X80管线钢焊接材料的选择及其应用

X80管线钢焊接材料的选择及其应用
孙咸
【摘要】综述了X80管线钢焊接材料的选用原则及工程应用.结果表明,该钢焊接
材料的选用可以遵循“组织类型匹配”原则,即尽可能使焊缝的组织接近母材的组织,保证接头获得最佳的力学性能和焊接性.该钢焊接材料的种类有两大类(电焊条和焊丝),5种组合焊接工艺各具特色.STT和RMD工艺是先进的低氢根部焊道技术.自保护药芯焊丝焊缝的低温韧性稳定性尚需严格控制.不同管径和壁厚的X80钢管分别采用匹配的焊接材料和合理的工艺,均在不同的工程中获得成功应用.优质、高效、自动化是工程施工追求的主要目标和方向.
【期刊名称】《电焊机》
【年(卷),期】2019(049)001
【总页数】9页(P1-9)
【关键词】焊接材料;X80管线钢;组织类型匹配;工程应用
【作者】孙咸
【作者单位】太原理工大学焊接材料研究所,山西太原030024
【正文语种】中文
【中图分类】TG42;TG457.6
0 前言
X80管线钢已成功应用于石油、天然气输送管线建设。

施工现场主要是对X80钢
管5G位置环焊缝全位置焊接作业。

虽然现有的焊接材料和配套的焊接工艺基本能满足管线施工建设要求，但这并不意味着在所有情况下管接头都能获得满意的焊接性。

在一些情况下，接头焊接冷裂敏感性、HAZ晶粒粗化、HAZ软化，以及
HAZ局部脆化等问题在施工中时有发生。

另一方面，在野外环境下，面对大直径、厚壁管5G全位置，且要求双面成形焊接施工，合理选用焊接材料显得尤为重要。

所谓合理选用焊接材料，既要考虑结构的工况条件，又要考虑母材的焊接性和匹配方式等因素。

X80管接头需承受10MPa以上的压力、温度变化，以及通过地带的各种自然与人为因素的影响，使该钢焊接材料的选用原则有些与众不同。

具有高强匹配的焊接材料已经在工程上普遍应用，这些高强匹配焊接材料熔敷金属的合金系及成分与母材的基本一致，焊缝的组织与亦与母材组织接近。

这种匹配属于“组织类型”匹配，从力学效果看可能就是高强匹配，而这一点恰恰被忽略而未被强调。

有关X80钢焊接的文献不少[1-3]，但涉及焊接材料选用原则内容的往往一带而过，专题性探讨的文献更是罕见。

为此，论文特意以焊接材料为切入点，将焊接材料选择与X80钢的焊接性、焊接材料种类、工艺方法及工程应用相联系，专题性地探
讨其选用原则。

该项工作对推动X80钢焊接材料的创新开发、配套工艺的锐意改进，以及管线建设工程质量的提升，具有一定的参考价值和实用意义。

1 X80管线钢焊接性分析
X80管线钢是在X70管线钢的基础上，采用纯净化、细晶化冶金技术，以及微合
金化和控轧控冷等工艺，开发的新一代管线专用钢。

从化学成分上看（见表1），X80钢的成分设计采用低碳-锰-铌-钛合金系，根据板厚的不同，添加适量的Mo、Cu、Ni等合金元素来提高强度，改善韧性。

需要强调的是，该钢的强度和韧性并不主要靠合金化达到，而是靠合金化的精准控制、控轧工艺（TMCP）及加速冷却（ACC）的改进而获得。

传统正火状态下X80钢的典型组织为针状铁素体和少量
多边铁素体组成，如图1所示[1]。

该钢制管后屈服强度下降小，同时具有不错的
焊接性，非常有利于焊管现场铺设管线工程。

与X70钢相比，X80管线钢在化学
成分上进行了调整[2]，化学成分的优化和控轧控冷工艺参数的变化使钢的晶粒度
更加细化（ASTM12～13级），导致高强高韧性组织，获得最优的综合力学性能，如表2所示[2]。

