集输管线管L360QS的焊接性能试验研究

赵兴亮，杨 迅 ，李 艳郑 飞，丁 磊，蔡彩霞，姚 俊

（1.天津钢管集团股份有限公司，天津 300301；2.中原油田分公司采油工程技术研究院，河南濮阳 457000）

集输管线管L360QS的焊接性能试验研究

赵兴亮1，杨 迅1，李 艳1郑 飞1，丁 磊1，蔡彩霞2，姚 俊2

（1.天津钢管集团股份有限公司，天津 300301；2.中原油田分公司采油工程技术研究院，河南濮阳 457000）

在选定焊接方法、焊接材料和工艺参数条件下,进行了L360QS管线管试样焊接和接头性能评价试验。结果表明，L360QS管线管具有良好的可焊性,焊接接头具有优异的抗腐蚀性能，选用的焊接材料和工艺参数可用于该种材料管道的现场焊接。

L360QS；管线管；抗H2S腐蚀；焊接

1 引言

目前，大口径大壁厚管线管广泛应用于石油、化工、能源和市政建设等国民经济的重要部门，承担着输送石油、天然气以及易燃、易爆介质等任务，是石油、天然气管网建设中用量最大的管线管之一。无缝管在抗腐蚀和管道安全方面具有天然的优势，是恶劣环境下输送管道首选管材。输送无缝管连接方式是通过管与管对接焊接方式连接的，这需要管线材料具有很好的焊接性能和耐腐蚀性能，因此开发出具有优异焊接性能和抗腐蚀性能的大口径大壁厚管线管具有重要意义。本文通过手工电弧焊的焊接方式研究公司生产的集输管线ø508.0mm×22.2 mm，L360QS抗H2S腐蚀管线管接头处的焊接性能以及抗腐蚀性能。

2 L360QS焊接

2.1 焊接方法

选用最常用的手工电弧焊接方法。

2.2 焊接材料

选择焊接材料时，不仅要考虑材料的焊接性，还要保证其使用性能，即满足强度要求下不发生腐蚀开裂。为提高焊接接头的抗腐蚀性能，根据电化学腐蚀的原理，采用与母材相同类型的焊接材料。

2.3 焊接坡口形式

试样坡口形式符合API 5L的要求，单面单边V形30°，坡口钝边1.0～1.5 mm。对接间隙：2.5～3.0mm。坡口边缘不小于20mm两侧的铁锈、油污等污垢，清理干净。

2.4 焊接程序

试样清理→对接点焊→打底焊接→测温→焊接→焊后检查→射线探伤→超声波探伤。

2.5 焊接工艺及参数

试验选用前期研究推荐的焊接线能量 (10～15 kJ/cm)和焊前预热温度（≥60℃）进行焊接,焊接试验设备为直流电弧焊机，焊接过程中的焊接参数见表1。

表1 焊接参数

3 焊接试验结果及分析

焊接接头性能评价试验项目包括：化学成分、拉伸试验、侧弯试验、刻槽试验、硬度试验、冲击试验、金相检验、HIC试验、SSC试验。

3.1 化学成分

分别在L360QS管线管母材和焊缝上取样进行化学成分分析，结果见表2，均满足标准API 5L的要求。

3.2 拉伸性能

L360QS管线管和带焊缝管材的拉伸性能如表3所示，母材及焊缝满足抗拉强度Rm≥460MPa的要求。同时依据标准API 1104，进行了4组拉伸评价试验，试验均断裂在母材，抗拉强度分别为520、530、535、525 MPa，满足标准要求。

3.3 侧弯试验

依据标准API 1104，侧弯试验进行了4组，根据标准要求，侧弯试样长230mm、宽13 mm。将侧弯试样以焊缝为中心放置在下模上，焊缝表面与模具成90°，给上模施加压力，将试样压入下模内，直到试样弯曲成近似U形，然后检验焊缝表面。通过检验得知，4组侧弯试验焊缝处均无裂纹，满足标准要求[3]。

3.4 刻槽试验

依据标准API 1104，刻槽试验进行了4组，根据标准要求，刻槽试样长230mm、宽25 mm，每个刻槽深度约为3 mm。刻槽试样在拉伸试验机上拉断，然后检验刻槽断裂面。通过检验得知，4组试样的断裂面完全是焊透和熔合的，无任何气孔，刻槽试验合格，满足标准要求[3]。

3.5 硬度试验

依据标准用维氏硬度计测试焊接接头截面上的硬度，分别测得母材、焊缝和热影响区的硬度。如表4所示，母材、焊缝和热影响区的硬度较低，焊缝处硬度值高于母材和热影响区，但均没有超过最大允许硬度250HV10的要求[2]。

3.6 冲击试验

冲击试样缺口（V形）分别位于母材、焊缝和热影响区。试验温度为-20℃，四组冲击试样的刻槽位置分别在焊缝中心、熔合线外0.5 mm、熔合线外2mm和熔合线外5 mm。试验结果如表5所示，冲击性能满足标准要求。

