史新勃，蘇 強，徐 磊

（中石化石油機械股份有限公司江鉆分公司，湖北武漢430223）

水下井口頭系統(tǒng)用8630鋼焊接接頭性能研究

史新勃，蘇 強，徐 磊

（中石化石油機械股份有限公司江鉆分公司，湖北武漢430223）

采用藥芯焊絲氣體保護焊對厚32 mm的8630鋼進行焊接試驗。通過測試和分析焊接接頭的金相組織、拉伸性能、沖擊性能、導(dǎo)向彎曲性能、硬度等性能，結(jié)果表明，采用E100T5-D2焊材在焊前200℃預(yù)熱、焊后640℃×2 h回火的工藝條件下，合理控制焊接熱輸入，可以獲得性能和組織優(yōu)良的焊接接頭。焊縫區(qū)和熱影響區(qū)硬度均低于22 HRC，焊接接頭導(dǎo)向彎曲性能合格，抗拉強度和沖擊功均高于母材最低要求。焊接接頭性能符合API 6A井口頭產(chǎn)品規(guī)范。

水下井口頭；8630鋼；藥芯焊絲電弧焊；焊接接頭性能

0 前言

近年來，我國水下石油裝備自主開發(fā)水平在國家“863計劃”的積極推動下已取得長足進步[1-4]。水下井口頭系統(tǒng)是支撐海底井口頭內(nèi)部套管柱組的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)上由永久導(dǎo)向基座、導(dǎo)管頭、高壓井口頭總成、各尺寸段套管懸掛器、密封組件及防腐補心、井口防腐帽等配件組成，其工作環(huán)境復(fù)雜，服役周期長，長期受海水壓力、上部管柱壓力以及下部套管質(zhì)量作用。

高壓井口頭總成是水下井口頭系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要由高壓井口頭、變徑接頭、管連接器等零件焊接而成。高壓井口頭各零件及其之間的環(huán)焊縫直接承受下部套管質(zhì)量，強韌性要求高，母材大多執(zhí)行美國材料標準，采用AISI 8630調(diào)質(zhì)鋼[1]。8630鋼采用細晶粒度、超潔凈度、高均勻性和微合金化等冶煉措施，強韌性較原同類鋼種有了較大提高，能夠滿足使用要求，這使得零件間的連接焊縫成為了結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)。

8630鋼為中碳低合金高強度鋼，供貨狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，焊接時易造成焊接熱影響區(qū)組織脆化，形成馬氏體組織，甚至直接出現(xiàn)焊接冷裂紋。同時，焊接熱影響區(qū)硬度高會增加硫化物應(yīng)力腐蝕開裂傾向，導(dǎo)致焊接接頭在海水和含硫化物的油、氣環(huán)境下提前失效。

本研究采用藥芯焊絲氣保護焊，對水下井口頭系統(tǒng)用8630鋼進行了焊接試驗，并分析焊接接頭的組織和性能，獲得最佳的焊接工藝，有效避免了焊接熱影響區(qū)的組織惡化。

1 試驗條件和方法

1.1 試驗設(shè)備

采用松下RF-500型焊機，在RT3-180-9型臺車爐內(nèi)進行焊后回火處理。使用3005型射線機進行X射線透照探傷，MTS-810型萬能試驗機進行機械性能檢測，擺錘試驗機進行夏比V型缺口沖擊檢測，用HR-150A型洛氏硬度測試儀檢測焊縫、熱影響區(qū)和母材硬度，采用萊卡光學(xué)顯微鏡進行金相組織分析。

1.2 試驗材料

試驗材料為經(jīng)調(diào)質(zhì)處理至HB217～HB235的8630鋼?？紤]高壓井口頭零件焊接部位壁厚大，試驗中制備的試板厚度與零件壁厚相同，均為32 mm。焊材采用符合AWS A 5.29規(guī)范的直徑1.6 mm的E100T5-D2牌號藥芯焊絲。母材與焊材化學(xué)成分見表1，機械性能見表2。

1.3 試驗方法

按照美國焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計算方法，8630鋼碳當(dāng)量為0.89%，遠高于臨界值0.40%，具有較高的淬透性和冷裂紋敏感傾向，焊接性較差。焊接過程中需要嚴格控制預(yù)熱、層間溫度和焊接線能量[5]。

焊接前對試板進行反變形處理。采用API 6A規(guī)范附錄E推薦的雙V型坡口進行多層多道焊，單面焊接雙面成型，坡口結(jié)構(gòu)如圖1所示。焊接方法為藥芯焊絲CO2氣體保護焊，焊前預(yù)熱，焊接過程中嚴格控制層間溫度和焊接電流、電壓和焊接速度，焊接工藝參數(shù)見表3。