图1 由单相γ轧制制备的14.3mm厚X80钢的光学显微组织[1]
表1 X80管线钢的化学成分%钢种X80 API 5L标准w（C）0.05～0.07≤0.08 w （Si）0.25≤0.40 w（Mn）≤1.80≤1.85 w（P）0.01≤0.02 w（S）0.001≤0.004 w（Mo）≤0.35≤0.35 w（Ni+Cr+Cu）≤0.50≤0.50 w（Nb+V+Ti）
≤0.15≤0.15 Ceq 0.42～0.44—
表2 X80管线钢的力学性能实例（横向）板厚δ/mm 14.3 14.3 19.1 19.1 API 5L 标准轧制方法γ γ+α γ γ+α—屈服强度Rel/MPa 570 605 550 565 550～690抗拉强度Rm/MPa 640 650 630 650 625～825断后伸长率A/%34.0 34.0 39.0 34.0＞20冲击吸收能量KV/J（-20 ℃）472 282 488 220≥160落锤剪切面积
SA/%（-20℃）99 99 99 99＞85剪切面积转变温度（SATT85%）T/℃-70-60-47-30—
虽然X80钢由于降低了碳和杂质元素的含量、碳当量较低、淬硬倾向不大，产生
裂纹的敏感性较小，应当说该钢的焊接性有所改善。

但是这并不意味着在所有情况下都能获得满意的接头性能，研究表明，该钢焊接性的主要问题是：
（1）焊接裂纹敏感性。

作为采用控轧控冷技术生产的低碳微合金X80管线高强钢，对S、P成分的控制非常严格，因此热裂纹不是该钢管道焊接时的主要焊接性问题。

X80管线高强钢的低碳、微合金化特点，理应淬硬倾向小，冷裂敏感性降低。

但
随着X80管道壁厚的增加，焊接接头拘束度增大，焊后焊接残余应力增大；同时，尽管X80钢低碳，但合金元素含量较高，碳当量（0.42%～0.44%）不低（见表1），在一些快速冷却条件下，接头一些区域的硬化倾向增大。

还有，管道施工中
焊接材料的“高强匹配”原则使接头淬硬倾向增大，况且施工现场也没有焊后热处理条件。

再有，管道打底（根焊）焊采用纤维素型焊条焊接，该焊条水分含量较高，势必增大焊缝中扩散氢含量。

如此看来，焊接冷裂纹产生的要素都已具备，所以说冷裂纹是该钢管道焊接中的主要焊接性问题之一。

另一方面，当管内油气中H2S含量较高，或因为管道外壁保
护层老化与土壤和地下水接触时，在焊接残余应力和腐蚀介质共同作用下，容易在焊接区产生应力腐蚀裂纹（SCC）。

（2）HAZ晶粒粗化[3]。

X80钢原始组织为针状铁素体，其晶粒直径为5～10μm，依据晶粒长大动力学原理，晶粒越细越容易长大，焊后晶粒尺寸约为70μm。

尽管为了控制HAZ大热输入下晶粒长大，可通过向钢中加入微合金元素如Ti来实现，也可以采用小热输入法使粗晶区变窄，从而不影响接头的使用性能。

但即使如此，也未能彻底解决晶粒粗化问题。

（3）HAZ软化。

在X80钢中由于采用了加速冷却工艺，也即以位错结构形式储
存了能量，在焊接高温时能释放这种能量，结果在HAZ的临界间和亚临界间加热区，或甚至在缓慢冷却的粗晶区都能显露出比母材金属更低的硬度，即出现了所谓软化区。

但软化程度和软化区宽度取决于热输入和钢种类型[4]，热输入越高，软
化区宽度越宽，如表3[3]所示。

钢中含有Nb、V、Ti等微量合金元素时，HAZ软化宽度变得更小或软化区最低硬度更高一些。

HAZ软化区是接头的薄弱部位，软
化区中的疲劳裂纹扩展速率高于母材和焊缝金属，影响接头的使用性能。

表3 热输入对HAZ软化区宽度的影响焊接方法多丝埋弧焊CO2气体保护焊热输
入E/kJ·cm-1 139 90 400软化区宽度L/mm 10～15 2 6
（4）HAZ局部脆化。

