一種適用於x70厚壁直縫鋼管焊接的多絲埋弧焊接工藝的製作方法

2023-05-23 05:27:46 3

一種適用於x70厚壁直縫鋼管焊接的多絲埋弧焊接工藝的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用於X70厚壁直縫鋼管焊接的多絲埋弧焊接工藝，通過JCOE成型工藝完成對鋼板的制管成型及合縫後，採用大功率混合氣體保護焊進行鋼管預焊，形成連續、規範、質量穩定的預焊焊縫；採用內焊四絲外焊五絲埋弧自動焊分別完成鋼管內焊、外焊縫的焊接；內焊、外焊絲全部採用H08C焊絲，直徑為φ4.0mm；焊劑採用998N。解決了在多絲共熔池大線能量焊接條件下，焊接接頭熱影響區軟化和脆化問題，通過本發明製造出的X70厚壁直縫埋弧焊管焊接接頭具有良好的低溫韌性及斷裂韌性，較強的抗裂紋和抗氣孔的能力，滿足深海服役工況對深海油氣輸送管道焊接接頭在高強韌性、高塑性、耐疲勞、耐腐蝕等多方面綜合性能的特殊要求。
【專利說明】一種適用於X70厚壁直縫鋼管焊接的多絲埋弧焊接工藝

【技術領域】：
[0001] 本發明屬於深海石油天然氣輸送管道用管線鋼管焊接【技術領域】，涉及一種保障深 海管線用X70厚壁直縫鋼管焊接接頭具有綜合性能優異的多絲埋弧焊接工藝，尤其是適用 於對焊接接頭在高強韌性、高塑性、耐疲勞、耐腐蝕等多方面綜合性能有特殊要求的深海管 線用壁厚為31. 8mm?36. 5mm的X70厚壁直縫埋弧鋼管的焊接。

【背景技術】：
[0002] 能源問題已經成為未來社會發展的關鍵問題。隨著陸地、近海油氣開發程度越來 越高，已探明油氣儲量逐年下降，油氣產量增長緩慢。海洋佔地球總面積的70. 8%，已探明 的油氣儲量豐富，近年全球獲得的重大勘探發現中，有近50%來自深水，深海將成為未來油 氣開發的主戰場。近年來世界石油勘探重點已由陸地轉向海洋，由淺海轉向深海，深海油氣 勘探開發技術已成為當前全球能源領域研宄的熱點問題。
[0003] 海底油氣輸送管道作為海洋石油天然氣最快捷、最經濟和最有效的運輸方式，是 海上油氣田開發與生產的不可或缺的生命線工程。隨著能源開發逐漸從陸地走向海洋甚至 深海，要求油氣輸送管線鋼管具有可靠性高、強度高、韌性好（特別是低溫衝擊韌性和斷裂 韌性好）、焊接性良好、抗腐蝕（SCC應力腐蝕開裂和HIC氫致開裂）和抗大變形等性能，深 海厚壁管線鋼管開發是亟待解決的一個重要問題。為了提高深水管線的安全性，節省管線 的建設投資，降低運輸費用，採用高強度等級、大直徑、厚壁的管線管更加經濟、合理。因此， 高強度等級、大直徑、小徑厚比是深水油氣管道發展的一個重要趨勢。
[0004] 大口徑直縫埋弧焊管以其壁厚大、材質好、加工工藝穩定，多用於管道工程建設中 地形情況複雜、環境惡劣的重要地段，也成為目前國內外深海油氣輸運管道工程的首選焊 管。在大直徑直縫埋弧焊管焊接接頭中，焊縫和熱影響區是最容易產生各種缺陷的地方，而 焊接咬邊、氣孔、夾渣、未熔合、焊瘤、燒穿、焊接裂紋是主要的焊接缺陷形式，也常常是使直 縫埋弧焊管發生質量事故的起源。因此厚壁直縫埋弧焊管的焊接接頭質量是對鋼管質量要 求中的重中之重。


【發明內容】
：
