本發(fā)明涉及一種高鋼級(jí)油氣輸送管線的預(yù)精焊焊接工藝，屬于油氣輸送鋼管制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

當(dāng)下，為了提高螺旋縫埋弧焊管的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，中石化、中石油下屬的幾家大型鋼管制造企業(yè)正在積極引入或自主研發(fā)預(yù)精焊螺旋縫焊管生產(chǎn)技術(shù)。隨著我國(guó)油氣管網(wǎng)建設(shè)的逐步深入，螺旋焊管預(yù)精焊工藝得到了廣泛的推廣，且經(jīng)過幾年的發(fā)展我國(guó)預(yù)精焊技術(shù)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，業(yè)內(nèi)也有大量關(guān)于預(yù)精焊技術(shù)的設(shè)備、工藝、焊縫質(zhì)量控制等方面的研究，這體現(xiàn)出了預(yù)精焊工藝自動(dòng)化程度高、焊縫性能優(yōu)異、殘余應(yīng)力小、成型焊接互不干擾等優(yōu)勢(shì)。但是，隨著對(duì)該技術(shù)的深入研究以及實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該工藝也存在一定的缺點(diǎn)，如預(yù)焊縫缺陷對(duì)精焊質(zhì)量的影響、鋼管管端焊縫質(zhì)量不穩(wěn)定等。

現(xiàn)有預(yù)精焊鋼管的主要制備工藝流程為：拆卷→對(duì)頭→矯平→銑邊→成型→預(yù)焊→飛剪→預(yù)修補(bǔ)→內(nèi)焊→外焊，其中與焊接過程相關(guān)的工序是預(yù)焊、內(nèi)焊、外焊，預(yù)焊的主要焊接工藝為Ar+CO₂的熔化極氣體保護(hù)焊(MAG)；內(nèi)焊與外焊合稱為精焊，其焊接工藝為先內(nèi)焊后外焊，且均采用埋弧焊工藝，內(nèi)焊為2絲串列，外焊為2絲串列。傳統(tǒng)的預(yù)精焊焊接工藝坡口如圖1所示，目前存在以下問題：

(1)預(yù)焊工藝為MAG，主要參數(shù)如下：氣體配比Ar+20～50％的CO₂，氣體流量80～100L/min，電壓22～25V，送絲速度140～170in/min，焊速2.5～5.0m/min，Ar成分的添加可以減少預(yù)焊過程中飛濺物的產(chǎn)生，但焊速最高僅為5.0m/min，大大降低了生產(chǎn)效率；

(2)如圖1所示，預(yù)精焊的坡口大部分為X型對(duì)稱坡口，內(nèi)外焊的坡口角度一般相等，多為60°，鈍邊厚度一般為7-9mm，具體由板厚決定，預(yù)焊縫熔深一般為2-3mm，內(nèi)外焊均采用雙絲串列埋弧焊接工藝，這種坡口形式所使用的內(nèi)外焊熱輸入基本相當(dāng)：前絲電流800～1100A，電壓30～34V，后絲電流400～600A，電壓33～36V，內(nèi)焊縫和外焊縫的熔深基本相等且重合量較大，形成的焊接接頭如圖2所示。由圖2可以看出，內(nèi)外焊縫的熱影響區(qū)不可避免的形成了交叉，存在幾個(gè)亞區(qū)，其中，粗晶區(qū)和臨界再熱粗晶區(qū)是熱影響區(qū)最為薄弱的環(huán)節(jié)，粗晶區(qū)存在晶粒嚴(yán)重的長(zhǎng)大，出現(xiàn)粗晶脆化現(xiàn)象，而臨界再熱粗晶區(qū)為內(nèi)焊縫粗晶區(qū)受到外焊縫的熱循環(huán)的影響，溫度在Ac₁～Ac₃之間，由粗大的原奧氏體晶粒加上沿晶界連續(xù)分布的M-A組元組成，晶粒內(nèi)部的組織為粗大的上貝氏體或者粒狀貝氏體，形成局部脆性區(qū)，其韌性損失可達(dá)40％～60％，實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中熱影響區(qū)沖擊不穩(wěn)定的原因主要在此，一旦夏比沖擊式樣的缺口正好經(jīng)過此區(qū)，會(huì)出現(xiàn)低于40J的沖擊值，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致整根鋼管不合格；

