450QS与F65钢的焊接工艺开发及腐蚀性能研究.pdf

s.-167第9 期450QS与F65钢的焊接工艺开发及腐蚀性能研究马丽，毕晓健，程正骏，李子轩，檀长稳（海洋石油工程股份有限公司，天津，30 0 451）摘要导管架立管是输送石油的最重要管道之一，立管的焊接质量直接影响着服役的年限及安全性。对某油田导管架立管用450 QS和F65钢进行了焊接工艺的开发及腐蚀性能研究，通过拉伸、弯曲、冲击、宏观腐蚀、硬度、氢致开裂和硫化物应力腐蚀试验验证焊接接头的力学及耐腐蚀性能。结果表明，焊接接头具有良好的强度、韧性和耐腐蚀性，能够满足使用要求，为立管的焊接提供了有力的技术保障。关键词】焊接工艺；力学性能；耐腐蚀性1前言导管架立管担负着输送石油、天然气等介质的重要任务，其质量直接影响了管道服役的年限及安全性。焊接作为立管唯一的连接方式，焊接接头的性能决定着整根立管的质量1.2 。立管主要是工作在海水环境里，管线承受着海浪引起的周期动载荷作用，环境的影响比较复杂。同时，立管内壁还受到原油的腐蚀作用，这对焊接接头封底工艺提出更高的要求 3.4。因此，为保证油气输送过程中焊接接头具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，选择合适的焊接工艺就显得尤为重要。本文针对某项目导管架立管用的DNVGLSMLS450QS(450QS)和ASTMA694F65(F65)两种钢材进行了焊接工艺开发。2试验2.1试验材料试验材料选取了海洋石油工程某项目中450 QS和F65钢，共选取两种直径壁厚管材，分别为273.1*14.7mm和40 6.4*2 0.6 mm。其主要化学成分和力学性能见表1和表2。表1主要化学成分表材质项目(C)(Si)W(Mn)W(P)W(S)(Cr)W(v)(Mo)w(Ni)(Cu)(B)实测值0.120.281.380.0140.0030.2470.0030.0880.208 0.0460.0004450QS标准要求max0.160.451.650.0200.0030.50.0900.350.50.50.0005实测值0.1100.2201.2500.0080.0020.0800.0480.096 0.038 0.0200.0002F65标准要求max0.180.401.300.025 0.003 0.2500.100.100.500.050.0005表2 主要力学性能表材质项目屈服强度/MPa抗拉强度/MPa断后伸长率/%冲击功AKV/J(-40)实测值49858129278/407/295450QS标准要求450-570535-7601838/45J实测值49556229220/216/215/F65标准要求450-570535-7601838/45J2.2焊接方法及焊材的选择根据施工情况的要求，焊接工艺需覆盖450 QS与450 QS同种钢之间的焊接以及450 QS和F65异种钢之间的焊接，根据DNVGL-ST-F101(2017)标准作者简介：马丽，女，汉族，河北省人，高级焊接工程师，硕士，研究方向为海洋钢结构焊接与腐蚀防护。168-2023年第2 6 卷腐蚀防腐石油和化工设备的要求，只做450 QS和F65异种钢之间的焊接即可评定两种材料同种钢的焊接。为了保证质量并提高焊接速率，因此选择气体保护焊打底（STT）+药芯焊丝气体保护焊（FCAW-G）填充的方法施工。本项目原油是硫含量超1%的酸性原油，腐蚀性高，所以对于焊接接头的腐蚀性具有很高的要求，为了满足立管对腐蚀性能的要求，并根据高强匹配的原则，选择了国产天泰的ER80S-G焊丝封底，选择日本神钢E81T1-Ni1M药芯焊丝填充盖面，其直径都为1.2 mm。3试验方法3.1焊接工艺参数根据焊材材质证书参数推荐以及以往项目经验对焊接参数进行设计如下：表3焊接工艺参数表焊道焊接方法分类号直径/mm电流/A电压/V焊接速度/(mm/min)热输入/(KJ/mm)打底STTER80S-G1.2120-15017-21135-1800.6-1.5填充FCAW-GE81T1-Ni1M1.2160-23020-25150-2201.02.0盖面FCAW-GE81T1-Ni1M1.2160-23020-25150-2201.0-2.03.2焊接坡口设计根据DNV-OS-F101标准要求，确定焊接试验位置为6 G，焊缝坡口形状及尺寸如图1所示，每节试验管长度为2 0 0 mm，坡口间隙为2-4mm，钝边为1-2 mm，坡口角度为6 0 5。3.3弯曲、拉伸和冲击试验根据标准的要求进行弯曲试验，弯曲角为180，试样具体要求如图2 所示。