楊永良，張丹丹，郭 丹，王晨華，趙 祥

（1.西安泵閥總廠有限公司，西安 710025； 2.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721008）

1 概 述

絕緣接頭是鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)中不可缺少的重要承壓部件，其作用是保護(hù)管線免受電化學(xué)腐蝕，延長(zhǎng)管線的使用壽命。

西安泵閥總廠有限公司承接了中俄東線天然氣管道項(xiàng)目黑河—長(zhǎng)嶺段供應(yīng)絕緣接頭產(chǎn)品的合同任務(wù)，其中DN1000、PN12.0 絕緣接頭的法蘭組件由CF62 鋼鍛件和L485 接管焊接而成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 該產(chǎn)品輸送的介質(zhì)為天然氣，設(shè)計(jì)壓力 12 MPa，設(shè)計(jì)溫度－20 ℃～+50 ℃。 輸送介質(zhì)壓力高且具有高的可燃性，如果焊縫的強(qiáng)度或韌性不足，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)焊接結(jié)構(gòu)提前失效，天然氣泄漏，甚至造成災(zāi)難性后果。

圖1 絕緣接頭法蘭組件

焊接部位外徑1 016 mm，壁厚 23 mm，焊接工作量大，要兼顧質(zhì)量和效率，必須采取以自動(dòng)焊為主的焊接方法。 根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)條件，為實(shí)現(xiàn)根部焊縫單面焊雙面成形，擬采用手工氬弧焊 （GTAW） 進(jìn)行打底焊。 為了盡量減小熔合比，有效控制熱輸入和層間溫度，防止變形，避免焊接接頭產(chǎn)生粗大組織，擬采用細(xì)絲埋弧焊 （SAW），以多層多道焊形式進(jìn)行填充、蓋面焊。 采用GTAW+SAW 工藝進(jìn)行CF62 鋼鍛件與L485 管材的焊接，在公開(kāi)的文獻(xiàn)報(bào)道中，無(wú)先例可循。 為了保證焊縫性能的安全可靠，保證重點(diǎn)工程的質(zhì)量和進(jìn)度，按NB/T 47014—2011要求，進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

焊接件為CF62 鋼鍛件和L485 管材，規(guī)格為 Φ711 mm×22 mm，長(zhǎng)度 130 mm，各 1 件，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1 和表2，焊接接頭形狀及尺寸如圖2 所示。

表1 CF62 鋼鍛件和L485 管材的化學(xué)成分

表2 CF62 鋼鍛件和L485 管材的力學(xué)性能

圖2 焊接接頭形狀及尺寸

2.2 焊接性分析及預(yù)熱溫度、層間溫度確定

CF62 鋼是一種鍛造調(diào)質(zhì)鋼，其組織是鐵素體+珠光體。 該鋼的碳含量低（w （C） ≤0.09%），通過(guò)加入Cr、Mo、V 等的碳化物形成元素的彌散強(qiáng)化以及添加B 等淬透性強(qiáng)的元素，并進(jìn)行鍛造、淬火、高溫回火處理，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性的力學(xué)性能。 該鋼的碳含量較低，S 和P 雜質(zhì)元素含量較低，含Mn 量較高，高的 Mn/S 比使該鋼材正常情況下焊接時(shí)焊縫不會(huì)出現(xiàn)熱裂紋。該鋼的碳當(dāng)量為0.359%，焊接時(shí)淬硬傾向較小。作為低碳調(diào)質(zhì)鋼，焊后以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，使生成的馬氏體進(jìn)行一次 “自回火” 處理，可以避免冷裂紋的產(chǎn)生。 但如果在馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)冷卻速度太快，可能產(chǎn)生冷裂紋。 如果在焊接熱循環(huán)中受熱過(guò)多，一方面高溫側(cè)的粗晶熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生晶粒長(zhǎng)大及上貝氏體大量析出，從而導(dǎo)致該區(qū)韌性下降； 另一方面在處于退火溫度區(qū)的熱影響區(qū)會(huì)發(fā)生軟化，導(dǎo)致強(qiáng)度不足。 為此，應(yīng)選用 S、P含量低的焊材，并采用合適的預(yù)熱溫度、層間溫度及線能量，防止冷裂紋，防止熱影響區(qū)脆化和軟化造成強(qiáng)度和韌性的下降。