(3)雖然預(yù)精焊工藝避免了成型應(yīng)力對(duì)焊接過程的影響，但預(yù)焊完后的預(yù)焊縫仍受到較大的殘余應(yīng)力的影響，先內(nèi)焊后外焊的工藝不利于應(yīng)力的釋放，內(nèi)焊過程中預(yù)焊縫的殘余拉應(yīng)力較大處往往會(huì)形成裂紋源，在內(nèi)焊縫出現(xiàn)焊接裂紋的傾向偏大，尤其是在焊接X80及以上的高強(qiáng)鋼時(shí)，組織熱敏感性較大，需特別關(guān)注內(nèi)焊裂紋的形成，當(dāng)焊接過程中的電流、電壓等參數(shù)出現(xiàn)較大波動(dòng)的時(shí)候，很容易形成裂紋；

(4)內(nèi)外焊均采用雙絲焊接，焊速一般在1.5m/min以下，導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降。

綜上所述，傳統(tǒng)的預(yù)精焊焊接工藝急需進(jìn)行改進(jìn)，以提高管線鋼雙面螺旋埋弧自動(dòng)焊焊接接頭的整體性能與生產(chǎn)效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種高鋼級(jí)油氣輸送管線的預(yù)精焊焊接工藝，通過合理設(shè)計(jì)焊接坡口型式與內(nèi)外焊的順序，提高了焊管的生產(chǎn)效率及接頭的彎曲性能。

本發(fā)明所述的高鋼級(jí)油氣輸送管線的預(yù)精焊焊接工藝，包括以下步驟：

(1)預(yù)焊

采用熔化極氣體保護(hù)焊，焊接電源選用數(shù)字化脈沖電源，保護(hù)氣體為純CO₂，當(dāng)飛濺物較多時(shí)，使用混氣裝置來添加少量的Ar；

操作參數(shù)如下：氣體流量為80～100L/min，電弧電壓為22～25V，電流為1000±100A，焊速為8～12m/min；

(2)外焊

采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊，前絲為直流反接，電流為700～800A，電壓為30～33V，后絲為交流，電流為450～600A，電壓為34～36V，焊接速度為1.6～1.8m/min，焊絲干伸長(zhǎng)量為24～34mm，焊絲間距為15～20mm，焊絲偏心距為20～60mm上坡焊；

(3)內(nèi)焊

采用三絲串列埋弧自動(dòng)焊，前絲為直流反接，電流為1300～1600A，電壓為30～34V；中絲和后絲為交流，電流為400～600A，電壓為34～38V；焊接速度為1.6～1.8m/min，焊絲干伸長(zhǎng)量為24～34mm，焊絲間距為15～20mm，焊絲偏心距為20～60mm下坡焊；

其中：

所述預(yù)精焊焊接工藝的坡口型式為內(nèi)大外小的不對(duì)稱雙V型坡口，外坡口角度為50～60°，內(nèi)坡口角度為80～90°。

所述的預(yù)精焊焊接工藝適用于X80及以上鋼級(jí)的管線鋼的制管焊接。

本發(fā)明的預(yù)精焊焊接工藝通過改進(jìn)預(yù)焊保護(hù)氣體參數(shù)與選用高性能的數(shù)字脈沖電源，重新設(shè)計(jì)內(nèi)外焊坡口，改變內(nèi)外焊焊接順序，并制定優(yōu)化的內(nèi)外焊焊接工藝，接頭的綜合性能得到提升的同時(shí)，生產(chǎn)效率也得到了提高：

(1)預(yù)焊采用純CO₂保護(hù)，選用先進(jìn)的數(shù)字脈沖控制電焊機(jī)，設(shè)計(jì)優(yōu)化的混氣系統(tǒng)，增大了CO₂的配比，也可用100％的CO₂保護(hù)，而飛濺量較少，如此能夠?qū)㈩A(yù)焊最高焊速提高到12m/min；

(2)坡口型式改為內(nèi)大外小的不對(duì)稱雙V型坡口，外坡口深度變小，內(nèi)坡口深度變大，鈍邊尺寸根據(jù)不同板厚控制在5-6mm；

(3)外焊/內(nèi)焊采用雙絲/三絲串列焊接：內(nèi)坡口角度的變大要求內(nèi)焊縫填充的焊材增加，因此內(nèi)焊改為三絲串列焊接，而外坡口角度變小使得焊絲填充量可適當(dāng)減少，因此可以提高焊接速度；