[0005] 本發明的目的在於提供一種適用於X70厚壁直縫鋼管焊接的多絲埋弧焊接工藝， 用於壁厚為31. 8mm?36. 5mm的深海管線用X70厚壁直縫埋弧鋼管的多絲埋弧焊接工藝。 解決了隨著鋼管厚壁增加，鋼管成型及焊接的難度增大，在進行厚壁鋼管埋弧焊接時，焊接 坡口加深、熔池深度增加，焊接時熔池中的氣體、夾渣等缺陷因素上浮的時間增加，焊接缺 陷的機率增加的問題。通過合理設計焊接坡口、焊接材料的不同匹配試驗、優化焊接工藝參 數等方法，在進行壁厚為31. 8mm?36. 5mm的X70厚壁直縫埋弧鋼管焊接時，採用內焊四絲 外焊五絲埋弧自動焊工藝，合理匹配焊接材料，焊接接頭具有優良的綜合性能，不僅強度、 冷彎、衝擊、斷裂韌性、硬度滿足工程的技術要求，而且還具有良好抗H 2S腐蝕和氫致開裂性 能。焊接接頭抗拉強度彡625MPa ;-20°C下焊縫、熔合線（FL)、FL+2mm及FL+5mm位置處V 型缺口夏比衝擊功多150J ;0°C下焊接接頭CTOD特徵值δ m多0. 25mm ;焊接接頭具有良好 的抗H2S腐蝕和氫致開裂能力。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是採用如下的具體工藝步驟：
[0007] 1、X70厚壁管線鋼板材成分：按照質量百分比，深海管線用X70厚壁（31. 8mm? 36. 5mm)直縫埋弧焊管管線鋼的化學成份為C 0. 04%?0. 07%，Si 0. 20 %?0. 35%，Mn L 40%?L 70%，P 彡 0.015%，S 彡 0.003%，Ni 0.10%?0.30%，Cr 0.10%?0.30%， Cu 彡 0. 35 %，Mo 0. 10 % ?0. 30 %，Nb 0. 04 % ?0. 07 %，V 彡 0. 06 %，Ti 彡 0. 02 %， Al 彡 0· 04%，N 彡 0· 005%，B 彡 0· 0005%，A1/N 彡 3，Nb+V+Ti 彡 0· 12%，餘量為鐵和不可 避免的雜質，其冷裂紋係數Pcm < 0. 20。
[0008] 2、鋼板板邊坡口加工：鋼管成型前對定尺鋼板兩側邊坡口角度及鈍邊的加工，坡 口型式為雙面對稱X型，鋼板上下面坡口角度均為35±Γ，鈍邊為10?12mm ;採用機械處 理方法將坡口表面清理乾淨，去除油汙和鐵鏽。
[0009] 3、鋼管成型、合縫及預焊：通過JCOE成型工藝完成對鋼板的制管成型及合縫後， 採用大功率混合氣體保護焊進行鋼管預焊，形成連續、規範、質量穩定的預焊焊縫。
[0010] 4、內焊：採用四絲埋弧自動焊在鋼管內側焊接坡口進行焊接，四絲埋弧自動焊的 第一絲為直流反接，第二絲、第三絲和第四絲為交流。內焊四絲全部採用H08C焊絲，直徑為 Φ 4. Omm ;焊劑採用998N。內焊焊接工藝參數為：第一絲電流1000?1200A、電壓32?36V， 第二絲電流900?1100A、電壓34?38V，第三絲電流800?1000A、電壓36?40V，第四絲 電流700?900A、電壓38?42V，焊絲間距為17?21_，焊接速度為110?150cm/min。
