王群　文俊峰　张龙

摘 要：近针对低合金钢管ASTM A519 4130的对接焊，采用GTAW打底、SMAW填充盖面，通过工艺试验，选择合适的焊接材料、焊接工艺参数及焊后热处理工艺。对焊接接头进行相关力学性能试验，结果均合格。焊接工艺评定采用ASME规范，同时要满足NACE（美国防腐工程师协会）规范对硫化物氢致裂纹（SSC）及材料硬度的要求。本文还研究了高压泥浆管焊接制作过程的精度控制及保护要求。

关键词：A519 4130；焊后热处理；高压泥浆管

中图分类号：U671.83 文献标识码：A

Research for Welding and Fabrication Process of High

Pressure Mud Piping

WANG Qun， WEN Junfeng， ZHANG Long

（ COSCO（Guangdong） Shipyard Co.， Ltd. Dongguan 523146 ）

Abstract： For welding of low-alloy steel pipe ASTM A519 4130， GTAW shall be used for root pass， SMAW shall be used for filling and capping pass. Through process test， select the appropriate welding consumables， welding process parameters and the process of post-weld heat treatment. Welded joints were related by mechanical test， the results were satisfactory. Welding procedure qualification are qualified according to ASME（American society of Mechanical Engineer） Boiler and pressure vessel Code， while meeting NACE （American Association of Corrosion Engineers） specifications for sulfur to hydrogen induced cracking （SSC） and material hardness requirements. This article also studied the precision control and protection requirements of the high-pressure mud piping.

Key words： A519 4130； Post-weld heat treatment； high pressure mud piping

1 前言

高压泥浆管是钻井液循环系统中的重要组成部分。由于高压泥浆本身具有很强的腐蚀性且工作压力超高，所以对于高压泥浆管的材质及其焊接质量提出了很高的要求，国际上知名的一些行业规范都对其制作及检验提出了非常苛刻的要求。高压泥浆管的材质是ASTM A519 4130，属于低合金钢，抗拉强度达到650 Mpa以上，焊接难度较大。焊接工艺评定采用ASME规范，同时要满足NACE（美国防腐工程师协会）规范对硫化物氢致裂纹（SSC）及材料硬度的要求，这就要求进行合适的热处理，以降低消除焊接残余应力和降低母材硬度。

我公司首次承建钻井系统海工产品，也是第一次焊接制作高压泥浆管，有必要对这种新产品、新工艺进行研究，确定合适的焊接工艺参数及焊后热处理参数，确保最终焊缝区域硬度不超过22HRC。高压泥浆管及管附件均为进口材料，成本高，而且高压泥浆管的焊接只有一次返修的机会，所以需要特别关注制作过程控制及保护要求。

2 研究方案

通过对高压泥浆管母材及相关规范的研究，制定PWPS（预焊接工艺），通过焊接工艺试验，验证试验结果满足相关规范的要求，并依据试验结果制定焊接工艺指导现场施工。研究的难点是制定和控制热处理工艺，保证焊缝、热影响区的硬度不超过22HRC。

3 焊接工艺试验

3.1 焊接方法及焊材

焊材的选择要满足母材的机械性能要求，也要满足NACE MR0175要求焊材的Ni含量不超過1%的规定，同时焊接材料强度越高，焊缝硬度也会越大。本次焊接工艺试验采用GTAW打底、SMAW进行填充盖面焊。氩弧焊丝采用OK Tigrod 55（等级ER100S-G，规格φ2.4 ），手工焊条采用HOBALLOY10018D2（等级E10018-D2，规格φ3.2）；母材规格为D141.3×19.5 mm，母材和焊材的化学成分及力学性能见表1、表2。

3.2 焊接准备及坡口形式

试验采用6G位置（试管轴线位置与水平面成45°角）。先用桥接键连接试管进行点固焊（见图1），再把试管固定在6G位置；采用机械加工坡口，坡口形式及尺寸见图2。

3.3 焊接要求及工艺参数

按国际焊接协会（ⅡW）和AWS推荐的碳当量（CE）计算方法来进行计算，母材碳当量为0.52%～0.77%，可见A519 4130的焊接性较差。焊前需预热，最低预热温度为160 ℃，层间温度控制在160 ℃～250 ℃。预热温度的控制测试点为距离坡口侧75 mm处，层间温度的测试点为焊缝边缘处。