表2 化学成分分析结果/wt.%

表3 拉伸性能测试结果

表4 硬度试验测试结果

表5 L360QS钢级管线管焊接冲击试验结果

3.7 金相检验

L360QS母材组织为由针状铁素体（F）+回火贝氏体（B）双相显微组织，见图1。针状铁素体上弥散分布着细小的碳化物，细小的粒状回火贝氏体弥散分布，形成稳定的组织结构，保证材料的抗腐蚀性能。在焊接后的试件上取样，进行焊缝及热影响区金相检验。焊缝及热影响区无任何宏观可见缺陷，见图2。其微观金相组织检验结果是,焊缝显微组织为晶内成核针状铁素体+贝氏体（见图3）；热影响粗晶区的显微组织为针状铁素体+贝氏体（见图4）。焊缝热影响区包括过热区（粗晶区）、正火区、不完全相变区、回火区，其中熔合线附近的粗晶区，由于加热峰值温度高、晶粒长大粗化倾向大。由于母材含有均匀细小的组织，抑制了过热区晶粒长大，组织粗化并不明显。熔合线及热影响区均未发现淬硬组织。由此可见，由此焊接工艺得到的L360QS管线管焊接接头具有良好的组织结构。

图1 母材组织F+B

图2 焊缝及热影响区组织

图3 焊缝中心部分组织

图4 焊缝热影响区组织

3.8 HIC性能检测

沿管子纵向在L360QS管线管和带焊缝的管材上各取3个样，试样长度100mm，宽度20mm，厚度取管子全壁厚，其中带焊缝试样中焊缝位于试样中心。依据NACE TM0284-2003标准分别对L360QS管线管和带焊缝管材抗氢致开裂性能进行测试，溶液为A溶液，时间为96 h[3]。

试验结束后，试样表面清洗吹干，L360QS管材和带焊缝的管材试样上均未见氢鼓泡现象。试样的观察面依据NACE Standard TM0284-2003标准条款7.1切取。每个截面采用金相抛光。将制备后的试样置于金相显微镜下观察（放大倍数为100倍），L360QS管材和带焊缝的管材试样上均未发现裂纹，裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）和裂纹厚度率（CTR）均为0,说明母材和焊接接头均具有很好的抗HIC的性能[3]。

3.9 SSC性能检验

依据NACE TM0177-2005标准分别对L360QS管线管和带焊缝管材抗氢致开裂性能进行测试。四点弯曲试样沿管材中部纵向各取3个，使试样的表面与管子的表面平行，试样尺寸为115×15×5 mm，试验溶液为A溶液，施加载荷为288 MPa（80%YSmin），试验时间为 720h[4]。SSC试验结束后，L360QS管材和带焊缝管材的测试结果如图5和图6所示。从图上可以看出，在288 MPa（80%YSmin）应力下测试 720h 之后，所有试样均未断裂。用10倍放大镜检查试样，均未发现垂直于拉应力方向的裂纹,说明母材和焊接接头均具有很好的抗SSC的性能。

图5 L360QS管材SSC测试结果

图6 带焊缝管材SSC测试结果

4 结论

（1）L360QS管线管具有良好的焊接性能，焊接接头的焊缝拉伸试验结果，焊缝强度高于母材；侧弯试验、刻槽试验和金相检验结果表明焊接接头良好焊缝完全融合，没有气孔、加渣等缺陷，且组织均匀；焊接接头的硬度试验、冲击试验均符合标准要求。

（2）L360QS抗腐蚀无缝管线管焊接性能试验表明，采用手工电弧焊工艺可以满足现场使用要求。

（3）L360QS焊接接头具有良好的抗腐蚀性能。母材和管体的HIC试验，裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度率（CLR）和裂纹厚度率（CTR）均为0,说明母材和焊接接头均具有很好的抗HIC的性能；母材和管体的SSC试验，所有试样均未断裂，完全能够满足酸性环境下使用要求。

[1]API SPEC 5L（45版），管线钢管规范[S]．

[2] 王孝建.X65 级管线钢板焊接性能研究[J]．焊管，2007，30（1）：30-34.

[3] NACE TM0284-2003 Evaluation of Pipeline and Pressure Vessel Steels for Resistance to Hydrogen-Induced Cracking[S]．

[4] NACE TM 0177-2005 Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environment[S]．

Trail and Study on Welding Performance of L360QS Gathering Pipeline Pipe

ZHAO Xing-liang1,YANG Xun1,LI Yan1,ZHENG Fei1,DING Lei1,CAI Cai-xia2and YAO Jun2
(1.Tianjin Pipe[Group]Corporation,Tianjin 300301,China;2.Oil Production Technology and Engineering Institute,Zhongyuan Oil Field Subsidiary,Puyang,Henan Province 457000,China)

Under the conditions of given welding method,welding material and process parameters,the sample of L360QS pipeline pipe was welded and its connector properties were tested and assessed.Results showed that L360QS pipeline pipe had good weldablity while its welding connector had excellent corrosion resistance;the selected welding material and process parameters could be used on the welding site of this kind of pipe.

L360QS;pipeline pipe;H2S corrosion resistance;welding

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.024

2013-09-15

2013-10-1 2

赵兴亮（198 2—），男，硕士，工程师，主要从事钢管的腐蚀与防止方面研究工作。