[0011] 5、外焊：外焊採用五絲埋弧焊在鋼管外側焊接坡口進行焊接，第一絲採用直流 反接，第二絲、第三絲、第四絲和第五絲為交流。外焊五絲全部採用H08C焊絲，直徑為 Φ4. Omm ;焊劑採用998N。外焊焊接工藝參數為：第一絲電流1150?1350A、電壓31?35V， 第二絲電流900?1100A、電壓32?36V，第三絲電流850?1050A、電壓35?39V，第四絲 電流700?900A、電壓36?38V，第五絲電流700?850A、電壓37?39V，焊絲間距為17? 21mm，焊接速度為120?160cm/min。
[0012] 6、超聲波檢測：對焊接後的鋼管內外焊縫及焊縫兩側熱影響區部分進行100%的 檢查。
[0013] 7、X射線檢查：採用圖像處理系統對焊接後的鋼管內外焊縫進行100%的X射線工 業電視檢查，保證探傷的靈敏度。
[0014] 8、焊接接頭性能檢測：按照DNV-0S-F101《海底管道規範》及相關性能檢測試驗方 法、標準對焊接接頭進行強度、導向彎曲、衝擊、斷裂韌性、硬度及抗H 2S腐蝕和氫致開裂性 能進行綜合性能評價。
[0015] 本發明通過合理設計焊接坡口、優選工藝性能良好的高品質埋弧焊劑、優化焊接 工藝參數等方法，保證了壁厚為31. 8mm?36. 5mm的厚壁X70管線鋼管在埋弧焊接時焊縫 與母材的強韌性匹配，解決了在多絲共熔池大線能量焊接條件下，焊接接頭熱影響區軟化 和脆化問題，焊接缺陷得到有效控制。採用內焊四絲、外焊五絲埋弧自動焊分別完成內、夕卜 焊縫的焊接方案。內焊四絲焊接用1#?4#焊絲和外焊五絲焊接用1#?5#焊絲均採用含 有適量合金元素、能顯著提高焊縫韌性的H08C焊絲，所有焊絲直徑規格全部為Φ4. Omm ;焊 劑採用了潔淨度高、S、P含量以及H含量低、工藝性、力學性能均明顯優異的998N埋弧焊劑， 在匹配H08C焊絲和相適應的焊接工藝合理的條件下，焊接過程中電弧燃燒穩定，焊縫成形 良好，脫渣容易。為了提高母材熔合比，通過母材對焊縫稀釋保障接頭的綜合性能，採用雙 面對稱X型坡口，坡口角度採用70±2°，鈍邊為10?12mm。本發明通過合理設計焊接坡 口、優選工藝性能良好的高品質焊絲和焊劑、優化焊材匹配和優化焊接工藝參數等方法，解 決了厚壁直縫鋼管埋弧焊接時，隨著鋼管厚壁增加，焊接坡口加深、熔池深度增加，焊接時 熔池中的氣體、夾渣等缺陷因素上浮的時間增加，產生焊接缺陷機率增加的問題。通過本發 明製造出的X70厚壁直縫埋弧焊管焊接接頭具有良好的低溫韌性及斷裂韌性，較強的抗裂 紋和抗氣孔的能力，滿足深海服役工況對深海油氣輸送管道焊接接頭在高強韌性、高塑性、 耐疲勞、耐腐蝕等多方面綜合性能的特殊要求。
[0016] 由於採用了上述技術方案，本發明取得的技術進步是：
[0017] (1)本發明通過合理設計焊接坡口，鋼管成型前對定尺鋼板兩側邊坡口角度及 鈍邊的加工，坡口型式為雙面對稱X型，鋼板上下面坡口角度均為35± Γ，鈍邊為10? 12mm，有效提高了母材的熔合比，通過母材對焊縫金屬稀釋保障了接頭的綜合性能。
[0018] (2)本發明通過焊接工藝性能試驗優選的焊接性和工藝性良好匹配的H08C焊絲 和998N埋弧焊劑作為厚壁鋼管埋弧焊接的匹配焊接材料，通過焊絲、焊劑中的微量元素過 度保證焊縫良好的強度、韌性和塑性，實現了 X70厚壁埋弧焊管焊接接頭性能顯著提高。
[0019] (3)本發明通過充分考慮厚壁鋼管在多絲埋弧焊接中各絲的作用，通過合理設定 各絲電流、電壓、角度、焊絲間距及焊接速度等焊接工藝參數，使得焊縫獲得合適熔透深度 和良好的形貌，同時有利於焊接過程中氣體及熔渣上浮，解決了厚壁鋼管埋弧焊接缺陷頻 現的問題。