L485 鋼是一種微合金控軋鋼，其組織是針狀鐵素體+珠光體。 這種鋼在軋制狀態(tài)下相當(dāng)于正火鋼的質(zhì)量，具有高韌性、高強(qiáng)度的特點(diǎn)。L485 管線鋼中加入了一些沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化元素，這些元素提高了鋼的淬硬性。 從碳當(dāng)量來(lái)看，該鋼的碳當(dāng)量為0.38%，冷裂傾向不大。 但是，由于鋼管直徑較大、壁厚較厚，加快了焊縫的冷卻速度，焊接時(shí)拘束應(yīng)力大，使該管線鋼具有一定的冷裂傾向。 焊接時(shí)，如果線能量過(guò)大或?qū)娱g溫度過(guò)高，將導(dǎo)致熱影響區(qū)粗晶區(qū)脆化和多層焊時(shí)粗晶區(qū)再臨界脆化，韌性降低。 為避免上述冷裂、脆化問(wèn)題的出現(xiàn)，應(yīng)選用S、P 含量低的焊材，并采用合適的預(yù)熱溫度、層間溫度及合適的線能量。

CF62 鋼與L485 鋼的焊接，屬于珠光體類異種鋼的焊接。 由于金相組織相近，它們之間熱物理性能沒(méi)有很大差異，只是鋼中合金化程度不同。 從這兩種鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能、Ceq 與焊接性分析情況可以看出，這兩種鋼的焊接性接近，共熔性較好，應(yīng)考慮的問(wèn)題基本一致。 由于這兩種鋼的強(qiáng)度高，壁厚大，焊接接頭承受的拘束應(yīng)力大，存在一定的脆裂傾向，焊接時(shí)應(yīng)注意： ①選用S 和P 含量低的焊材以避免焊縫出現(xiàn)熱裂紋； ②確定適當(dāng)?shù)念A(yù)熱溫度、層間溫度及線能量，以避免出現(xiàn)冷裂紋； ③避免采用過(guò)大的線能量，降低熔合比，減小熔化的母材對(duì)焊縫的稀釋作用，防止焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)粗大組織及軟化區(qū)。

為了促進(jìn)焊縫和熱影響區(qū)中氫的擴(kuò)散逸出，防止產(chǎn)生近縫區(qū)裂紋，減小焊接應(yīng)力，焊前應(yīng)對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱。 根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]，珠光體類異種鋼焊接時(shí)，預(yù)熱溫度的估算如下：

對(duì)于CF62：

[C]化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13≈0.246

[C]總=[C]化（1+0.005t）=0.273

預(yù)熱溫度 T0=350（[C]總－0.25）0.5≈53.1 ℃

對(duì)于L485：

[C]化=C+Mn/9+Cr/9+Ni/18+Mo/13≈0.268

[C]總=[C]化（1+0.005t）= 0.297

預(yù)熱溫度 T0=350（[C]總－0.25）0.5≈76.3 ℃

其中，t 為鋼管壁厚。

根據(jù)以上估算，結(jié)合參考文獻(xiàn)[1]～[4]的有關(guān)介紹，對(duì)于CF62 鋼與 L485 鋼的焊接，將預(yù)熱溫度定為 100 ℃，道間溫度定為 100～150 ℃。若焊接過(guò)程發(fā)生中斷，應(yīng)使焊件保溫后緩冷，再施焊時(shí)按原要求重新進(jìn)行預(yù)熱。 預(yù)熱和層間溫度不應(yīng)過(guò)高，否則可能會(huì)造成焊接接頭組織粗大，塑性和韌性變差。

2.3 焊接方法

焊接方法為鎢極氬弧焊 （GTAW） 及埋弧焊（SAW）。 GTAW 設(shè)備為奧太 WSM－400 型氬弧焊機(jī)，電源外特性為陡降特性。 SAW 設(shè)備為L(zhǎng)MGS－5500 型環(huán)縫細(xì)絲埋弧焊專機(jī)，電源外特性為平特性。

2.4 焊接材料

異種鋼焊接材料的選擇，應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮：

（1） 熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度不低于兩種母材規(guī)定值的較低者。

（2） 所選擇的焊接材料必須保證焊接接頭的使用性能，即保證焊縫金屬、過(guò)渡區(qū)、熱影響區(qū)等接頭區(qū)域具有良好的力學(xué)性能和綜合性能； 保證焊接接頭具有良好的焊接性能。

