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基于“等强匹配”选材原则下的X80钢级管道焊接工艺验证试验研究

发表时间：2021/5/17 来源：《基层建设》2021年第2期作者：魏子云宋卫臣姜志阳

[导读] 摘要：目前已经开发完成并投入应用的X80钢级管道的焊接工艺设计中，其根焊焊材的强度远低于钢管本身的强度，部分焊接工艺中热焊层和填充盖面层的焊材强度也低于钢管本身的强度。

       中石化石油工程设计有限公司山东省东营市 257000
       摘要：目前已经开发完成并投入应用的X80钢级管道的焊接工艺设计中，其根焊焊材的强度远低于钢管本身的强度，部分焊接工艺中热焊层和填充盖面层的焊材强度也低于钢管本身的强度。从焊接工艺评定的角度考虑，这种“低强”匹配的选材原则存在不足之处。通过试验，验证了“等强匹配”选材原则下的焊接工艺不仅能满足X80钢级管道焊接所要求的工艺性能，同样能够获得优良的焊接接头使用性能。
       关键词：X80钢级；等强匹配；工艺评定
       1前言
       目前，国内X80钢级管道的焊接研究较少，在已经施工应用的X80钢级管道的焊接工艺设计中基本参照X70钢级。比如焊接选材方面，在X70钢级的施工中，根焊均选择了“低强”的焊材，在X80钢级管道的焊接中也采用了同样的选材原则和焊材。一般而言，在长输管道的焊接施工中要求管道的焊接接头强度要高于管体本身的强度，以避免在使用过程中应力应变集中在焊接接头这一薄弱且狭小的区域，常规做法有从选材方面考虑选择强度高于母材的焊材，另外从焊接工艺方面入手，通过“补强覆盖焊接法”来实现焊接接头整体强度高于母材。对此，我们从焊接选材方面考虑，开展了X80钢级管道“等强匹配”选材原则下的焊接试验研究，验证“等强匹配”选材原则在X80钢级管道根焊中的适用情况。
       2焊接选材对比分析
       通过查阅已经应用过的X80钢级管线施工项目，包括陕京四线输气管道工程、鄂安沧输气管道一期工程、中缅天然气管道工程。工程中X80钢级管道焊接选材原则基本相同，根焊均采用“低强”焊材，热焊和填充盖面的自保护药芯焊丝也采用了“低强”的原则。依据API SPEC 5L《管线钢管》制造规范，X80钢级管道的抗拉强度范围应为621～827MPa，通过查阅AWS焊材标准，E7016焊条的熔敷金属抗拉强度指标为482MPa，ER70S-G焊丝为480MPa，E80C-Ni1药芯焊丝、E81T8-Ni2J和E81T8-G自保护药芯焊丝均为550MPa。
       以上数据可以看出，目前在X80钢级的焊接选材中，根焊焊材的强度远低于钢管本身的强度，热焊层和填充盖面层的自保护药芯焊丝强度也低于钢管本身的强度。根焊之所以采用“低强”的选材原则主要是为了避免采用“等强匹配”的焊材焊接时，由于焊接过程中不可避免存在应力，而根焊层焊肉较薄，在拉应力作用下容易因塑性不足而产生开裂。
       从焊接工艺评定的角度考虑，这种“低强”匹配的选材原则存在不足之处，随着钢管强度级别的提高，这种选材方式的影响可能更容易体现。当前是X80钢选用这种选材，以后的X100、X120钢级的管道是否也按照这种模式选材？“等强匹配”选材原则不适用于X80及更高强度级别的钢管焊接？为了从根本上解决这些疑虑，我们在下一步的试验中对X80钢级管道焊接按照“等强匹配”的选材原则进行了试验验证。本次验证试验设计的焊接工艺和焊材选择如表1所列：
       表1 验证试验所选用的焊材和工艺设计

       3.焊材复验
       本次试验选择的焊材品牌是伯乐蒂森焊材，对应的实芯焊丝和金属粉芯焊丝牌号为NiMo-1-IG（AWS A5.28 ER90S-G）和X80MC-Pipe（AWS A5.36 E91T15-M21A8-K1-H4）。
       为了保证所选焊材的性能符合本次验证试验的要求，需要进行焊材复验，焊材性能应与其质量证明中的数据相符，并满足表2要求：
       表2 焊材性能指标列表