[0020] (4)本發明通過對多絲埋弧焊接各絲電流、電壓及焊絲間距等焊接工藝參數的優 化，採用較低的熱輸入，從而避免熱量集中，減小焊接熱量對焊縫周圍熱影響區的影響，保 證焊接熱影響區的性能，解決了焊管在焊接過程中局部受熱導致強韌性降低的問題。
[0021] (5)通過本發明製造出的壁厚為31. 8mm?36. 5mm厚壁X70厚壁直縫鋼管焊接 接頭具有較高的抗拉強度、良好的低溫韌性、斷裂韌性及耐腐蝕性能。焊接接頭抗拉強 度彡625MPa ;-20°C下焊縫、熔合線（FL)、FL+2mm及FL+5mm位置處V型缺口夏比衝擊功 多150J ;0°C下焊接接頭CTOD特徵值δ m多〇. 25mm ;焊接接頭具有良好的抗H2S腐蝕和氫 致開裂能力。焊接接頭綜合性能優異，滿足深海服役工況對深海油氣輸送管道焊接接頭在 高強韌性、高塑性、耐疲勞、耐腐蝕等多方面綜合性能的特殊要求。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0022] 圖1為焊接接頭硬度檢驗位置示意圖（其中：a為母材；b為熱影響區；c為焊縫）。
[0023] 圖2為厚壁埋弧鋼管焊接用坡口形式示意圖。其中：α為內焊坡口角度（° )，β 為外焊坡口角度（° )，a為外坡口高度（mm)，b為鈍邊高度（mm)，t為鋼管壁厚，1為內焊 坡口，2為外焊坡口，3為上坡口，4為下坡口。
[0024] 圖3為厚壁埋弧鋼管焊接接頭金相形貌。

【具體實施方式】：
[0025] 下面結合X70 Φ765. 2mmX31. 8mm和X70 〇914mmX36. 5mm厚壁深海管線直縫埋 弧焊管焊接接頭製造實例及附圖對本發明做進一步詳細描述：
[0026] 參見圖1、圖2和圖3,本發明的實施例如下：
[0027] 1.X70厚壁管線鋼板材成分：按照質量百分比，深海管線用X70厚壁（31. 8mm? 36. 5mm)直縫埋弧焊管管線鋼的化學成份為C 0. 04%?0. 07%，Si 0. 20 %?0. 35%，Mn L 40%?L 70%，P 彡 0.015%，S 彡 0.003%，Ni 0.10%?0.30%，Cr 0.10%?0.30%， Cu 彡 0. 35 %，Mo 0. 10 % ?0. 30 %，Nb 0. 04 % ?0. 07 %，V 彡 0. 06 %，Ti 彡 0. 02 %， Al 彡 0· 04%，N 彡 0· 005%，B 彡 0· 0005%，A1/N 彡 3，Nb+V+Ti 彡 0· 12%，餘量為鐵和不可 避免的雜質，其冷裂紋係數Pcm < 0. 20。
[0028] 2、鋼板板邊坡口加工：鋼管成型前對定尺鋼板兩側邊坡口角度及鈍邊的加工，坡 口型式為雙面對稱X型，鋼板上下面坡口角度均為35±Γ，鈍邊為10?12mm。對厚度為 31. 8mm的鋼板，鈍邊高度為10. 0±0· 25mm，下坡口高度為12±0· 5mm。對厚度為36. 5mm的 鋼板，鈍邊高度為12. 0±0. 25mm，下坡口高度為13. 5±0. 5mm。採用機械處理方法將坡口表 面清理乾淨，去除油汙和鐵鏽。