（3） 焊接材料的 S、P 含量低，合金成分少。

（4） 焊接材料應(yīng)經(jīng)濟(jì)，貨源充足，同時(shí)具有良好的工藝性能，焊縫成形美觀。

根據(jù)以上焊接材料選擇原則，尤其考慮強(qiáng)度匹配和保證焊縫低溫韌性，此次工藝評(píng)定選用大西洋牌 CHG－55C1R 氬弧焊焊絲 （直徑 2.5 mm），以及大西洋牌CHW－H08C/CHF101GX 埋弧焊焊絲/焊劑組合，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表3 和表 4。 從表 3 和表 4 的數(shù)據(jù)來(lái)看，所選焊材的S、P 含量較低，低溫沖擊韌性好，熔敷金屬抗拉強(qiáng)度能夠達(dá)到對(duì)CF62 鋼和L485 鋼母材的要求。

在焊接過(guò)程中，為了盡可能的減小焊接熱輸入，防止焊接接頭組織粗大，同時(shí)保證良好的塑性和韌性，控制焊接變形，減小熔合比，有利于采用多層多道焊工藝，埋弧焊焊絲選用細(xì)絲，焊絲直徑為1.6 mm。

表3 焊接材料的化學(xué)成分

表4 焊接材料熔敷金屬的力學(xué)性能

3 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》 進(jìn)行。

3.1 工藝評(píng)定試件的焊接

工藝評(píng)定試件由鋼管和鍛環(huán)組成。 鋼管材質(zhì)為 L485 鋼，尺寸為 Φ711 mm×22 mm×130 mm；鍛環(huán)材質(zhì)為CF62 鋼，將尺寸加工為Φ711 mm×22 mm×130 mm。

工藝評(píng)定試件焊接采用手工氬弧焊打底+埋弧焊填充蓋面的方法，焊接位置為水平轉(zhuǎn)動(dòng)。 焊接規(guī)范采用適中的工藝參數(shù)，預(yù)熱溫度100 ℃，控制道間溫度100～150 ℃。

為了改善焊縫金屬與近縫區(qū)的組織和力學(xué)性能，降低焊接接頭的殘余應(yīng)力，促使擴(kuò)散氫逸出，防止產(chǎn)生冷裂紋及焊接變形，工藝評(píng)定試件進(jìn)行600 ℃×1.5 h 的焊后回火處理。

焊接工藝評(píng)定時(shí)，試件焊接主要焊接參數(shù)見(jiàn)表 5。 焊縫共焊了 10 層、18 道次，焊接順序如圖3 所示。 工藝評(píng)定焊接試件焊縫照片如圖4所示。

表5 工藝評(píng)定主要焊接參數(shù)

圖3 工藝評(píng)定焊接順序示意圖

圖4 工藝評(píng)定焊接試件焊縫照片

3.2 工藝評(píng)定試件性能檢測(cè)

焊接完成24 h 后，對(duì)工藝評(píng)定試件焊縫進(jìn)行了外觀檢查和X 射線檢測(cè)，結(jié)果均符合NB/T 47014—2011 標(biāo)準(zhǔn)要求。 試件進(jìn)行焊后回火去應(yīng)力處理之后，加工力學(xué)性能檢測(cè)試樣，按GB/T 228.1—2010 進(jìn)行焊接接頭拉伸試驗(yàn)，按GB/T 2653—2008 進(jìn)行焊接接頭彎曲試驗(yàn)，按GB/T 229—2007 進(jìn)行焊接接頭低溫 （－20 ℃） 沖擊試驗(yàn)。 工藝評(píng)定主要性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 工藝評(píng)定主要性能檢測(cè)結(jié)果

3.3 焊接接頭的金相組織和晶粒度測(cè)定

依據(jù) GB/T 13298—2015、GB/T 6394—2017，對(duì)焊接接頭試樣進(jìn)行金相組織和晶粒度測(cè)定，焊接接頭的顯微組織如圖5 所示，焊接接頭的顯微組織及晶粒度見(jiàn)表7。

圖5 CF62 鋼鍛件與L485 管材焊接接頭的顯微組織

表7 CF62 鋼鍛件與L485 管材焊接接頭的金相組織及晶粒度

3.4 焊接接頭的硬度檢測(cè)