制定合适的焊接热输入、预热及层间温度、焊后热处理方式，可有效改善热影响区和焊缝的微观组织，促使氢的逸出以及减少焊缝的拘束应力。焊接热输入取得过大，会使热影响区奥氏体晶粒粗化，接头韧性下降，降低其抗裂性能；热输入取得过小，则冷却速度大，易发生淬硬而增大其冷裂倾向。合理的做法是在充分保证焊接接头韧性的前提下，适当加大焊接热输入，这样可以增大冷却时间（t8/5或t100），减少热影响区的淬硬倾向，有利于氢的扩散逸出。

焊前对焊接区域进行打磨清理，保证焊接部位无油污、铁锈、氧化层及其他污物，焊接过程中磨掉桥接键；采用多层多道焊，每道焊道的厚度不超过5 mm，宽度不超过10 mm，氩弧焊打底的焊层总厚度为5～8 mm。主要焊接工艺参数见表3。

表3 焊接工艺参数

3.4 焊后热处理工艺

焊后热处理的作用在于消除应力和细化晶粒，但是热处理温度过高会降低焊缝的韧性和强度。按照NACE MR0175规范中焊缝及热影响区硬度不超过22HRC、热处理温度不低于595 ℃的要求，结合母材的回火温度，以及ASME Ⅷ对不同强度低合金钢热处理温度和保温时间（1 h/25 mm）的要求，制定本工艺热处理温度为650 ℃。

焊后热处理采用电加热带加热方式，热处理工艺曲线如图3所示：室温～300 ℃为自由升温，升温时间不限；300 ℃～650 ℃时升温速度≤222 ℃/h；650 ℃时保温时间2.5 h；650 ℃～300 ℃的降温速度≤280 ℃/h；300 ℃以下断电自然冷却至环境温度。

3.5 力学性能试验

根据ASME Ⅸ以及NACE MR 0175规范，对焊接接头进行了拉伸、弯曲、冲击及硬度测试试验。试验结果表明，各项试验结果均满足规范以及技术协议要求。硬度试验示意图见图4，硬度符合NACE MR 0175规范要求。冲击试验数据见表4。

（V型冲击：尺寸10×10×55 mm，温度-40℃）

4 制作过程控制

4.1 切割下料

高压泥浆管管材下料不允许使用火焰切割（会影响管材硬度），全部使用锯床切割或刨床加工。高压管的制作工艺要求比常规管系要严格，装配精度要求高，所以要制作专门的桥接键（见图5），桥接键的制作材料要和泥浆管的母材材质相一致，桥接键的形状尺寸也要满足焊接的坡口间隙要求。

4.2 焊接过程控制

高压泥浆管的焊接严格按照工艺要求进行预热和控制层间温度，焊后按工艺要求进行焊后热处理。焊工须记录每一道焊缝的焊接参数，以满足海工产品特殊材料焊接的可追溯性要求。

4.3 高压泥浆管的保护

高压泥浆管在装配点固完成后，在正式焊接前要对焊口进行帆布包裹保护，以防止焊接部位与油污、水分等接触而导致生锈。高压泥浆管在船上装配过程中要做好管口的封堵，可以用塑料堵头或帆布进行封堵，以防螺丝、铁条等坚硬物体误入管内，或在高压泥浆管试压过程中出现危险或拆卸排除异物时带来不便。

5 结束语

合适的焊后热处理工艺是确保焊缝及热影响区的硬度不超过22HRC、同时保证焊缝强度要求的关键。本文的工艺试验参数，对于海工同类产品的焊接具有借鉴意义。

参考文獻

[1] ASME IX 焊接和钎焊工艺. 焊工、钎焊工、焊接和钎接操作工评定标

准（锅炉及压力容器规范）[S].

[2] NACE MR 0175 国际标准. 防硫化氢应力裂纹金属材料的材料要求[S]..