在熱處理和最終機加工完成后，按照ASMEⅨQW-191相關(guān)要求對焊接試板進行射線探傷檢測，X射線透照檢驗合格。按照ASMEⅨQW-451關(guān)于數(shù)量和尺寸的要求，在焊接接頭和母材上各制取兩件拉伸試樣；在焊接接頭上取沖擊試驗和導(dǎo)向彎曲試樣，檢測過程依照ASTM A370標準相關(guān)要求進行。同時，在焊接接頭上橫向切取兩件金相試樣，分別用于金相分析和洛氏硬度檢測，檢測位置按照API 6A中要求進行，如圖2所示。

表1 8630鋼及焊材化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 8630 steel and welding metal %

表2 8630鋼及焊材機械性能Table 2 Mechanical properties of 8630 steel and welding metal

圖1 試驗件坡口結(jié)構(gòu)[6]Fig.1 Groove structure of test

表3 試驗件焊接工藝參數(shù)Table 3 Welding process parameter of test

圖2 硬度檢測位置示意[6]Fig.2 Hardness testing sketch map

2 試驗結(jié)果和分析

8630鋼試板焊接接頭宏觀形貌如圖3所示，焊縫兩側(cè)完全熔合，整個焊接接頭無氣孔、裂紋、夾雜等焊接缺陷。焊縫對稱性好，成形美觀。層間焊道清晰可見，層間未出現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷。

圖3 8630鋼試板焊接接頭宏觀形貌Fig.3 Macrograph of 8630 steel welded joint

2.1 顯微組織

圖4a為8630母材微觀組織照片。8630鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，組織為回火索氏體和極少量鐵素體，組織均勻程度高。

圖4b為焊縫熔敷金屬微觀組織照片，組織為針狀鐵素體、少量先共析鐵素體和粒狀貝氏體，針狀鐵素體占主要部分。針狀鐵素體在原奧氏晶體內(nèi)呈針狀有方向性分布，其形核優(yōu)先在高熔點的質(zhì)點處發(fā)生，在過冷奧氏體快速冷卻過程中，沿一定方向生長，由于冷卻速度快，晶粒來不及長大，形成細小且均勻晶粒，具有綜合強韌性能，是較為理想的組織形態(tài)。針狀鐵素體中還分布著島狀貝氏體，即粒狀貝氏體，它形成于過冷奧氏體在550℃～Ms之間較低溫度轉(zhuǎn)變溫度時，合金元素擴散受到溫度限制，擴散難以進行，隨著繼續(xù)冷卻而轉(zhuǎn)變?yōu)閸u狀或塊狀組織，其綜合性能優(yōu)異。另外，在焊接條件下，冷卻速度較快，屬于非平衡轉(zhuǎn)變，焊縫組織固態(tài)轉(zhuǎn)變未能得到珠光體組織。

圖4c為熱影響區(qū)微觀組織照片，組織為回火索氏體和鐵素體。在焊后回火處理之前，焊接熱影響區(qū)靠近焊縫熔合線區(qū)域加熱溫度超過了Ac3線，形成奧氏體，隨著焊接熱源的離開，奧氏體急劇冷卻，冷卻速度超過焊縫金屬，在連續(xù)冷卻過程中形成馬氏體、貝氏體和鐵素體組成的不均勻組織。該組織強度高，但韌性差，不能作為最終狀態(tài)使用。因此，焊后需進行640℃×2 h回火處理，回火處理后使得熱影響區(qū)內(nèi)組織發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，形成回火索氏體和部分為殘留的鐵素體的混合物，以獲得強韌性優(yōu)良的焊接熱影響區(qū)組織。

圖4 8630鋼焊接接頭微觀組織Fig.4 Metallographs of 8630 steel welded joint

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能

拉伸性能檢測結(jié)果見表4，斷后對拉斷位置進行觀察，兩件焊接接頭拉伸試樣均斷于母材處。焊接接頭的抗拉強度略低于母材抗拉強度，但均大于母材規(guī)定的最小抗拉強度689 MPa，符合ASMEⅨQW-153.1“試樣的抗拉強度不小于母材的規(guī)定最小抗拉強度”要求[7]。另外，焊接接頭的延伸率和斷面收縮率也均滿足母材對應(yīng)的最低要求。

表4 母材和焊接接頭拉伸性能檢測結(jié)果Table 4 Tensile properties of base metal and welded joint

由表4可知，焊接接頭強度和塑性均符合水下井口頭所用8630鋼材最低接受準則的要求，表明使用E100T5-D2焊絲在表3焊接規(guī)范參數(shù)下進行8630鋼的組焊，其焊接接頭的強度完全滿足產(chǎn)品對焊縫的機械性能要求。

2.2.2 沖擊性能

在-30℃下對焊接接頭焊縫及熱影響區(qū)進行標準夏比V型缺口沖擊性能測定。沖擊性能檢測結(jié)果見表5，焊接接頭焊縫區(qū)和熱影響區(qū)平均沖擊功分別為48.7 J、43.3 J，熱影響區(qū)和焊縫的沖擊功均不低于母材沖擊功的最低要求。