拉伸试验按照ASTMA370标准的要求进行，其抗拉强度不能低于535MPa，全焊缝拉伸根据ISO3183要求进行，其抗拉强度不小于母材的最小名义抗拉强度。冲击试验按照DNVGL-ST-F101(2017)位置取样，试验温度-10，其接收值38/45J。6052-4mm图1焊接坡口图W1200mmt=Specimenthickness,t=10mm10.1t.max3.0mmW=Widthofspecimen=Basematerialthickness(alledges)Theweld reinforcement istobemachined/groundfushwiththebasematerial图2 弯曲取样图169-第9期马丽等450QS与F65钢的为焊接工艺开发及腐蚀性能研究1.5mm-0/+0.5mm0.5-1.0.mm1.5mm-0/+0.5mm图3硬度打点图3.5氢致开裂(HIC)试验HIC测试根据NACETM0284-2016标准要求进行，其测试装置如下图所示。其取样图如图3所示，尺寸为100 mmX20 mmX10mm。试验前先将试样用2 0 0#砂纸打磨抛光，丙酮除油。测试溶液选用A溶液；测试时间为96 小时。为更好模拟立管实际工作腐蚀状态，全部试样取样位置都在根部。每个试样的3个截面的单个最大允许值不应超过下述指标：裂纹长度率（C L R）15%，裂纹厚度率（CTR）5%，裂纹敏感率率（CSR)2%。3.6硫化物应力腐蚀开裂(SSC)试验按照NACETM0177标准进行，采用四点弯曲试件，试验溶液为NACETM0177A溶液。试验加载应力为8 0%AYS（实际屈服强度），试验时间为7 2 0 小时，试样尺寸为115mm15mm5mm，为模拟立管实际工作腐蚀状态，全部试样取样位置都在根部。验收指标为试件的受拉伸面在低倍显微镜下放大10 倍检查，试件受拉应力面无开裂或任何表面破坏裂纹 6 。2315说明：1.气瓶（N2/HS);4试样，1-Gascylinders(N2/H,s)4-Sample2流量计；5气体中和容器：2-w-FlowmetersS-Gasneutralizationvessel3环境模拟漕：6-10%NaOH溶液。3-Environmentsimulationtank6*-10%NaOHsolution图4HIC腐蚀试验示意图腐蚀面15mm0mm15mmABC33mm33mm100mm图5HIC腐蚀取样图170-2023年第2 6 卷腐蚀防腐石油和化工设备H图6 SSC四点弯曲图4试验结果4.1弯曲、拉伸和冲击试验拉伸与全焊缝拉伸结果见表4和表5所示，全部满足要求，拉伸断裂位置全在母材上，说明焊材满足高强匹配的原则。弯曲试验结果见表6，可知弯曲后无肉眼可见裂纹及缺陷，全部合格。冲击试验结果见表7，结果全部满足单值38 J和均值45J的要求。说明焊接接头具有较好的强度和韧性等力学性能。表4拉伸试验结果表试验件试样尺寸/厚度*宽度/mm抗拉强度/Mpa断裂位置判定13.36*37.06608450QS侧母材合格273.1*14.7mm13.51*37.12601450QS侧母材合格21.29*38.15614F65侧母材合格406.4*20.6mm21.36*38.13611450QS侧母材合格表5全焊缝拉伸试验结果表试验件试样尺寸/直径mm屈服强度/Mpa判定4.88520合格273.1*14.7mm4.79615合格4.97559合格406.4*20.6mm4.98558合格表6 弯曲试验结果表试验件试样尺寸/厚度*宽度/mm弯曲类型检测结果判定10.05*14.05侧弯无肉眼可见裂纹及缺陷合格10.09*14.13侧弯无肉眼可见裂纹及缺陷合格273.1*14.7mm10.07*14.17侧弯无肉眼可见裂纹及缺陷合格10.11*14.12侧弯无肉眼可见裂纹及缺陷合格10.04*22.06侧弯无肉眼可见裂纹及缺陷合格10.07*22.09侧弯无肉眼可见裂纹及缺陷合格406.4*20.6mm10.03*22.04侧弯无肉眼可见裂纹及缺陷合格10.05*22.07侧弯无肉眼可见裂纹及缺陷合格第9 期马丽等450QS与F65钢的焊接工艺开发及腐蚀性能研究表7 冲击试验结果表吸收能量/J试验件试样尺寸试验温度取样位置判定单个值平均值WM131、130、131131合格450QS侧FL115、10 4、12 6115合格450QS侧FL+2135、90、150125合格273.1*14.7mm10*10*55-10450QS侧FL+5236、2 51、2 0 3230合格F65侧FL98、10 6、8 195合格F65侧FL+289、115、10 