[0029] 3、鋼管成型、合縫及預焊：通過JCOE成型工藝完成對鋼板的制管成型及合縫後， 採用大功率混合氣體保護焊進行鋼管預焊，形成連續、規範、質量穩定的預焊焊縫。
[0030] 4、內焊：採用四絲埋弧自動焊在鋼管內側焊接坡口進行焊接，四絲埋弧自動焊的 第一絲為直流反接，第二絲、第三絲和第四絲為交流。內焊四絲全部採用H08C焊絲，直徑為 Φ4. Omm ;焊劑採用998N。X70 Φ765. 2X31. 8_厚壁直縫埋弧焊管四絲埋弧內焊工藝參數 為：第一絲電流1050A、電壓34V，第二絲電流950A、電壓37V，第三絲電流850A、電壓40V， 第四絲電流750A、電壓42V，焊絲間距為20_，焊接速度為140cm/min。X70 Φ914Χ36. 5_ 厚壁直縫埋弧焊管四絲埋弧內焊工藝參數為：第一絲電流1150A、電壓33V，第二絲電流 1000A、電壓34V，第三絲電流900A、電壓36V，第四絲電流800A、電壓38V，焊絲間距為18mm， 焊接速度為120cm/min。
[0031] 5、外焊：外焊採用五絲埋弧焊在鋼管外側焊接坡口進行焊接，第一絲採用直流 反接，第二絲、第三絲、第四絲和第五絲為交流。外焊五絲全部採用H08C焊絲，直徑為 Φ 4. Omm ;焊劑採用998N。X70 Φ 765. 2 X 31. 8mm厚壁直縫埋弧焊管五絲埋弧外焊焊接工 藝參數為：第一絲電流1300A、電壓33V，第二絲電流1050A、電壓34V，第三絲電流950A、電 壓37V，第四絲電流800A、電壓40V，第五絲電流700A、電壓42V，焊絲間距為18mm，焊接速度 為150cm/min。X70 Φ914Χ36. 5mm厚壁直縫埋弧焊管五絲埋弧外焊工藝參數為：第一絲 電流1200A、電壓33V，第二絲電流1000A、電壓34V，第三絲電流900A、電壓36V，第四絲電流 850A、電壓37V，第五絲電流750A、電壓38V，焊絲間距為17mm，焊接速度為130cm/min。
[0032] 6、超聲波檢測：對焊接後的鋼管內外焊縫及焊縫兩側熱影響區部分進行100%的 檢查。
[0033] 7、X射線檢查：採用圖像處理系統對焊接後的鋼管內外焊縫進行100%的X射線工 業電視檢查，保證探傷的靈敏度。
[0034] 8、焊接接頭性能檢測：按照DNV-0S-F101《海底管道規範》及相關性能檢測試驗方 法、標準對焊接接頭進行強度、導向彎曲、衝擊、斷裂韌性、硬度及抗H 2S腐蝕和氫致開裂性 能進行綜合性能評價。
[0035] 表1、表2、表3、表4、表5、表6和表7給出的是本實例X70 〇765.2X3L8mm和 X70 Φ914Χ36. 5mm厚壁直縫埋弧焊管實物的焊接接頭性能試驗檢測結果，由表中可看出， 利用本發明的製造技術製造的X70厚壁直縫埋弧焊管焊接接頭具有良好的低溫韌性及斷 裂韌性，較強的抗裂紋和抗氣孔的能力，滿足深海服役工況對深海油氣輸送管道焊接接頭 在高強度、高塑性、耐疲勞、耐腐蝕等多方面綜合性能的特殊要求。
[0036] 表1鋼管焊接接頭拉伸性能試驗結果
[0037]

【權利要求】
1. 一種適用於X70厚壁直縫鋼管焊接的多絲埋弧焊接工藝，其特徵在於：通過JCOE成 型工藝完成對鋼板的制管成型及合縫後，採用大功率混合氣體保護焊進行鋼管預焊，形成 連續、規範、質量穩定的預焊焊縫；採用內焊四絲外焊五絲埋弧自動焊分別完成鋼管內焊、 外焊縫的焊接；內焊、外焊絲全部採用H08C焊絲，直徑為￠4. Omm ;焊劑採用998N。
