CN113211005A - 一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，包括以下步骤：选用海洋用管线的钢材，对钢材进行铣边；对钢材焊接位置开X坡口；通过JCOE成型工艺成型为直缝管状、并进行预焊工序；对钢管进行扩径；设计数学模型设计焊接规范，包括焊接热输入量、焊缝余高和焊缝重熔量；对钢管进行精悍，采用多丝直缝埋弧焊；对焊接后的焊缝进行物理试验、焊缝形貌验收；通过以上步骤得到具有高拉伸性能海洋钢管。上述焊接方法解决了钢管焊接后，焊接接头性能不达标的问题。焊后钢管具有良好的抗氢致开裂和抗硫化氢应力腐蚀性能和较低屈强比。控制焊接面能量，避免了焊缝热影响区的软化。对焊缝形貌、焊接接头的高韧性和全焊缝的拉伸性精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及到钢管焊接及埋弧焊领域，特别是一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法。
背景技术
目前，海洋油气资源非常丰富。但是，海洋油气资源的开采主要取决于各国对深海关键技术与装备研制、掌控和应用程度，其中关键的之一就是海洋油气管道。海洋管道在铺设过程中，在铺管船上环焊连接后再放入海洋中，因而需要承受很大的变形；受到洋流、潮汐等因素影响，海洋管道在服役中处于交变载荷状态；从海洋开采的油气尚未进行处理，要求管道具有一定的抗H 2S腐蚀能力；海洋管道维护难度大，如果一但发生泄漏，将对整个海域的生产环境造成毁灭性破坏，对其安全可靠性要求极高。因此，对海洋钢管提出了更为严格的要求。
国内研究出的一种X80MO钢材，该X80MO钢材满足海底的各方面性能要求，但X80MO钢管的焊缝性能如断裂韧性CTOD、氢致开裂HIC、硫化物应力腐蚀SSC和HV10硬度等不稳定，难以满足海底高压、腐蚀和多变载荷的要求：另外，焊缝错边、噘嘴等尺寸偏差也难以满足海上施工的要求。因此，优良综合机械性能海洋钢管的焊接方法仍需要解决。
中国专利文献CN 102873439 A记载了一种80mm厚E36海洋工程用钢的埋弧焊接工艺，采用与强韧性优良的海洋工程用钢板E36相匹配的焊接材料，母材的下屈服强度ReL360～390MPa，抗拉强度Rm530～560MPa，延伸率A30～45％，-40℃冲击功Akv＞200J；埋弧焊坡口采用对称K型坡口；焊前预热80℃，并对埋弧焊剂进行150℃×2h处理；对厚度为80mm+80mm组合钢板对接接头采用多层多道埋弧焊焊接，焊缝层间温度为80～200℃。该工艺焊接接头具有优良的综合力学性能，实用性强，适合于大型海洋结构及船舶焊接的推广。但是该方案需要控制焊缝层间温度，操作起来困难，对操作人员要求较高，流程复杂。该方案焊接后的焊接接头，仅适用于海洋深度低的海洋区域，对于深海地区，所形成的焊接接头的力学性能任达不到深海地区的拉伸性能要求和韧性要求，该焊接方法任然不能广泛用于具有高拉伸性能海洋钢管的焊接，该方案具有局限性。
中国专利文献CN 106903399 B记载了X80以上钢级的高强度管道半自动焊接方法，包括焊接管口预处理和管道焊接操作，其特征在于管道焊接操作采用可熔化实心焊丝、脉冲电流和熔化极气体保护焊技术对管道进行全位置焊接，其焊接工艺参数如下：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为130A至170A之间，焊接电压为14V至24V之间，焊接速度为15cm/min至28cm/min之间，送丝速度为300cm/min至500cm/min之间。本发明弥补了目前X80以上钢级的高强度管道的无半自动焊接方法的空白，可以有效解决全自动焊接成本及环境要求高、手工焊接效率低的缺点，大大提高了工作效率，节约了施工成本；其相比全自动焊接可以减少一半以上的直接施工成本，相比手工焊接可以减少三分之二的焊接时间。但是该方法为焊接成型的钢管仍然不能适应海洋高压高腐蚀的环境，同时该方法为半自动焊接，工作工程中需要大量人工工作，不能在焊接生产线上实现批量生产，满足不了这种海洋所用的钢管的需求，且难以改善焊接生产水平和焊接卫生条件。焊接后的钢管存在热影响区软化，导致钢管强度降低的问题。