2102合格F65侧FL+589、10 2、12 2104合格WM138、12 7、12 5130合格450QS侧FL93、134、135121合格450QS侧FL+2193、192、18 4190合格450QS侧FL+5104、117、10 4108合格F65侧FL104、17 4、7 7118合格406.4*20.6mm10*10*55-10F65侧FL+2130、119、142130合格F65侧FL+5164、18 6、18 2177合格根部WM142、10 5、138128合格根部450 QS侧FL109、146、110122合格根部F65侧FL161、17 1、2 2 6186合格4.2宏观腐蚀及硬度试验两组试验件焊接接头的宏观腐蚀见图7 和图8，可知表面无裂纹、无未熔合、无未焊透、无夹渣、无气孔，宏观腐蚀结果合格。分别对焊缝区域的根部和填充区域进行硬度测试，其结果如图9和图10 所示。由图可知，不同取样区域硬度存在差异，呈波浪式变化，热影响区的硬度整体高于母材与焊缝中心，热影响区一侧是温度较低的母材，一侧是温度较高的熔池，存在较大的温度梯度和过冷度，使得该处组织比其它位置组织细小致密，细晶强化作用明显，表现出较高的硬度。但整体来看，所有区域的硬度均低于2 48 HV5，满足H,S应力腐蚀对硬度的要求。8090100110图7 2 7 3.1*14.7 mm试样宏观腐蚀图图8 40 6.4*2 0.6 mm试样宏观腐蚀图1722023年第2 6 卷腐蚀防腐石油和化工设备270一上表面一根部一下表面240AH/210180母材热影响区焊缝热影响区母材区域图9273.1*14.7mm试样硬度统计图4.3氢致开裂试验分析270上表面一根部一下表面240AH/1210180母材热影响区焊缝热影响区母材区域图9406.4*20.6mm试样硬度统计图从裂致开裂的结果可以看出，两种管径的焊接接头都未出现裂纹，厚度率、长度率和裂纹敏感率都满足要求，说明两种直管径的焊接接头能够满足氢致开裂的要求。表8 焊接接头HIC试验数据CLR/%CTR/%CSR/%试验件取样位置检测面实测值平均值实测值平均值实测值平均值A1100020300A2100273.1*0014.7mm20003000A3000020003000B1100000200030B2100406.4*020.6mm20003000B31000200030173马丽等450QS与F65钢的焊接工艺开发及腐蚀性能研究第9 期福图10273.1*14.7mm试样HIC腐蚀图图10406.4*20.6mm试样HIC腐蚀图4.4硫化物应力腐蚀开裂试验结果试验经过7 2 0 小时后，取出试样在低倍显微镜下观察受拉伸面，所有的试样均未发生断裂，也未出现裂纹，说明焊接接头的的抗应力腐蚀性能良好，能够达到要求，在此种环境下完全可以满足要求。图11273.1*14.7mm试样硫化物应力腐蚀照片174-2023年第2 6 卷腐蚀防腐石油和化工设备图12406.4*20.6mm试样硫化物应力腐蚀照片5结论(1)450QS与F65焊接接头拉伸试验中均断裂在母材，说明焊缝强度高于母材；弯曲试验中，接头未产生裂纹；冲击试验中，最小单个冲击值为89J，最小平均值为95J，远远高于标准要求。以上说明焊缝具有较好的强度和韧性。(2)焊接接头的硬度均小于2 48 HV，满足氢致开裂的裂纹敏感性要求。(3)在HIC试验中，其厚度率、长度率和裂纹敏感率率均为0，表现出了很好的抗裂纹性能。(4)硫化物应力腐蚀试验中，所有的试样均未发生断裂，未出现裂纹，说明其具有较好的抗应力腐蚀能力，可以满足酸性原油输送的腐蚀性能要求。总之，本论文成功开发出立管STT封底+药芯气保护焊填充盖面焊接工艺，无论是力学性能还是腐蚀性能均能满足要求，为导管架立管焊接提供了技术保障。参考文献1孙新阁,X70钢焊接接头在海水中的应力腐蚀行为研究:硕士学位论文 天津大学,2 0 0 5.2何小东，薛如，李为卫,等.X70管道自保护药芯焊丝环焊接头力学性能及影响因素 .焊接,2 0 2 0(3):5.3毕宗岳，牛爱军，牛辉,等.深海油气输送用高强度厚壁抗硫海洋管开发 .腐蚀科学与防护技术,2 0 16,2 8(6):4.4张树德，吕旭鹏，刘永贞,等.X70海底管线钢全自动焊工艺及氢致开裂行为研究 .焊接技术,2 0 14(11):4.5孙有辉,刘永贞,陈建军,等.X65/625耐蚀合金内衬管焊接接头耐腐蚀性能研究 C.第四届中国管道完整性管理技术大会.6丁扬.X65管线钢高压GMAW工艺研究 D.哈尔滨工业大学,2 0 14.收稿日期：2 0 2 3-0 3-2 9修回日期：2 0 2 3-0 8-0 5