按 GB/T2654—2008 進(jìn)行焊接接頭硬度檢測(cè)，采用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)定，載荷10 kg，保壓時(shí)間10 s，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表8。 焊接接頭硬度測(cè)試位置如圖6 所示，硬度分布如圖7 所示。 檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫、熱影響區(qū)及母材區(qū)域內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)硬度值分布異常情況，硬度值均小于265HV10，滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表8 焊接接頭硬度檢測(cè)結(jié)果

圖6 焊接接頭硬度測(cè)試位置示意圖

圖7 焊接接頭硬度分布

4 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果分析

從表6 工藝評(píng)定主要性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了NB/T 47014—2011 標(biāo)準(zhǔn)的要求 （不低于母材規(guī)定的抗拉強(qiáng)度最低值，即570 MPa），接頭強(qiáng)度不存在問(wèn)題。焊接接頭彎曲180°后受拉面完好，表明接頭的延塑性良好。 焊縫及熱影響區(qū)在－20 ℃低溫下的夏比沖擊功滿足≥31 J 的要求，說(shuō)明焊接接頭有充足的韌性儲(chǔ)備。 可見(jiàn)，擬定的焊接工藝能夠保證焊接接頭的綜合力學(xué)性能要求。

從圖5 和表7 的結(jié)果來(lái)看，焊接接頭各部位的晶粒尺寸細(xì)小，熱影響區(qū)未見(jiàn)脆硬組織，能夠保證焊接接頭對(duì)低溫韌性的要求。 這一結(jié)果與表6的低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

設(shè)計(jì)要求焊縫及熱影響區(qū)硬度≤265 HV10。從表8 的檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，焊接接頭硬度滿足要求，也證明了沒(méi)有脆硬組織，這與表6、表7 的檢測(cè)結(jié)果是一致的。

可見(jiàn)，擬定的焊接工藝規(guī)程正確，焊接工藝參數(shù)適當(dāng)，評(píng)定結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，焊接接頭性能優(yōu)良。

5 產(chǎn)品焊接

應(yīng)用評(píng)定合格的焊接工藝，編制針對(duì)產(chǎn)品的焊接工藝規(guī)程，進(jìn)行了 DN1000、PN12.0 絕緣接頭法蘭 （CF62 鋼） 與接管 （L485 鋼） 的焊接，焊縫順利通過(guò)了射線檢測(cè)和硬度檢測(cè)。焊縫射線檢測(cè)一次合格率98%。 產(chǎn)品整機(jī)已通過(guò)了氣密性試驗(yàn)、強(qiáng)度試驗(yàn)和水壓+彎矩試驗(yàn)等各項(xiàng)性能試驗(yàn)。 絕緣接頭水壓+彎矩試驗(yàn)過(guò)程如圖8 所示。 強(qiáng)度試驗(yàn)和水壓+彎矩試驗(yàn)合格后，焊接接頭進(jìn)行超聲檢測(cè)和液體滲透檢測(cè)，達(dá)到了NB/T47013—2015 標(biāo)準(zhǔn)的Ⅰ級(jí)要求。

圖8 絕緣接頭水壓+彎矩試驗(yàn)

6 結(jié) 論

針對(duì)CF62 鋼與L485 鋼異種鋼焊接，擬定GTAW 打底+SAW 填充、蓋面焊工藝。 焊接完成后，經(jīng)力學(xué)性能試驗(yàn)，拉伸、彎曲、沖擊、硬度檢測(cè)結(jié)果均符合焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范要求，達(dá)到了預(yù)期的目的。 力學(xué)性能及金相檢測(cè)結(jié)果證明，焊接工藝方法及焊材選擇是合理的，預(yù)熱溫度、層間溫度控制及焊后熱處理等工藝措施是得當(dāng)?shù)摹?經(jīng)過(guò)本次研究，歸納出一種針對(duì)CF62 鋼與L485 鋼的焊接工藝方法，要點(diǎn)如下：

（1） 采用直徑 2.5 mm 的 CHG－55C1R 焊絲進(jìn)行手工氬弧焊打底，采用CHW－H08C 焊絲（直徑1.6 mm） 及CHF101GX 焊劑組合進(jìn)行埋弧焊填充、蓋面。

（2） 焊接過(guò)程控制預(yù)熱溫度 100 ℃，層間溫度 100～150 ℃。

（3） 使用表5 中的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。

（4） 焊接完成，焊縫外觀檢查及射線檢測(cè)合格后，對(duì)焊接接頭進(jìn)行600 ℃×1.5 h 的回火去應(yīng)力處理。