(4)先外焊后內(nèi)焊：由于鋼管的成型過程是在內(nèi)坡口打底形成預(yù)焊縫，預(yù)焊縫內(nèi)部的殘余拉應(yīng)力較大，內(nèi)焊縫拘束度較大，因此設(shè)計(jì)先外焊再內(nèi)焊的焊接順序，利用外焊縫熱輸入的余熱給內(nèi)坡口預(yù)焊縫預(yù)熱，有利于消除焊接殘余應(yīng)力，也有利于氫的擴(kuò)散，減小焊縫的裂紋傾向，也有利于焊縫接頭的背彎性能；同時(shí)，先外焊時(shí)的外焊熱輸入量小，一方面可減小焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)的奧氏體晶粒尺寸，另一方面可以減少外焊縫粗晶熱影響區(qū)的寬度，盡量減少內(nèi)焊熱影響區(qū)對(duì)外焊熱影響區(qū)的熱作用空間，甚至通過優(yōu)化設(shè)計(jì)消除臨界粗晶區(qū)，避免局部脆化區(qū)的出現(xiàn)，原奧氏體晶粒尺寸的較小，形成的臨界粗晶區(qū)的晶粒尺寸也隨之減小，有利于MA組元的彌散分布，且有利于減少M(fèi)A組元的尺寸，提高臨界粗晶區(qū)的韌性。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明通過合理設(shè)計(jì)焊接坡口型式與內(nèi)外焊順序，降低了預(yù)焊縫殘余應(yīng)力，減少了內(nèi)焊縫的裂紋傾向，同時(shí)通過合理的設(shè)定內(nèi)外焊的熱輸入，避免了臨界粗晶區(qū)的出現(xiàn)，提高了焊縫熱影響區(qū)的沖擊韌性的數(shù)值，且提高了沖擊的穩(wěn)定性；先外焊后內(nèi)焊的工藝還提高了焊接接頭的彎曲性能；內(nèi)焊使用三絲焊接，有效提高了生產(chǎn)效率。

附圖說明

圖1是傳統(tǒng)預(yù)精焊焊接工藝坡口示意圖。圖中：1、鋼管壁厚；2、鈍邊厚度；3、預(yù)焊熔深；4、外坡口角度；5、外焊；6、預(yù)焊縫；7、內(nèi)焊；8、內(nèi)坡口角度。

圖2是傳統(tǒng)預(yù)精焊焊接接頭金相形貌。圖中：1、外焊縫；2、內(nèi)焊縫；3、臨界再熱粗晶區(qū)。

圖3是本發(fā)明的預(yù)精焊焊接工藝的坡口示意圖。圖中：1、預(yù)焊；2、外焊；3、內(nèi)焊；4、內(nèi)坡口角度；5、外坡口角度；6、外坡口深度；7、鈍邊厚度；8、內(nèi)坡口深度；9、鋼管壁厚。

圖4是實(shí)施例1中φ1219×18.4mm鋼管焊接接頭處的宏觀金相形貌圖。

圖5是對(duì)比例1中φ1219×18.4mm鋼管焊接接頭處的宏觀金相形貌圖。

圖6是實(shí)施例1中φ1219×18.4mm鋼管焊接接頭處臨界再熱粗晶區(qū)的金屬微觀組織圖。

圖7是對(duì)比例1中φ1219×18.4mm鋼管焊接接頭處臨界再熱粗晶區(qū)的金屬微觀組織圖。

圖8是實(shí)施例1中φ1219×18.4mm鋼管焊接接頭處的夏比沖擊功單值分布圖。

圖9是對(duì)比例1中φ1219×18.4mm鋼管焊接接頭處的夏比沖擊功單值分布圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

實(shí)施例1

以國(guó)家某一大型管線項(xiàng)目X80φ1219×18.4mm鋼管的焊接工藝為例，經(jīng)過板卷的開卷、矯平、銑邊、預(yù)彎、成型后，先進(jìn)行預(yù)焊，再依次進(jìn)行外焊和內(nèi)焊，共生產(chǎn)18根鋼管。

