CN106695067A - 高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺 - Google Patents

高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺，属于油气输送钢管制造技术领域，适用于X80及以上钢级的管线钢的制管焊接。本发明工艺通过改进预焊保护气体参数与选用高性能的数字脉冲电源，重新设计内外焊坡口，改变内外焊焊接顺序，并制定优化的内外焊焊接工艺，焊接接头的综合性能得到提升的同时，生产效率也得到了提高。

Description

高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺
技术领域
本发明涉及一种高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺，属于油气输送钢管制造技术领域。
背景技术
当下，为了提高螺旋缝埋弧焊管的生产效率和质量，中石化、中石油下属的几家大型钢管制造企业正在积极引入或自主研发预精焊螺旋缝焊管生产技术。随着我国油气管网建设的逐步深入，螺旋焊管预精焊工艺得到了广泛的推广，且经过几年的发展我国预精焊技术已达到国际领先水平，业内也有大量关于预精焊技术的设备、工艺、焊缝质量控制等方面的研究，这体现出了预精焊工艺自动化程度高、焊缝性能优异、残余应力小、成型焊接互不干扰等优势。但是，随着对该技术的深入研究以及实际生产经验，发现该工艺也存在一定的缺点，如预焊缝缺陷对精焊质量的影响、钢管管端焊缝质量不稳定等。
现有预精焊钢管的主要制备工艺流程为：拆卷→对头→矫平→铣边→成型→预焊→飞剪→预修补→内焊→外焊，其中与焊接过程相关的工序是预焊、內焊、外焊，预焊的主要焊接工艺为Ar+CO2的熔化极气体保护焊(MAG)；內焊与外焊合称为精焊，其焊接工艺为先内焊后外焊，且均采用埋弧焊工艺，内焊为2丝串列，外焊为2丝串列。传统的预精焊焊接工艺坡口如图1所示，目前存在以下问题：
(1)预焊工艺为MAG，主要参数如下：气体配比Ar+20～50％的CO2，气体流量80～100L/min，电压22～25V，送丝速度140～170in/min，焊速2.5～5.0m/min，Ar成分的添加可以减少预焊过程中飞溅物的产生，但焊速最高仅为5.0m/min，大大降低了生产效率；
(2)如图1所示，预精焊的坡口大部分为X型对称坡口，内外焊的坡口角度一般相等，多为60°，钝边厚度一般为7-9mm，具体由板厚决定，预焊缝熔深一般为2-3mm，内外焊均采用双丝串列埋弧焊接工艺，这种坡口形式所使用的内外焊热输入基本相当：前丝电流800～1100A，电压30～34V，后丝电流400～600A，电压33～36V，内焊缝和外焊缝的熔深基本相等且重合量较大，形成的焊接接头如图2所示。由图2可以看出，内外焊缝的热影响区不可避免的形成了交叉，存在几个亚区，其中，粗晶区和临界再热粗晶区是热影响区最为薄弱的环节，粗晶区存在晶粒严重的长大，出现粗晶脆化现象，而临界再热粗晶区为内焊缝粗晶区受到外焊缝的热循环的影响，温度在Ac1～Ac3之间，由粗大的原奥氏体晶粒加上沿晶界连续分布的M-A组元组成，晶粒内部的组织为粗大的上贝氏体或者粒状贝氏体，形成局部脆性区，其韧性损失可达40％～60％，实际生产实践中热影响区冲击不稳定的原因主要在此，一旦夏比冲击式样的缺口正好经过此区，会出现低于40J的冲击值，不能满足标准要求，导致整根钢管不合格；
(3)虽然预精焊工艺避免了成型应力对焊接过程的影响，但预焊完后的预焊缝仍受到较大的残余应力的影响，先内焊后外焊的工艺不利于应力的释放，内焊过程中预焊缝的残余拉应力较大处往往会形成裂纹源，在内焊缝出现焊接裂纹的倾向偏大，尤其是在焊接X80及以上的高强钢时，组织热敏感性较大，需特别关注内焊裂纹的形成，当焊接过程中的电流、电压等参数出现较大波动的时候，很容易形成裂纹；
(4)内外焊均采用双丝焊接，焊速一般在1.5m/min以下，导致生产效率下降。
综上所述，传统的预精焊焊接工艺急需进行改进，以提高管线钢双面螺旋埋弧自动焊焊接接头的整体性能与生产效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺，通过合理设计焊接坡口型式与内外焊的顺序，提高了焊管的生产效率及接头的弯曲性能。
本发明所述的高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺，包括以下步骤：
(1)预焊
采用熔化极气体保护焊，焊接电源选用数字化脉冲电源，保护气体为纯CO2，当飞溅物较多时，使用混气装置来添加少量的Ar；
操作参数如下：气体流量为80～100L/min，电弧电压为22～25V，电流为1000±100A，焊速为8～12m/min；
(2)外焊
采用双丝串列埋弧自动焊，前丝为直流反接，电流为700～800A，电压为30～33V，后丝为交流，电流为450～600A，电压为34～36V，焊接速度为1.6～1.8m/min，焊丝干伸长量为24～34mm，焊丝间距为15～20mm，焊丝偏心距为20～60mm上坡焊；
(3)内焊
采用三丝串列埋弧自动焊，前丝为直流反接，电流为1300～1600A，电压为30～34V；中丝和后丝为交流，电流为400～600A，电压为34～38V；焊接速度为1.6～1.8m/min，焊丝干伸长量为24～34mm，焊丝间距为15～20mm，焊丝偏心距为20～60mm下坡焊；
其中：
所述预精焊焊接工艺的坡口型式为内大外小的不对称双V型坡口，外坡口角度为50～60°，内坡口角度为80～90°。
所述的预精焊焊接工艺适用于X80及以上钢级的管线钢的制管焊接。
本发明的预精焊焊接工艺通过改进预焊保护气体参数与选用高性能的数字脉冲电源，重新设计内外焊坡口，改变内外焊焊接顺序，并制定优化的内外焊焊接工艺，接头的综合性能得到提升的同时，生产效率也得到了提高：
