般工程驗收標(biāo)準(zhǔn)值0.2 mm,說明寶鋼典型規(guī)格UOE鋼管具有較高的現(xiàn)場焊接性裕量。所以,在現(xiàn)場焊接主流工藝條件下,環(huán)焊接頭各個位置均表現(xiàn)出良好的CTOD斷裂韌性。此外,與沖擊韌性值相比,CTOD特征值表現(xiàn)出很大的離散性,這與環(huán)焊接頭組織不均勻有關(guān),這種組織不均勻性對CTOD特征值的影響程度遠大于沖擊韌性。同時,沖擊韌性與斷裂韌性也不是完全正相關(guān)的關(guān)系。CTOD斷裂韌性的影響因素與機制更加復(fù)雜,也具有更大的不確定性。

圖10為GW152焊接接頭不同位置典型微觀組織。在超低熱輸入自動焊后快速冷卻時,焊縫金屬內(nèi)碳原子來不及擴散形成鐵素體/貝氏體基體上聚集狀M-A組元,這是焊縫金屬脆化的重要原因。焊后快速冷卻增加了淬硬傾向并形成密集分布的條狀馬氏體,這是焊縫金屬強化、硬化與脆化的重要原因。熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)同樣受到快速冷卻淬硬作用,在原奧氏體晶界內(nèi)生成交錯分布的條狀貝氏體+馬氏體組織,二者交錯分布在一定程度上改善了CGHAZ韌性,同時由于該區(qū)域比較窄,所以對沖擊韌性的影響不大。多層多道焊接時,二次和多次循環(huán)受熱的臨界再熱粗晶區(qū)(IRCGHAZ)組織特征比較復(fù)雜,其循環(huán)受熱溫度處于α+γ兩相區(qū),冷卻時發(fā)生不均勻、不充分固態(tài)相變,多次非均勻相變使碳化物在M-A組元內(nèi)部聚集,與周圍基體出現(xiàn)了碳濃度梯度,并形成了條狀貝氏體/鐵素體+馬氏體+不均勻分布塊狀高碳M-A組元,這將割裂貝氏體/鐵素體基體并降低該區(qū)域韌性指標(biāo)。由于這種局部脆化區(qū)很窄并且隨機分布,無論是熔合線還是熱影響區(qū)位置沖擊試驗取樣刻槽,都不可能完全取在該區(qū)域,其對沖擊韌性影響不大。然而,在CTOD斷裂韌性評價時,一旦預(yù)制疲勞裂紋尖端位于該局部脆化IRCGHAZ,加載過程中將快速失穩(wěn)擴展,出現(xiàn)突變區(qū)或直接發(fā)生脆性斷裂,并造成CTOD特征值的劇烈下降。這也是前述熔合線和熱影響區(qū)位置CTOD值離散性分布的重要原因[5]。

圖11為GW190焊接接頭不同位置典型微觀組織。在現(xiàn)場焊接主流工藝條件下,環(huán)焊接頭焊后冷卻速度適中,焊縫金屬以條狀鐵素體+貝氏體組織為主,局部存在少量塊狀M-A組元,沒有形成對基體金屬的割裂作用,從而使焊縫金屬表現(xiàn)出良好的韌性指標(biāo)。熱影響區(qū)粗晶區(qū)很窄,一次粗晶區(qū)奧氏體晶界明顯,以細針狀貝氏體+鐵素體+少量M-A組元為主,同時二次再熱粗晶區(qū)具有M-A組元聚集特征。在該試驗條件下,該區(qū)域?qū)宇^造成的局部脆化效應(yīng)不明顯。

4 結(jié)論

(1) 針對典型規(guī)格X70M大口徑UOE管線鋼管,在不超過0.25 kJ/mm超低熱輸入以及焊絲高強匹配條件下進行無預(yù)熱熔化極氣體保護自動環(huán)縫焊接,在這種特殊苛刻焊接條件下,材料無冷裂紋敏感性,表現(xiàn)出良好的工藝焊接性。

(2) 特殊苛刻焊接條件下X70M環(huán)焊接頭表現(xiàn)出一定的強化、硬化與脆化傾向,但仍能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。通過進行現(xiàn)場焊接主流工藝條件環(huán)焊與性能評價比較,證明了寶鋼X70M管線管具有較大的焊接性裕量,該結(jié)果對現(xiàn)場施工焊接具有重要的指導(dǎo)意義。

(3) 環(huán)焊接頭表現(xiàn)出的強化、硬化與脆化傾向,與接頭微觀組織形態(tài)密切相關(guān)。不同的焊接條件下形成的不同組織形態(tài)導(dǎo)致接頭性能的差異。環(huán)焊接頭非均勻組織分布造成了部分性能指標(biāo)的離散性。