銑邊時(shí)坡口的加工尺寸為：外坡口深度為4.4±1mm，角度為50±2°；鈍邊厚度為6.0±1mm，內(nèi)坡口為V型坡口，角度為80±2°，坡口深度為8.0±1mm。

預(yù)焊工藝參數(shù)：氣體配比90％CO₂+10％Ar，氣體流量90±5L/min，電壓23±2V，電流1000A，恒壓控制，速度9m/min；

精焊工藝參數(shù)：焊接速度為1.8m/min；

外焊采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊：第一絲為直流反接，電流700A，電壓32V；第二絲為交流，電流450A，電壓35V；焊絲干伸長(zhǎng)量為24-34mm，焊絲間距為15-20mm，焊絲偏心距為40mm上坡焊；

內(nèi)焊采用三絲串列埋弧自動(dòng)焊：第一絲為直流反接，電流1350A，電壓34V；第二絲為交流，電流600A，電壓35V；第三絲為交流，電流450A，電壓37V；.焊絲干伸長(zhǎng)量為24-34mm，焊絲間距為15-20mm，焊絲偏心距為20-60mm下坡焊。

焊接完成后，按照API SPEC5L和ASTM A370-12對(duì)焊接接頭依次進(jìn)行宏觀金相分析(見圖4)、光學(xué)顯微鏡組織分析(見圖6)及夏比沖擊試驗(yàn)(見圖8)。

對(duì)比例1

同樣以國(guó)家某一大型管線項(xiàng)目X80φ1219×18.4mm鋼管的焊接工藝為例，經(jīng)過板卷的開卷、矯平、銑邊、預(yù)彎、成型后，先進(jìn)行預(yù)焊，再依次進(jìn)行內(nèi)焊和外焊。

銑邊時(shí)坡口的加工尺寸為：雙V型對(duì)稱坡口，內(nèi)外坡口深度為5.0±1mm，角度為60±2°，鈍邊厚度為8.4±1mm。

預(yù)焊工藝參數(shù)：氣體配比40％CO₂+60％Ar，氣體流量90±5L/min，電壓23±2V，電流1000A，恒壓控制，速度4.0m/min；

精焊工藝參數(shù)：焊接速度為1.5m/min；

內(nèi)焊采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊：第一絲為直流反接，電流960±96A，電壓33V；第二絲為交流，電流600A，電壓36V；焊絲干伸長(zhǎng)量為24-34mm，焊絲間距為15-20mm，焊絲偏心距為20-60mm下坡焊。

外焊采用雙絲串列埋弧自動(dòng)焊：第一絲為直流反接，電流1080±100A，電壓33V；第二絲為交流，電流550±55A，電壓35V；焊絲干伸長(zhǎng)量為24-34mm，焊絲間距為15-20mm，焊絲偏心距為40mm上坡焊。

焊接完成后，按照API SPEC5L和ASTM A370-12對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀金相分析(見圖5)、光學(xué)顯微鏡組織分析(見圖7)及夏比沖擊試驗(yàn)(見圖9)。

對(duì)比圖4和圖5能夠發(fā)現(xiàn)：實(shí)施例1中的熱影響區(qū)尺寸較小，且內(nèi)外焊熱影響區(qū)交叉的區(qū)域相對(duì)對(duì)比例1中的焊接工藝明顯減小。

對(duì)比圖6和圖7能夠發(fā)現(xiàn)：實(shí)施例1的臨界再熱粗晶區(qū)的奧氏體晶粒尺寸較小，晶界清晰并且無連續(xù)分布的島狀M-A組元，且晶內(nèi)M-A組元尺寸較小，呈點(diǎn)狀或細(xì)小的條狀分布在貝氏體板條之間，而對(duì)比例1的臨界再熱粗晶區(qū)M-A組元尺寸較大且在晶界處呈現(xiàn)島狀或大塊狀的M-A組元連續(xù)分布的形態(tài)。

對(duì)比圖8和圖9能夠發(fā)現(xiàn)：實(shí)施例1的沖擊功比較穩(wěn)定，集中在250J附近，且單值均高于150J，未出現(xiàn)單值低于100J的式樣，而對(duì)比例1的沖擊功比較分散，多集中在160J附近，但存在幾個(gè)單值低于100J的試樣。