2. 如權利要求1所述的多絲埋弧焊接工藝，其特徵在於：所述X70厚壁直縫鋼管的壁 厚為31. 8mm?36. 5mm ;按照質量百分比，所述X70厚壁直縫鋼管的化學成份為C 0. 04 %? 0. 07 %，Si 0. 20 % ?0. 35 %，Mn 1. 40 % ?1. 70 %，P 彡 0. 015 %，S 彡 0. 003 %，Ni 0? 10%?0? 30%，Cr 0? 10%?0? 30%，Cu 彡 0? 35%，Mo 0? 10%?0? 30%，Nb 0? 04%? 0. 07%, V ^ 0. 06%, Ti ^ 0. 02%, A1 ^ 0. 04%, N ^ 0. 005%, B ^ 0. 0005%, A1/N ^ 3, Nb+V+Ti < 0. 12%，餘量為鐵和不可避免的雜質，其冷裂紋係數Pcm< 0. 20。
3. 如權利要求1所述的多絲埋弧焊接工藝，其特徵在於：鋼管成型前對定尺鋼板兩側 邊坡口角度及鈍邊的加工，坡口型式為雙面對稱X型，鋼板上下面坡口角度均為35± 1°， 鈍邊為10?12mm ;採用機械處理方法將坡口表面清理乾淨，去除油汙和鐵鏽。
4. 如權利要求1所述的多絲埋弧焊接工藝，其特徵在於：所述內焊採用四絲埋弧自動 焊在鋼管內側焊接坡口進行焊接，第一絲採用直流反接，第二絲、第三絲和第四絲為交流； 內焊焊接工藝參數為：第一絲電流1〇〇〇?1200A、電壓32?36V，第二絲電流900?1100A、 電壓34?38V，第三絲電流800?1000A、電壓36?40V，第四絲電流700?900A、電壓38? 42V，焊絲間距為17?21mm，焊接速度為110?150cm/min。
5. 如權利要求1所述的多絲埋弧焊接工藝，其特徵在於：所述外焊採用五絲埋弧焊在 鋼管外側焊接坡口進行焊接，第一絲採用直流反接，第二絲、第三絲、第四絲和第五絲為交 流；外焊焊接工藝參數為：第一絲電流1150?1350A、電壓31?35V，第二絲電流900? 1100A、電壓32?36V，第三絲電流850?1050A、電壓35?39V，第四絲電流700?900A、 電壓36?38V，第五絲電流700?850A、電壓37?39V，焊絲間距為17?21mm，焊接速度 為 120 ?160cm/min。
6. 如權利要求1所述的多絲埋弧焊接工藝，其特徵在於：所述內焊採用與H08C焊絲匹 配998N焊劑，焊接接頭的力學性能：抗拉強度多625MPa ;-20°C下焊縫、熔合線、FL+2mm及 FL+5mm位置處V型缺口夏比衝擊功彡150J ;0°C下焊接接頭CT0D特徵值Sm彡〇. 25mm;焊 接接頭具有良好的抗H2S腐蝕和氫致開裂能力。
【文檔編號】B23K101/10GK104475941SQ201410724462
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月3日 優先權日:2014年12月3日
【發明者】畢宗嶽, 牛愛軍, 牛輝, 黃曉輝, 劉海璋, 趙紅波, 張萬鵬, 劉斌, 陳長青, 包志剛, 趙勇, 楊軍, 劉剛偉, 楊耀彬 申請人:寶雞石油鋼管有限責任公司