X80钢HAZ可能出现多种脆化，如粗晶脆化、组织脆化、粗晶HAZ的两相区脆化，以及HAZ热应变时效脆化等。

这些脆化使该区韧性下降，成为接头的薄弱环节，严重影响接头的使用性能。

总体上看，该钢焊接性的主要问题是焊接裂纹敏感性，以及一定的HAZ晶粒粗化、软化，同时也不可忽视HAZ局部脆化。

选用合适的焊接材料和合理的焊接工艺是控制和改善该钢焊接性的重要技术手段。

2 X80管线钢焊接材料选用原则
作为长距离输送石油、天然气用的专用钢管，在输送线上承受着10MPa以上的油气压力、温度变化和腐蚀介质的作用，同时还遭受着所通过地带各种自然与人为因素的影响，使用中可能发生各种意想不到的安全性问题。

因此在管道焊接施工中，除了要求较高的管道接头强度之外，还要求较高的接头低温韧性和优良的焊接性。

合理选择焊接材料显得十分重要。

既然X80管线钢是屈服强度大于550MPa级微合金超细晶粒高强钢，基于上述工况条件，应首先考虑焊缝金属强度匹配方案。

表4列出了焊缝金属强度匹配类型与接头焊接性的一般关系。

可以看出，等强度匹配方式的工艺焊接性不是很好，施工条件要求严格，施工成本较高；虽然接头的抗脆断性能比较优良，但由于HAZ软化区未受到高强焊缝的拘束，不发生三轴拉应力强化效应[5]，无助于降低X80钢HAZ软化的影响。

高强度匹配方式的工艺焊接
性更差，施工条件要求更严格、更复杂，施工成本更高，焊接质量稳定性难以保证；虽然接头的抗脆断性能存在两种不同观点，但由于HAZ软化区受到高强焊缝的拘束，会产生所谓三轴拉应力强化效应[5]，有助于降低X80钢HAZ软化的影响。

低强度匹配方式的工艺焊接性得到改善，施工条件也改善，施工成本降低；虽然接头的抗脆断性能易于改善，但由于HAZ软化区未受到高强焊缝的拘束，不发生三轴拉应力强化效应[5]，亦无助于降低X80钢HAZ软化的影响。

不难看出，为了获得与母材相当的强度和韧性，填充材料的合金化程度不可能比母材低，匹配类型亦排除了低强匹配方式。

X80钢焊接材料的选择倾向于基本遵循“组织类型匹配”原则，即着力使微量元素含量得以科学合理控制，尽可能使焊缝的组织接近母材的组织，保证接头获得最佳的力学性能和焊接性。

X80钢母材组
织以针状铁素体为主，焊缝组织亦应以针状铁素体为主体结构。

同时考虑焊缝与母材的强韧性匹配（含防腐蚀性能），可以采用不同的合金系统，如Mn-Ni-Mo-
Ti-B、Mn-Mo-Ti-B系或Mn-Nb-B-Ti系等。

受焊接冶金特点的控制（焊缝金属
结晶不可能经受TMCP过程），实际获得焊缝组织应是以针状铁素体为主的混合
组织。

针状铁素体含量及铁素体的形态极易受到焊接条件及工艺参数的影响而变化，焊缝的韧性亦随之而变化。

还是要从焊缝的化学成分入手。

为此，论文强调以下几种元素的影响和控制：
表4 焊缝金属强度匹配类型与接头焊接性的关系[6]焊缝强度匹配类型接头实际抗
拉强度工艺焊接性工件预热温度接头抗裂性施工条件及成本接头抗脆断性能高于母材强度预热温度较高存在裂纹倾向施工条件严格，成本较高比较优良高强度
匹配更高于母材强度预热温度高存在裂纹倾向施工条件严格，成本高低强度匹
配略低于母材强度降低 50～70℃ 接头抗裂性提高施工条件改善，成本降低观点Ⅰ：比较差观点Ⅱ：比较好易于改善无助于降低软化的影响有利于降低软化的影响无助于降低软化的影响
C是扩大奥氏体相区元素。