该方案也无法精确控制焊缝形貌，容易导致焊缝过高，椭圆度指标等形貌指标不达标等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种优良综合机械性能海洋钢管的焊接方法，使用该方法海洋钢管焊接后，焊接接头具有优良的综合机械性能，包括断裂韧性(CTOD)、氢致开裂(HIC)和硫化物应力腐蚀(SSC)性能，满足海底管道的服役特点的各项性能要求。在优选的方案中，在获得优良的综合机械性能的同时，还可以实现对焊缝形貌精确控制。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种具有较高拉伸性能海洋钢管的焊接方法，解决X80MO钢材在焊接过程中热影响区的晶粒长大形成粗晶区，容易产生热影响区软化、强度降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种优良综合机械性能海洋钢管的焊接，包括以下步骤：
S1、选用特定理化性能的钢板；
S2、对钢板纵向边缘铣边，精确控制钢板宽度和焊接坡口；
S3、通过板边预弯、JCOE成型得到直缝钢管管坯，并预焊；
S4、设计焊接数学模型确定焊接参数；
S5、对钢管进行内、外多丝埋弧焊接；
S6、对钢管进行机械扩径；
S7、对焊接接头进行焊缝形貌和机械性能检验；
通过以上步骤得到具有高拉伸性能海洋钢管。
优选方案中，所选用的具有特定理化性能的海洋钢管用X80MO钢板，对钢中Nb、V、Ti和Mo元素含量进行了精确控制。
优选方案中，步骤S2中，按下面公式设定铣边板宽：L＝π(D/(1+Sr)-t)；
式中：D——成品钢管直径，mm；Sr——设定的变形率。
优选方案中，步骤S2中，坡口参数为：内坡口单边角度37°，外坡口单边角度37°，钝边8.0-8.5mm，下坡口角度37°，外坡口高9.0-10.0mm。
优选方案中，步骤S3中，预焊工序控制指标：椭圆度-2mm，+1％D，噘嘴-3.0～2.5mm。
优选方案中，步骤S4中，焊接工艺参数优化设计数学模型设计焊接规范：焊接电流、焊接电压和焊接速度、坡口型式和尺寸：
式1为焊接热输入量；式2为焊缝余高；式3为焊缝重熔量；
式中：I-焊接电流，U-电弧电压，V-焊接速度，B-焊缝宽度，I1内-一丝内焊焊接电流，c-焊口宽度，U1内-一丝内焊焊接电压，I1外-一丝外焊焊接电流，c-焊口宽度，U1外-一丝外焊焊接电压，g-焊缝消耗量，h-焊道余高系数，b-板厚，d-坡口角度。
优选方案中，步骤S5中，所述内、外埋弧焊都采用四丝焊，焊丝为φ4×4，焊丝材料为CHW-SG4，焊剂牌号为SJ102G。
优选方案中，步骤S5中，内、外埋弧焊工艺参数为：焊丝伸出长度为35mm，一丝采用直流、焊丝倾角为-16°、电流为1050～1150A、电压为37～41V；二丝采用交流、焊丝倾角为0°、电流为800～900A、电压为39～43V；三丝采用交流、焊丝倾角为17°、电流为720～780A、电压为40～44V；四丝采用交流、焊丝倾角为26°、电流为520～580A、电压为42～46V，内焊车速为1.20～1.40m/min，外焊车速为1.25～1.45m/min。
优选方案中，步骤S6中，结合设定的变形量、铣边宽度和成型工序测定的延展量，按下面公式设定钢管扩径率:S＝πD/(L+I+πt)-I；
式中：D——成品钢管直径，mm；L——铣后钢板宽度，mm；I——成型延展量，t——钢板厚度，mm。
优选方案中，步骤S7中，对焊接后的焊接接头进行焊缝形貌和理化性能检验为：对焊接接头做焊缝横向拉伸、全焊缝纵向拉伸、正面和背面导向弯曲、焊缝和热影响区冲击、HV10硬度、HIC、SSC和CTOD机械性能试验；测量内、外焊缝余高、熔深、宽度、重合量和焊偏量。
本发明提供了一种具有较高拉伸性能海洋钢管的焊接方法，通过采用上述焊接方法，解决了具有较高焊缝拉伸性能的X80MO钢板焊接后，焊接接头性能不稳定和焊接热影响区的软化问题，实现了对焊缝形貌和性能的精确控制，焊后钢管具有良好的机械性能，包括优异的HIC(抗氢致开裂)、SSC(抗硫化物应力腐蚀)和CTOD(裂纹尖端张开位移)性能。焊后的钢管能满足海底高压、腐蚀和多变载荷的服役环境要求；精确控制的焊缝错边和噘嘴等尺寸偏差符合钢管海上环焊施工的需要。所焊后形成钢管能抵抗海水腐蚀及H2的影响。焊后的钢管能承受能够到来自海洋洋流、海底泥石流等作用力的影响，降低了海底钢管高昂的维护成本和焊接成本。同时上述焊接方法的焊接工艺参数，能够对焊接接头的的高韧性和全焊缝的拉伸性能控制，并且对焊缝形貌进行精确控制。
