基于应变设计的高强钢管道环缝焊接技术*

李为卫， 高 琦， 刘炜辰， 葛加林 编译

（1. 中国石油集团石油管工程技术研究院， 西安710077；2. 中国石油西部管道公司， 乌鲁木齐830013；3. 中国石油测井公司国际事业部， 北京102206； 4. 西安石油大学， 西安710065）

0 前 言

现有管道大多数是根据许用应力设计， 即工程应力低于材料屈服强度 （不发生塑性变形）。在未来的几十年里， 石油天然气工业管道的敷设将持续在更恶劣的环境中进行， 因为冻土、 山体滑坡、 地震活动等自然条件， 管道的纵向应变可能会持续增加。 为了适应恶劣的环境， 可能会采用基于应变设计 （strain based design， 以下简称SBD） 理念进行管道设计。 虽然高强度管线钢的优点很多， 但是如果管道承受基于应变的载荷， 那么对管道环焊缝的焊接性和力学性能也提出了新的挑战。 由于焊接缺陷、 错边和焊缝微观结构等影响， 焊缝通常是SBD 管道中最薄弱的部位。 由于应用条件的苛刻， SBD 管道比传统管道需要更高强度和韧性的焊缝， 最终的目的是充分提高应变能力和缺陷容限。 本研究介绍了ExxonMobil 公司基于应变设计X80高强钢管道环缝焊接技术的研究情况， 供从事相关研究的技术人员参考。

1 试验材料和焊接工艺

管道环缝焊接试验选取的是Φ1 219 mm×23.7 mm 的L555/X80 管线钢管。 为了提高焊缝强度， 保证焊缝韧性， 设计了一种FeNi 合金焊丝， 该焊丝可以使焊缝形成针状铁素体穿插于马氏体中 （FAIM） 的混合显微组织。 针状铁素体（AF） 为软相， 主要是平衡韧性， 马氏体 （M）和贝氏体（B） 为硬相， 主要是保证强度。 FAIM组织结构如图1 所示， FeNi 合金焊丝的化学成分见表1。

图1 FAIM 组织结构示意图

表1 试验用FeNi 合金焊丝的化学成分 %

根焊使用内焊机从内部实施焊接， 采用GMAW 短路过渡模式， 焊丝采用传统的ER70S－6焊丝。 热焊、 填充焊以及盖面焊采用外部双焊炬自动熔化极气体保护脉冲电弧焊 （GMAW－P），通过调整脉冲电流波形（脉冲频率、 脉冲幅度和宽度、 脉冲形状等） 对焊接过程与侧壁熔合进行优化， 焊接材料为FeNi 合金焊丝。 焊缝坡口尺寸和接头宏观照片如图2 所示， 焊接位置为5G， 典型的热输入为热焊0.6 kJ/mm， 填充焊0.65 kJ/mm，盖面焊0.45 kJ/mm。 焊接预热和层间温度控制在100～150 ℃之间， 保护气体为Ar 与CO2的混合气。 焊后对焊缝进行射线和超声检测， 合格后取样进行力学性能试验和分析。

图2 焊缝坡口设计和接头宏观照片

2 试验结果及分析

按设计的焊接工艺进行了焊接试验， 并对焊缝金属的力学性能进行检测， 结果见表2。 由表2可见， 检测结果均满足开发设计的目标要求。 焊缝金属的拉伸强度超过母材标准规定的上限（API SPEC 5L 规定X80 母材的屈服强度为555～705 MPa， 抗拉强度为625～825 MPa）， 完全达到了高强匹配。 焊缝金属具有良好的塑性和韧性，－30 ℃时夏比冲击韧性达到253 J，－15 ℃时断裂韧性CTOD 最小值达到1.12 mm，－15 ℃时断裂韧性SENT 最小值达到1.16 mm， 均超过设计目标的要求。 可以看出， 为基于应变设计管道焊接开发的AFIM 组织焊接材料、 使用双焊炬GMAW－P 工艺 （简称SBD－AFIM）， 管道环焊缝可获得较高的强韧匹配度。

表2 焊缝金属的力学性能试验结果

图3 SBD－AFIM 与商业化管道焊缝强韧性的对比

SBD－AFIM 与商业化管道焊缝强韧性的对比如图3 所示。 由图3 可见， SBD－AFIM 管道焊缝的强度更高、 韧性更好， 虽然商业化管道焊接技术达到了规定的性能， 但是不如采用SBD－AFIM 焊缝强度和韧性匹配高。 SBD－AFIM 焊缝在光学和扫描电镜下的微观组织照片如图4 所示。 由图4 可见，其组织是由针状铁素体和硬相组织（包括退化上贝氏体、 粒状贝氏体以及侧板条马氏体） 组成， 由于组织的细化和软硬相的平衡， 提高了焊缝的强韧匹配度。 典型的SBD－AFIM 焊缝CTOD 试样疲劳裂纹尖端附近在扫描电镜下的断口形貌如图5 所示， 可见， 其断裂方式是韧性断裂。

图4 典型的SBD－AFIM 焊缝光学和SEM 扫描照片

图5 典型的CTOD 试样断口形貌

3 应变能力预测及全尺寸试验

为了验证开发的焊接工艺能否满足高应变管道的焊接要求， 取应变值3%， 采用有限元模拟计算临界裂纹尺寸， 类似的有限元分析也可以用来预测环焊缝缺陷尺寸和应变能力。 通过这种方法， 应变能力预测技术可用于基于应变设计管道的工程临界评估 （SBECA） 缺陷的验收标准。 计算时， 假设SBD－AFIM 管道焊缝的错边量为4 mm， 预测结果如图6 所示。 由图6可见， 即使在高应变下SBD－AFIM 管道焊缝也具有高的应变容量。

对外径762 mm、 壁厚15.6 mm 的X80 钢管， 采用SBD－AFIM 焊接技术进行环缝焊接，焊缝具有超过母材23%的高强匹配， 在焊缝中心引入了3 mm×50 mm （深度×长度） 的缺口和3 mm 的错边， 在内压情况下进行全尺寸双轴试验， 管道环焊缝应变能力全尺寸双轴试验照片如图7 所示。 试验过程中， 由于远离焊缝的母材发生塑性垮塌而结束试验， 试验获得了3.2%的变形量， 表明管道环缝具有抗大应变的能力。

图7 管道环焊缝应变能力全尺寸双轴试验照片

4 结 论

（1） SBD－AFIM 管道焊接技术， 包括开发的AFIM 焊接材料， 使用窄间隙GMAW－P 焊接方法以及合适的工艺参数， 能够满足基于应变设计的X80 高强钢管道环焊缝的强度与韧性要求。

（2） SBD－AFIM 管道焊接技术获得良好的焊缝强韧匹配度， 比传统商业化管道X80 高强钢的环焊缝性能更好。

（3） 有限元模拟和全尺寸测试结果表明，SBD－AFIM X80 管道环焊缝具有大的缺陷容限和高的抗大应变能力。

致谢： 本文编译自2014 年国际管道会议上Neerav Verma， Doug P. Fairchild， Fredrick F.Noecker II 等人的论文 “Advanced Strain－based Design Pipeline Welding Technologies” （IPC2014－33079）， 在此表示感谢。