(1)预焊采用纯CO2保护，选用先进的数字脉冲控制电焊机，设计优化的混气系统，增大了CO2的配比，也可用100％的CO2保护，而飞溅量较少，如此能够将预焊最高焊速提高到12m/min；
(2)坡口型式改为内大外小的不对称双V型坡口，外坡口深度变小，内坡口深度变大，钝边尺寸根据不同板厚控制在5-6mm；
(3)外焊/内焊采用双丝/三丝串列焊接：内坡口角度的变大要求内焊缝填充的焊材增加，因此内焊改为三丝串列焊接，而外坡口角度变小使得焊丝填充量可适当减少，因此可以提高焊接速度；
(4)先外焊后内焊：由于钢管的成型过程是在内坡口打底形成预焊缝，预焊缝内部的残余拉应力较大，内焊缝拘束度较大，因此设计先外焊再内焊的焊接顺序，利用外焊缝热输入的余热给内坡口预焊缝预热，有利于消除焊接残余应力，也有利于氢的扩散，减小焊缝的裂纹倾向，也有利于焊缝接头的背弯性能；同时，先外焊时的外焊热输入量小，一方面可减小焊接热影响区粗晶区的奥氏体晶粒尺寸，另一方面可以减少外焊缝粗晶热影响区的宽度，尽量减少内焊热影响区对外焊热影响区的热作用空间，甚至通过优化设计消除临界粗晶区，避免局部脆化区的出现，原奥氏体晶粒尺寸的较小，形成的临界粗晶区的晶粒尺寸也随之减小，有利于MA组元的弥散分布，且有利于减少MA组元的尺寸，提高临界粗晶区的韧性。
本发明的有益效果如下：
本发明通过合理设计焊接坡口型式与内外焊顺序，降低了预焊缝残余应力，减少了内焊缝的裂纹倾向，同时通过合理的设定内外焊的热输入，避免了临界粗晶区的出现，提高了焊缝热影响区的冲击韧性的数值，且提高了冲击的稳定性；先外焊后内焊的工艺还提高了焊接接头的弯曲性能；内焊使用三丝焊接，有效提高了生产效率。
附图说明
图1是传统预精焊焊接工艺坡口示意图。图中：1、钢管壁厚；2、钝边厚度；3、预焊熔深；4、外坡口角度；5、外焊；6、预焊缝；7、内焊；8、内坡口角度。
图2是传统预精焊焊接接头金相形貌。图中：1、外焊缝；2、内焊缝；3、临界再热粗晶区。
图3是本发明的预精焊焊接工艺的坡口示意图。图中：1、预焊；2、外焊；3、内焊；4、内坡口角度；5、外坡口角度；6、外坡口深度；7、钝边厚度；8、内坡口深度；9、钢管壁厚。
图4是实施例1中φ1219×18.4mm钢管焊接接头处的宏观金相形貌图。
图5是对比例1中φ1219×18.4mm钢管焊接接头处的宏观金相形貌图。
图6是实施例1中φ1219×18.4mm钢管焊接接头处临界再热粗晶区的金属微观组织图。
图7是对比例1中φ1219×18.4mm钢管焊接接头处临界再热粗晶区的金属微观组织图。
图8是实施例1中φ1219×18.4mm钢管焊接接头处的夏比冲击功单值分布图。
图9是对比例1中φ1219×18.4mm钢管焊接接头处的夏比冲击功单值分布图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
以国家某一大型管线项目X80φ1219×18.4mm钢管的焊接工艺为例，经过板卷的开卷、矫平、铣边、预弯、成型后，先进行预焊，再依次进行外焊和内焊，共生产18根钢管。
铣边时坡口的加工尺寸为：外坡口深度为4.4±1mm，角度为50±2°；钝边厚度为6.0±1mm，内坡口为V型坡口，角度为80±2°，坡口深度为8.0±1mm。
预焊工艺参数：气体配比90％CO2+10％Ar，气体流量90±5L/min，电压23±2V，电流1000A，恒压控制，速度9m/min；
精焊工艺参数：焊接速度为1.8m/min；
外焊采用双丝串列埋弧自动焊：第一丝为直流反接，电流700A，电压32V；第二丝为交流，电流450A，电压35V；焊丝干伸长量为24-34mm，焊丝间距为15-20mm，焊丝偏心距为40mm上坡焊；
内焊采用三丝串列埋弧自动焊：第一丝为直流反接，电流1350A，电压34V；第二丝为交流，电流600A，电压35V；第三丝为交流，电流450A，电压37V；.焊丝干伸长量为24-34mm，焊丝间距为15-20mm，焊丝偏心距为20-60mm下坡焊。
焊接完成后，按照API SPEC5L和ASTM A370-12对焊接接头依次进行宏观金相分析(见图4)、光学显微镜组织分析(见图6)及夏比冲击试验(见图8)。
对比例1
同样以国家某一大型管线项目X80φ1219×18.4mm钢管的焊接工艺为例，经过板卷的开卷、矫平、铣边、预弯、成型后，先进行预焊，再依次进行内焊和外焊。
铣边时坡口的加工尺寸为：双V型对称坡口，内外坡口深度为5.0±1mm，角度为60±2°，钝边厚度为8.4±1mm。
预焊工艺参数：气体配比40％CO2+60％Ar，气体流量90±5L/min，电压23±2V，电流1000A，恒压控制，速度4.0m/min；
精焊工艺参数：焊接速度为1.5m/min；
内焊采用双丝串列埋弧自动焊：第一丝为直流反接，电流960±96A，电压33V；第二丝为交流，电流600A，电压36V；焊丝干伸长量为24-34mm，焊丝间距为15-20mm，焊丝偏心距为20-60mm下坡焊。
外焊采用双丝串列埋弧自动焊：第一丝为直流反接，电流1080±100A，电压33V；第二丝为交流，电流550±55A，电压35V；焊丝干伸长量为24-34mm，焊丝间距为15-20mm，焊丝偏心距为40mm上坡焊。
焊接完成后，按照API SPEC5L和ASTM A370-12对焊接接头进行宏观金相分析(见图5)、光学显微镜组织分析(见图7)及夏比冲击试验(见图9)。
对比图4和图5能够发现：实施例1中的热影响区尺寸较小，且内外焊热影响区交叉的区域相对对比例1中的焊接工艺明显减小。
对比图6和图7能够发现：实施例1的临界再热粗晶区的奥氏体晶粒尺寸较小，晶界清晰并且无连续分布的岛状M-A组元，且晶内M-A组元尺寸较小，呈点状或细小的条状分布在贝氏体板条之间，而对比例1的临界再热粗晶区M-A组元尺寸较大且在晶界处呈现岛状或大块状的M-A组元连续分布的形态。
对比图8和图9能够发现：实施例1的冲击功比较稳定，集中在250J附近，且单值均高于150J，未出现单值低于100J的式样，而对比例1的冲击功比较分散，多集中在160J附近，但存在几个单值低于100J的试样。