本方法的钢板具有特定的理化性能，对Nb、V、Ti和Mo等合金元素进行了精确控制。Nb、V、Ti等元素形成碳氮化物等第二相粒子，钉扎在焊接热影响区的奥氏体晶界上，阻止奥氏体晶粒长大，以减小热影响区粗晶区软化程度；而适量Mo元素可增加碳化物的形核位置，形成更多的细小的TiC、NbC等第二相粒子，既阻碍热影响区晶粒的长大，又加强了沉淀强化作用，可抵消热影响区粗晶区的软化影响。在焊接参数的选择上，通过精确控制焊接电流、电压和焊接速度达到减小单位厚度的焊接面能量的目的，从而减小了焊接热影响区粗晶区的宽度，降低了其软化效应。解决了X80MO钢材焊接热影响区的奥氏体晶粒长大形成粗晶区，产生热影响区局部软化，导致焊接接头强度降低的问题。
具体实施方式
实施例1：
一种具有较高拉伸性能海洋钢管的焊接方法，以Φ1219×26.4 X80MO焊接为例：
1.铣边工序工艺参数设置
综合钢管直径允许偏差(+/-1.0mm)、扩径效果(扩径率越大管型调整效果越好)和钢板预拉伸试验结果(变形量0.8％较好)三个因素，预设铣边板宽为3710-3720，实际的参数见表1。
表1铣边工艺参数表
2.成型工序工艺参数和控制指标
综合考虑预焊设备的调整能力和生产经验，设定成型工艺参数见表2。组织的实测延展量相差较大(延展量＝预焊后周长-铣边工作宽度-壁厚*π)。
表2成型工艺参数与控制指标
3.对直缝管状开X坡口
设定坡口参数参数见表3。
表3焊接坡口参数
4.预焊工序工艺参数和控制指标
综合考虑扩径工序的调整能力和生产经验，设定预焊工艺参数见表4。
表4预焊工艺参数与控制指标
5.扩径工艺参数
预设分段扩径率分别为0.55％，评估扩径率对管型的调整效果以及管体纵、横向拉伸性能的变化。扩径步长550mm，具体钢管参数见表5。
表5试验扩径率表
| 管号 | 工作板宽(mm) | 原周长(mm) | 扩后周长(mm) | 扩径率(％) |
| 125A | 3712 | 3808 | 3829 | 0.55 |
6.参数优化设计数学模型设计焊接规范及对焊缝进行精悍
采用四丝直缝埋弧焊对海洋钢管进行焊接。焊接工艺参数如表6。
式1为焊接热输入量；式2为焊缝余高；式3为焊缝重熔量；
式中：I-焊接电流，U-电弧电压，V-焊接速度，B-焊缝宽度，I1内-一丝内焊焊接电流，c-焊口宽度，U1内-一丝内焊焊接电压，I1外-一丝外焊焊接电流，c-焊口宽度，U1外-一丝外焊焊接电压，g-焊缝消耗量，h-焊道余高系数，b-板厚，α-坡口角度。
表6焊接工艺参数
7.对焊接后的焊缝进行物理试验、焊缝形貌验收
对焊缝、HAZ进行理化试验：焊缝横向拉伸试验、全焊缝纵向屈服强度、拉神强度试验、弯曲试验、洛氏硬度试验等，物理试验结果参考表7，焊缝形貌结果参考表8。
表7焊缝物理试验结果
表8焊缝形貌
8焊接结构评定
表1～表8的试验结果显示：使用该方法焊接时，焊接工艺焊接的焊缝性能均满足要求，且具备一定的裕量。焊后焊缝外观成型良好，综合性能优越。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是，包括以下步骤：
S1、选用特定理化性能的钢板；
S2、对钢板纵向边缘铣边，精确控制钢板宽度和焊接坡口；
S3、通过板边预弯、JCOE成型得到直缝钢管管坯，并预焊；
S4、设计焊接数学模型确定焊接参数；
S5、对钢管进行内、外多丝埋弧焊接；
S6、对钢管进行机械扩径；
S7、对焊接接头进行焊缝形貌和机械性能检验；
通过以上步骤得到具有高拉伸性能海洋钢管。
2.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：所选用的具有特定理化性能的海洋钢管用X80MO钢板，对钢中Nb、V、Ti和Mo元素含量进行了精确控制。
3.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：步骤S2中，按下面公式设定铣边板宽：L＝π(D/(1+Sr)-t)；