表5 焊接接頭沖擊韌性試驗結(jié)果Table 5 Impact toughness of welded joint

2.2.3 導(dǎo)向彎曲性能

導(dǎo)向彎曲試驗按照ASMEⅨ標準要求對焊接接頭進行橫向?qū)驈澢囼?，試驗類型為?cè)彎，數(shù)量4件，壓頭直徑38 mm，彎曲角度180°，彎曲試驗結(jié)果合格。

2.2.4 硬度檢測

水下高壓井口頭總成由于長期處于海水中，尤其是在含硫化物的油、氣環(huán)境中，從耐硫化物應(yīng)力腐蝕開裂角度考慮，母材、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的硬度過高會導(dǎo)致硫化物應(yīng)力腐蝕開裂傾向增大，因此井口頭產(chǎn)品規(guī)范API 6A規(guī)定焊縫、母材、熱影響區(qū)的硬度不應(yīng)超過22 HRC[6]。

按照如圖2所示位置進行硬度檢測，硬度檢測結(jié)果見表6。焊前預(yù)熱溫度對焊接熱影響區(qū)硬度影響顯著，焊接前進行200℃及以上預(yù)熱，可以有效提高焊接冷卻時間t8/5，避免熱影響區(qū)產(chǎn)生大量的馬氏體組織，將焊接區(qū)域硬度值控制在22 HRC以下，從而符合API 6A規(guī)范要求。

表6 焊接接頭硬度檢測結(jié)果Table 6 Hardness of welded joint

3 結(jié)論

（1）采用藥芯焊絲氣體保護焊，通過選擇合適的焊接材料，制定合理的焊接工藝，并嚴格控制熱輸入，獲得了良好的焊接接頭，實現(xiàn)了水下井口頭系統(tǒng)用8630鋼的焊接。焊接接頭性能達到API 6A井口頭產(chǎn)品規(guī)范要求。

（2）在焊前預(yù)熱和焊后回火處理的情況下，8630鋼焊接接頭的抗拉強度大于母材最低抗拉強度要求；-30℃焊縫區(qū)和熱影響區(qū)平均沖擊功分別為48.7 J、43.3 J，滿足母材沖擊功要求。

（3）8630鋼焊接接頭中，焊縫組織為針狀鐵素體、少量先共析鐵素體以及粒狀貝氏體，針狀鐵素體占主要部分。熱影響區(qū)組織與母材基本相同，為回火索氏體、鐵素體混合組織。

（4）通過ASMEⅨ標準對焊接接頭進行焊接工藝評定，拉伸、彎曲、沖擊、宏觀金相試驗均滿足標準要求，達到預(yù)期效果。

[1]杜偉，李鶴林.海洋石油裝備材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展建議（上）[J].石油管材與儀器，2015，1（5）：1-7.

[2]侯福祥，張永紅，王輝，等.深水鉆井關(guān)鍵裝備現(xiàn)狀與選擇[J].石油礦場機械，2009，38（10）：1-4.

[3]李旭冉.水下井口頭套管掛和密封下放工具的研究與設(shè)計[D].北京：中國石油大學(xué)，2014.

[4]劉慶敬.海洋深水水下井口頭系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：中國石油大學(xué)，2010.

[5]史耀武.中國材料大典第22卷材料焊接工程（上）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：116-118.

[6]API 6A-2010，Specification for Wellhead and Christmas Tree Equipment[S].

[7]ASME Boiler&Pressure Vessel Code IX 2015，Qualification Standard for Welding，Brazing and Fusing Procedures；Welders；Brazers and Welding，Brazing and Fusing Operators[S].

Study on welding procedure of 8630 steel joints for subsea wellhead system

SHI Xinbo，SU Qiang，XU Lei
（Kingdream Public Limited Company of Sinopec Oilfield Equipment Corporation，Wuhan 430223，China）

In this study，welding tests of 32 mm 8630 steel has been carried out by adopting FCAW with gas-shielded.Based on test and analysis for microstructure，tensile properties，notch-toughness performance，guided-bend performance，hardness etc.of welded joints，the results show that，by controlling heat input under the condition of choosing E100T5-D2 weld metal，200℃preheating and 640℃×2 h postheating，can obtain welded joints with excellent mechanical properties and microstructure.Hardness of weld metal zone and heataffected zone are lower than 22 HRC，welding joints guided-bend performance is qualified，tensile strength and impact energy are higher than the minimum requirements of base metal.Properties of welded joints can meet the requirements of wellhead products in API 6A.

subsea wellhead；8630 steel；FCAW；property of welding joints

TG407

A

1001－2303（2017）02－0098-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.19

2016-10-19；

2016-12-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）“海洋石油水下井口頭系統(tǒng)工程化研制”（2013AA09A221）

史新勃（1987—），男，陜西西安人，焊接工程師，碩士，主要從事石油機械焊接工藝的研究以及焊接和無損檢測質(zhì)量管理工作。

獻

史新勃，蘇強，徐磊.水下井口頭系統(tǒng)用8630鋼焊接接頭性能研究[J].電焊機，2017，47（02）：98-101.