外焊双丝焊在薄壁直缝埋弧焊管中的应用

王林林， 范 洁， 韩铁利， 杨鹏飞， 吴振宇， 孙永琪

（渤海装备巨龙钢管有限公司， 河北 青县 062658）

0 前 言

近年来， 我国已陆续建成西气东输二线、 三线等输气管道， 但仍不能满足国民经济对天然气的需求[1-2]。 随着我国重大输气管道工程的不断建设， 直缝埋弧焊钢管正被广泛采用， 因此深入研究直缝埋弧焊管的制管工艺十分必要。 通过优化焊接工艺来逐步提高焊接质量， 对提高焊管的质量和生产效率具有重要意义[3-4]。 当前， 国内焊管企业在生产薄壁直缝埋弧焊管时多采用内外三丝的焊接工艺， 该焊接工艺易产生咬边、 夹渣、 横向裂纹等一系列焊接缺陷[5]。 针对上述问题， 笔者认为， 应持续改进薄壁直缝埋弧焊管的焊接工艺。 由于钢管的内焊焊接条件比较复杂， 为减少夹渣等缺陷[6-8]， 保证焊管质量， 内焊适宜采用三丝焊， 而对于外焊来说， 很多标准[9]中都对余高有更严格的限制， 同时制管企业为降低外防腐成本， 也会设定更为严格的外焊缝高度内控要求。降低外焊缝高度方法有很多种[10]， 如加大焊接坡口尺寸、 减少焊丝数量、 减小焊丝直径、 改变焊接参数等， 但在薄壁直缝埋弧焊管生产中， 最有效的办法是通过减少参与焊接过程的焊丝数量来控制焊后余高， 本研究提出了一种薄壁埋弧焊管的内焊三丝、 外焊双丝的焊接工艺， 并在管线建设中成功应用。

1 焊接试验方案

1.1 试验材料

试验材料为国内某钢厂生产的L450 钢级、壁厚11 mm 热轧钢板， 钢板的化学成分见表1，主要力学性能见表2。

表1 L450 钢板化学成分 %

表2 L450 钢板力学性能

1.2 焊接工艺

焊管规格为Φ711 mm×11 mm， 采用JCO 方式进行钢管制管成型， 成型后的钢管进入内外焊接流程， 焊接电源均为林肯模拟焊机。 坡口形式为双面V 形， 钝边4.5 mm， 内外焊坡口角度均为90°。 焊丝使用H08MnMoTiB， 化学成分见表3。 焊剂采用氟碱性烧结焊剂SJ101G。

表3 H08MnMoTiB 焊丝化学成分 %

设计了两种焊接工艺试验方案， 方案一外焊采用三丝焊接工艺， 方案二外焊采用双丝焊接工艺， 两种方案内焊均采用三丝焊接。 具体焊接参数见表4。

表4 L450 钢级直缝埋弧焊管焊接工艺参数

2 试验结果分析

采用两种焊接工艺方案分别焊接了一个管段， 采用方案一焊接的管段定义为A 管段， 采用方案二焊接的管段定义为B 管段。 经过在线RT 与UT 无损检测， A、 B 两个管段均未发现缺陷。

2.1 焊缝宏观形貌

两个管段的焊缝宏观形貌如图1 所示， 两种方案均满足项目技术要求， 即内外焊道中心偏离≤3.0 mm、 内外焊道熔深≥1.5 mm。 焊缝接头形貌参数见表5。 由表5 可见， 方案二的外焊缝余高与宽度相对较低， 有利于外防腐的生产成本控制。

图1 焊接接头焊缝宏观形貌

表5 焊缝接头外观形貌参数[2]

2.2 力学性能

2.2.1 拉伸性能

在WESW-2000E 电液伺服万能试验机上进行焊接接头的抗拉性能试验。 试验结果表明， A 管段抗拉强度为610 MPa， B 管段抗拉强度为635 MPa， 均满足焊缝抗拉强度≥535 MPa的技术要求。

2.2.2 冲击性能

在垂直焊缝方向截取冲击试样， 缺口位置分别在中心焊缝和热影响区， 取样位置如图2 所示。 按照ASTM A370 标准在NI7500 J 冲击试验机上进行CVN 冲击试验， 试验温度-20 ℃， 试验结果见表6。

图2 焊缝和热影响区冲击试样取样位置示意图

表6 焊接接头冲击试验结果（－20 ℃）

由表6 可见， 两种方案的焊缝冲击性能均达到对焊缝及热影响区冲击韧性单值大于42 J、均值大于55 J 的技术指标要求， 表明这两种方案的焊接接头均具有良好的抗断裂韧性。 同时也可以看出， 由于方案二相比方案一焊接热输入有所减小， 因此较方案一， 方案二的焊缝冲击功明显较高。

2.2.3 弯曲性能

在垂直焊缝方向上截取焊接接头弯曲试样，试验弯芯直径为66 mm， 弯曲角度为180°。 正、反弯曲后的试样表面均未见裂纹、 气泡， 热影响区无明显变形， 表明焊接接头的焊缝及热影响区弯曲性能良好。

2.3 显微组织

两种焊接工艺的焊接接头的显微组织如图3和图4 所示。 对比图3 和图4 可以发现， 由于B管段的外焊热输入相比A 管段降低了近10%，由此得到的焊缝及热影响区的组织更为细小， 奥氏体晶粒得到细化， 提高了热影响区韧性[11]， 焊接接头的力学性能有所提升。

图3 A 管段焊接接头金相组织

图4 B 管段焊接接头金相组织

3 生产应用

试验研究表明， Φ711 mm×11 mm 薄壁直缝埋弧焊管在内焊三丝、 外焊双丝的焊接工艺下焊缝的性能更为优异。 在某项目同规格钢管的批量化生产中采用了内焊三丝、 外焊双丝的焊接工艺， 现已生产钢管累计317 根。 统计结果表明，该批钢管的外焊缝平均高度为2.1 mm， 产生焊接缺陷管10 根， 焊接一次合格率为96.8%， 对比以往同规格钢管的生产统计数据， 焊缝余高降低了0.3 mm， 焊接合格率提高了3.5%。 通过本次焊接工艺优化， 该项目钢管补焊与管端返切数量明显减少， 提高了生产效率。

图5 为焊缝拉伸性能统计结果， 其中焊缝拉伸试样共做了21 套， 抗拉强度均值627 MPa，远高于标准要求的535 MPa。 图6 为焊接接头的冲击韧性统计结果， 其中焊缝与热影响区夏比冲击试验均取样16 件， 焊缝冲击韧性均大于100 J，热影响区冲击韧性均大于280 J， 远高于单值大于42 J、 均值大于55 J 的技术要求。 另外， 导向弯曲、 硬度、 落锤、 化学、 金相等试验结果也全部满足项目要求。

图5 Φ711 mm×11 mm 焊管焊缝拉伸性能

图6 Φ711 mm×11 mm 焊管焊接接头夏比冲击试验结果

4 结 论

（1） 对于壁厚11 mm 及以下薄壁直缝埋弧焊管焊接， 经焊接试验证明， 外焊使用三丝焊或双丝焊的焊接接头均具有良好力学性能， 但在采用双丝焊工艺时， 能更好控制外焊缝高度， 焊接接头整体形貌明显好于三丝焊工艺， 力学性能更佳。

（2） 在批量生产中， 外焊采用双丝焊接工艺， 进一步验证了上述结论， 且焊缝缺陷率出现明显降低， 从成本控制因素出发， 薄壁直缝埋弧焊管批量生产时建议首选外焊双丝焊工艺。