我国大口径X70输气钢管焊接技术和质量现状

摘 要：X70钢级大口径螺旋缝和直缝埋弧焊钢管被开发出且用于我国的西气东输工程，这是我国第一条高压、大口径和高钢级输送天然气的管线。该工程的设计压力为14MPa，钢管母材为针状铁素体型X70级管线钢。外径1016mm、壁厚14.6~21.0mm的国产X70管线管的焊缝性能达到相当高的水平，特别是焊缝的夏比V型缺口低温冲击性能。本文通过大量的调研、统计，分析了我国目前X70管线钢制管的焊接技术和质量现状。 关键词：X70输送钢管  焊接  技术  质量 0 前言 西气东输工程是新世纪开始我国一项大的重点工程。管道全长约4000km，初期输气量为每年120亿立方米，最终输气量每年200亿立方米。设计压力14MPa，运行压力10MPa，钢管用量约160多万吨。她将西部的天然气资源输送到经济发达但能源短缺的东南沿海地区，将大大地促进中国的经济发展，且推动了我国石油天然气输送管制管技术的进步。 X70是国外70年代初发展起来的一种微合金高强度管线钢，采用控轧控冷工艺，得到以针状铁素体为主的组织，强度、韧性和焊接性等性能非常好，已在工程中大量使用，技术已很成熟。我国管线钢的应用研究起步较晚，然而发展很快，80年代之前一直采用A3F、16Mn一类的钢材，直至80年代中后期才开始少量采用X60钢管，且多为进口钢材。80年代初开始，国内钢铁企业、制管厂和科研单位经过多年的努力，研制出X60、X65管线钢。为了国家西气东输工程建设的需要，于2001年又研制出了X70高强度管线钢。［1］［4］ 油气输送钢管的焊接，是制管厂的关键技术环节之一，焊接质量的优劣关系到管线运行的安全，可以衡量一个国家管线钢焊接技术水平。在研制大口径X70钢管的过程中，攻关单位付出了很大努力，攻克了许多技术难关，掌握了X70管线钢焊接技术，相继于2001年和2002年开发出了大口径（OD.1016mm）X70螺旋埋弧焊管(SSAW)和直缝埋弧焊管(LSAW),约80万吨的国产X70焊管用于国家的西气东输工程建设，生产焊管合格率达到97％以上。本文通过大量的调研、统计，分析研究了我国目前X70管线钢制管的焊接技术和质量现状。 1 焊接工艺 西气东输工程用钢管的外径均为1016mm，而钢管厚度根据使用地区类别的不同从14.6到26.2mm。该工程用钢管分为直缝和螺旋缝埋弧焊钢管两种，由于历史的原因，我国的钢管生产线大多为螺旋管生产线，参与西气东输工程钢管生产的螺旋管厂有6家，均为在线焊接。为了西气东输工程的需要，其中的一家管厂新建了一条直缝埋弧焊管生产线，成型方式为JCOE。 制作钢管的焊接方法均采用双面埋弧焊，焊接设备为美国Lincoln或德国Messer公司的生产焊机。根据材料厚度的不同，钢管内外焊一般采用2－4丝焊接，也有个别厂家内焊道采用单丝焊。螺旋埋弧焊管采用在线焊接，由于受到成型机组行进速度的限制，焊接速度不高，而直缝焊管的焊速较高。国内生产φ1016mm X70埋弧焊管的焊接工艺见表1，通过控制焊接线能量来保证钢管焊接接头的性能。 表1  X70埋弧焊管主要焊接工艺参数 Table 1  The primary welding procedure parameter of O.D1016mm X70 SAW pipe 壁厚t (mm) 钢管 种类 焊接 方法 坡口 形式 焊丝数量 焊接速度 v／（mm·min-1） 焊接线能量 E／（KJ·cm-1） 内焊道 外焊道 14.6 SSAW 埋弧焊 Y型 1或2 2 ~1200 ～20 17.5 LSAW 埋弧焊 X型 4 4 ~1800 ～22 21.0 LSAW 埋弧焊 X型 4 4 ~1600 ～22   2 焊接材料 制作钢管焊接材料包括埋弧焊丝和焊剂。目前使用的焊丝主要是H08C，这是国家“八五”计划期间有关单位研制的高强度高韧性管线钢专用焊丝，属于Mo-B-Ti型合金系，是一种低碳、低硫磷、低气体含量和杂质含量的优质焊丝。通过采用微合金化和细晶粒强韧化机理设计焊丝，使焊缝得到了以针状F为主的组织，同时满足高强度和高韧性的要求。