Claims (3)

1.一种高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺，其特征在于：包括以下步骤：
(1)预焊
采用熔化极气体保护焊，焊接电源选用数字化脉冲电源，保护气体为纯CO2，当飞溅物较多时，使用混气装置来添加少量的Ar；
操作参数如下：气体流量为80～100L/min，电弧电压为22～25V，电流为1000±100A，焊速为8～12m/min；
(2)外焊
采用双丝串列埋弧自动焊，前丝为直流反接，电流为700～800A，电压为30～33V，后丝为交流，电流为450～600A，电压为34～36V，焊接速度为1.6～1.8m/min，焊丝干伸长量为24～34mm，焊丝间距为15～20mm，焊丝偏心距为20～60mm上坡焊；
(3)内焊
采用三丝串列埋弧自动焊，前丝为直流反接，电流为1300～1600A，电压为30～34V；中丝和后丝为交流，电流为400～600A，电压为34～38V；焊接速度为1.6～1.8m/min，焊丝干伸长量为24～34mm，焊丝间距为15～20mm，焊丝偏心距为20～60mm下坡焊。
2.根据权利要求1所述的高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺，其特征在于：坡口型式为内大外小的不对称双V型坡口，外坡口角度为50～60°，内坡口角度为80～90°。
3.根据权利要求1所述的高钢级油气输送管线的预精焊焊接工艺，其特征在于：适用于X80及以上钢级的管线钢的制管焊接。
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