式中：D——成品钢管直径，mm；Sr——设定的变形率。
4.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：步骤S2中，坡口参数为：内坡口单边角度37°，外坡口单边角度37°，钝边8.0-8.5mm，下坡口角度37°，外坡口高9.0-10.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：步骤S3中，预焊工序控制指标：椭圆度-2mm，+1％D，噘嘴-3.0～2.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：步骤S4中，焊接工艺参数优化设计数学模型设计焊接规范：焊接电流、焊接电压和焊接速度、坡口型式和尺寸：
式1为焊接热输入量；式2为焊缝余高；式3为焊缝重熔量；
式中：I—焊接电流，U—电弧电压，V—焊接速度，B—焊缝宽度，I1内—一丝内焊焊接电流，c—焊口宽度，U1内—一丝内焊焊接电压，I1外—一丝外焊焊接电流，c—焊口宽度，U1外—一丝外焊焊接电压，g—焊缝消耗量，h—焊道余高系数，b—板厚，α—坡口角度。
7.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：步骤S5中，所述内、外埋弧焊都采用四丝焊，焊丝为φ4×4，焊丝材料为CHW-SG4，焊剂牌号为SJ102G。
8.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：步骤S5中，内、外埋弧焊工艺参数为：焊丝伸出长度为35mm，一丝采用直流、焊丝倾角为-16°、电流为1050～1150A、电压为37～41V；二丝采用交流、焊丝倾角为0°、电流为800～900A、电压为39～43V；三丝采用交流、焊丝倾角为17°、电流为720～780A、电压为40～44V；四丝采用交流、焊丝倾角为26°、电流为520～580A、电压为42～46V，内焊车速为1.20～1.40m/min，外焊车速为1.25～1.45m/min。
9.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：步骤S6中，结合设定的变形量、铣边宽度和成型工序测定的延展量，按下面公式设定钢管扩径率:S＝πD/(L+I+πt)-I进行扩径；
式中：D——成品钢管直径，mm；L——铣后钢板宽度，mm；I——成型延展量，t——钢板厚度，mm。
10.根据权利要求1所述的一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法，其特征是：步骤S7中，对焊接后的焊接接头进行焊缝形貌和理化性能检验为：对焊接接头做焊缝横向拉伸、全焊缝纵向拉伸、正面和背面导向弯曲、焊缝和热影响区冲击、HV10硬度、HIC、SSC和CTOD机械性能试验；测量内、外焊缝余高、熔深、宽度、重合量和焊偏量。
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| CN202110364886.8A Pending CN113211005A (zh) | 2021-04-02 | 2021-04-02 | 一种优良机械性能海洋钢管的焊接方法 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN113211005A (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006124775A (ja) * | 2004-10-28 | 2006-05-18 | Nippon Steel Corp | パイプライン変形特性および低温靭性に優れた超高強度鋼板及び超高強度鋼管並びにそれらの製造方法 |
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-
2021
- 2021-04-02 CN CN202110364886.8A patent/CN113211005A/zh active Pending
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