按照AWS A5.28和AWS A5.36中的要求对焊材进行了复验，其结果如表3所列：
表3 焊材复验性能数据表

       从表中的数据可以看出，两种焊材在强度和塑性等各项指标上能够满足本次试验的力学性能要求。
       4.抗裂性试验
       我们通过抗裂性试验验证所拟定的焊接工艺中的预热温度、道间温度和配套的焊接材料，本次试验中我们采用了窗形拘束试验，利用窗形拘束试验台模拟管口组对过程中的拘束应力，验证使用“等强匹配”的焊材进行根焊时的开裂倾向。
       由于窗形拘束试验用的试板需要从钢管上截取，且主要评价钢管环缝焊接时的开裂倾向，因而试板带有一定弧度，在窗形拘束试验台上从上下两个位置采用焊接的方式进行了刚性固定以避免其横向收缩，试板的坡口型式、焊接方式与管道焊接时一致，试件按照工艺要求预热到100～150℃开始根焊，根焊完成后检查无裂纹后接着热焊、填充直至盖面完成，焊接过程中的道间温度控制在200℃以内。窗形拘束试验台和试件焊接见图1。

       图1 窗形拘束试验台和试件焊接
       窗形拘束试验试件焊接完成后放置48小时后，取下试件用X射线和磨片检查裂纹，未发现裂纹。窗形拘束试验的结果显示，X80钢级的管道在采用“等强匹配”的选材原则下能够满足根焊的工艺要求。
       5.焊接工艺评定试验
       本次试验除了验证“等强匹配”选材原则下的焊材满足X80钢级管道焊接所要求的工艺性能外，还需要验证这种选材方式下的焊接接头使用性能，因此需要对设计的焊接工艺进行焊接工艺评定试验。
       5.1 工艺设计
       目前，国内普遍采用的几种焊接 X80钢级管道的焊接工艺基本相同，一是采用碱性焊条手工焊根焊+自保护药芯半自动焊填充盖面工艺，二是采用半自动焊根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填充盖面工艺，三是采用全自动焊工艺。几种方法中全自动焊工艺施工效率最高，适用于平原及开阔地带的焊接施工；半自动焊方法效率次之，适用于各种地形的施工，是目前主要的施工方法；手工焊根焊的工艺方法效率最低，在目前采用的大口径管线施工中仅用于地形特别受限处、连头施工或返修焊施工，属于辅助工艺。
       近年来，随着对焊接质量及焊接效率要求的提高，国外越来越多地开始采用全自动焊接工艺，国内于2000年引进全自动焊工艺，并在西气东输X70钢管线工程进行了首次应用，随着设备和材料的不断成熟，开发出了X80钢自动焊工艺。由于长输管道工程施工环境的复杂多样，全自动焊工艺的应用极为有限，加之全自动焊工艺对根焊准备的要求高，从整体施工情况看，并没有体现出高效率这一优势。从这方面考虑，在本次验证试验的焊接工艺设计中，我们分别制定了半自动根焊+机动焊填充盖面、半自动焊根焊+填充盖面以及手工钨极氩弧焊打底+半自动填充盖面的工艺，具体如表1所列。
       5.2 评定试验
       本次验证试验的评定按照GB/T31032-2014《钢质管道焊接及验收》执行，并在此基础上结合了以往工程实践中对X80钢级管道评定的设计要求。本次验证试验的试验项目和数量如表4所列，检验标准和评定指标如表5所列。
       表4 焊接工艺评定试验项目和数量

表5 焊接工艺评定试验检验标准和评定指标

       按照以上要求进行了评定，试验结果全部满足要求，列举了部分试验项目的数据结果如表6所示。
       表6 焊接工艺评定结果统计表

       6.结论
       通过本次验证试验，说明“等强匹配”选材原则同样适用于X80钢级管道的焊接，除了能够满足X80钢级管道焊接所需的工艺性能要求外，其焊接接头也能够获得优异的强度和韧性等使用性能要求。同时，我们设计的这种手工与机动焊相结合的焊接工艺，避免了全自动焊根焊要求高、技术不成熟、应用普及受限制的情况，使得自动焊更能适应当前施工的环境，为下一步X80钢级管道乃至更高钢级管道的焊接工艺设计提供借鉴。
       参考文献：
       ［1］李光春，王飞翔.高强度X80钢的焊接.甘肃科技，2001，27（2）
       ［2］中石化石油工程设计有限公司，《鄂尔多斯-安平-沧州输气管道工程一期线路管道焊接要求》