其典型的化学成分和力学性能见表2、表3。采用该焊丝生产钢管焊缝的典型金相组织见图1。也有的制管厂采用JW－9牌号的焊丝，它与H08C焊丝具有相近的化学成分和力学性能。［2］ 使用的焊剂有2种，牌号分别为SJ101和SJ101G，均为国内生产。SJ101焊剂属于氟碱型烧结焊剂，碱度值为1.8左右，粒度10～60目，焊剂成分为Ti-Al2O3-MgO系统。该焊剂具有良好的抗吸潮性，焊接过程电弧燃烧稳定、脱渣容易，所焊焊缝金属的低温冲击韧性较高。SJ101G焊剂也属于氟碱型烧结焊剂，碱度值为1.6~2.0，为氟碱型渣系特征，焊渣成分：CaO+MgO+MnO＋CaF2≥50％、SiO2≤20％、CaF2≥15％，通过配合H08C焊丝得到高韧性焊缝。［3］ 表2  H08C焊丝的典型化学成分（wt%） Table 2  The typical chemical analysis of H08C wire（wt%） C Si Mn P S Mo Ti B Cr+ Ni+Cu 0.086 0.18 1.54 0.020 0.0015 0.32 0.030 0.0048 0.080 表3  H08C焊丝熔敷金属的典型力学性能 Table 3  The typical mechanical property of H08C wire 配套焊剂 牌号 熔敷金属的性能 抗拉强度 σb／（MPa） 屈服强度 σs／（MPa） -20℃冲击功 CVN／（J） SJ101G 638 523 175   3 焊接质量 3.1 焊缝外观 焊缝的外观质量包括焊缝的余高、错边、焊缝与母材的过渡、焊缝形状、宽窄均匀性等等。图2为一组典型的螺旋缝与直缝埋弧焊管焊缝外观质量对比。与直缝埋弧焊管焊缝外观质量相比，螺旋埋弧焊管由于是在线焊接，焊接工艺受成型机组的影响而不能调节到最佳状态，焊缝的外观质量普遍不好，表现在焊缝与母材过渡不圆滑、焊缝马鞍形、余高过高等，这对焊接接头的承载有较大影响，这是国产螺旋焊管需要努力改进的方面之一。 3.2 焊缝内在质量 焊缝的内在质量指焊缝完好性，即焊缝的无缺陷性。焊缝一次探伤合格率可以衡量这一质量水平。本工程国产钢管焊缝一次探伤合格率，螺旋缝埋弧焊管一般约75％，直缝埋弧焊管一般约85％。焊缝的缺陷主要为未焊透、夹渣、错边。可见，焊缝一次探伤合格率不高，相当量的钢管需要通过焊接修补来满足技术条件要求，补焊成为制管厂主要工作之一。 对国内管厂生产钢管不合格的原因进行分析统计，结果显示因焊接缺陷造成的不合格螺旋缝埋弧焊管占50～60％，直缝埋弧焊管占月45％。可见，焊接内在质量问题是造成钢管不合格的主要原因，这是国产焊管质量需要改进的另一个方面。 　 图1  钢管焊缝的典型金相组织 　 2   Fig.1  The typical welds microstructure of pipes 图2  螺旋缝与直缝埋弧焊管焊缝外观对比 Fig.2  The typical welds appearance of SSAW and LSAW line pipes   3.3 焊缝的力学性能 X70钢管焊缝的力学性能可以通过是拉伸、夏比冲击、硬度等试验数据来衡量。表4列出了国内几个主要钢管厂为西气东输工程生产的X70钢管焊接接头的主要性能，为了对比，同时列出了日本某钢管厂某一时期为该工程生产的X70钢管焊接接头的主要性能。国产钢管焊接接头的抗拉强度满足技术条件要求（≥570MPa），平均值比进口钢管明显高。国产钢管焊缝和热影响区的硬度满足技术条件要求（Hv10≤270），平均值适中。 钢管韧性是高钢级高压输气管线一个非常重要的指标，从表4可以看出，国产钢管焊缝和热影响区的冲击功与进口钢管相比在同等水平，平均值很高，但存在很少量钢管焊缝的冲击功低于技术条件要求(－20℃夏比冲击功三个试样平均值不小于90J，单个试样最低值不小于60J)的现象。图3是国产合格钢管焊缝夏比冲击功（－20℃）的几率分布图，可以看出，除了17.5mm LSAW钢管外（120J以上钢管的几率约80％），90％以上钢管的夏比冲击功在120J以上。系列温度冲击试验数据也表明，焊缝金属具有良好的低温转变特性。可见国产钢管焊缝具有良好的冲击性能，但是钢管焊缝韧性的稳定性需要进一步提高。 表4  西气东输工程国内外生产的X70钢管焊接接头的主要力学性能数据 Table 4   Main Welds Mechanical Property Data of Pipes for the Project 钢管厂 钢管 规格 （mm） 钢管 类型 接头抗拉强度 σb /（MPa） －20℃夏比冲击功 CVN/（J） 硬度 Hv10kg 焊缝 HAZ 焊缝 HAZ Min Max Ave Min Max Ave Min Max Ave Max Ave Max Ave 国内B钢管厂 φ1016×14.6 SSAW 655 785 726 50 278 161 52 340 235 264 228 255 213 国内H钢管厂 φ1016×14.6 SSAW 635 755 727 60 289 185 32 443 247 268 232 268 222 国内L钢管厂 φ1016×14.6 SSAW 620 750 700 43 276 152 31 396 272 266 241 264 230 国内J钢管厂 φ1016×17.5 LSAW 595 755 680 33 252 143 63 345 251 268 228 262 211 国内J钢管厂 φ1016×21.0 LSAW 615 775 688 80 250 173 122 343 246 258 220 245 204 日本Z钢管厂 φ1016×14.6 LSAW 610 634 623 145 230 195 250 312 280 228 214 218 196 日本Z钢管厂 φ1016×21.0 LSAW 612 650 629 66 248 196 188 452 276 221 210 240 229 3.4 焊接残余应力 　 3   众所周知，残余应力对结构的承载能力有很大影响，传统的残余应力测试方法很复杂，在实际工程中实施起来比较困难，尤其对管线钢管大批量生产更是如此。西气东输工程技术条件规定，在钢管上切取长度大于100mm的管段，距焊缝100mm处沿轴向切开，通过测量切口轴向张开量来间接判断焊管的残余应力。残余应力的大小可通过建立的经验公式来估算。这是一种简单、易行、又比较直观的焊管残余应力测试方法。测量值是焊接和成型质量的综合反映，已在工程中大量使用。［5］ 总的来说，直缝埋弧焊管由于焊后进行了扩径处理，残余应力很小，螺旋缝埋弧焊管残余应力较大。但螺旋埋弧焊管经过成型和焊接工艺改进、压力试验等措施，可使其残余应力大幅度降低。本工程用直缝埋弧焊管的切口张开量一般在50mm以下，大多数在20mm左右，螺旋埋弧焊管环切张开量基本保证在技术条件规定的80mm范围。可见，螺旋埋弧焊管的总体残余应力水平相对较高，这是螺旋埋弧焊管需要改进的另一方面。图4为一组螺旋埋弧焊管的切环试样的照片。   a) 14.6mm SSAW管                             b) 17.5和21.0mm LSAW管  图3  -20℃钢管焊缝夏比冲击功几率分布 Fig. 3  Pipe welds Charpy impact energy (at –20℃) probability distribution 　       　 　 　 图4  SSAW焊管残余应力测试切环试样照片 Fig. 4  The picture of SSAW pipes stress cut-ring test   4 结语 通过西气东输工程的推动，我国成功地开发了大口径X70高钢级螺旋埋弧焊钢管和直缝埋弧焊钢管。经过大批量生产，各制管厂已基本掌握了其焊接技术，钢管焊接接头的性能，尤其是焊缝的低温冲击韧性达到了国外先进水平。但是，在某些方面，如焊缝外观质量、内在质量、残余应力水平等方面有待进一步改进提高。