有文献报道，含C量在一定范围内适量增加，使奥氏
体晶界析出的先共析铁素体PF尺寸变小、数量减少，晶内针状铁素体AF数量增多。

C虽然是钢的基本强化元素，但对钢的延性、韧性及焊接性有负面影响。

C的含量一般控制在0.06%以下。

Mn也是扩大奥氏体相区元素，具有降低奥氏体转变温度、增加针状铁素体AF含量、细化晶粒的作用。

有研究发现，焊缝中Mn从0.6%增到0.8%时，可使针状
铁素体AF含量增加，侧板条铁素体SF含量减少；同时，Mn含量较高时，可以
细化针状铁素体AF晶粒。

但Mn含量过高，铁素体被强化，对焊缝韧性不利。

Mn的含量一般控制在1.3%～1.6%之间。

Si是缩小奥氏体相区元素。

Si对焊缝中铁素体形态的影响看法不一。

有的认为，
Si含量的增加会促进针状铁素体AF的形成，而使侧板条铁素体SF含量减少；有的认为，Si对焊缝组织没有明显影响。

Si、Mn同时存在，可作为脱氧剂，随Si、Mn的增加，可使连续冷却时的相变温度逐渐降低，组织细化。

从焊缝性能考虑，Si含量应控制小于0.4%。

Mo是缩小奥氏体相区元素，能降低相变温度，抑制块状铁素体（PF）的形成，促进针状铁素体的转变，并提高Nb的沉淀强化效果。

但是Mo对韧性有害。

Mo 的加入量一般不超过0.4%，可以在0.3%～0.45%之间。

Ni是扩大奥氏体相区元素。

单独加入时对针状铁素体AF形核并无明显影响，当w（Ni）为2.03%～2.91%与 w（Mo）为 0.70%～0.995%联合作用时，对晶界铁素体的抑制作用明显，增加了针状铁素体AF的含量，组织韧性显著提升。

考虑焊缝的低温韧性要求，Ni含量可以控制在 1.2%～1.4%之间。

Cr是缩小奥氏体相区、扩大铁素体相区的铁素体形成元素。

在一定条件下，随着Cr含量的增加，焊缝中AF含量增加。

但有人发现，Cr含量超过0.5%时，随Cr 含量的增加，生成带有第二相的SF而使焊缝的韧性受到不利影响，因此，对于韧性要求较高的管线钢焊缝，Cr的添加量应当谨慎。

Cu具有抗大气腐蚀性能，能细化原奥氏体晶粒尺寸，有固溶强化作用。

Cu含量控制在0.2%～0.3%。

Nb是缩小奥氏体相区元素，是最主要的微合金化元素之一，细化晶粒作用十分明显。

V具有较高的析出强化作用和较弱的晶粒细化作用，在与Nb、V、Ti三种微合金元素复合使用时，V主要在铁素体中以C的析出强化来提高钢的强度。

Ti是缩小奥氏体相区元素。

Ti在焊缝金属中除了脱氧作用外，还作为B元素过渡的保护剂。

Ti的氧化物是较为有效的针状铁素体形核剂。

有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时对改善热影响区冲击韧性作用明显。

B是形成硼化物的主要元素。

B原子在焊接冷却过程中可以快速扩散到奥氏体晶界，形成与奥氏体共格的细小硼相，降低晶界界面能，抑制先共析铁素体的析出，促进晶内针状铁素体AF在硼化物上形核长大。

B单独加入对针状铁素体形核作用较小，必须与Ti联合使用。

因为B的氧化物或氮化物有抑制铁素体在晶界上的形核作用，所以必须用Ti来保护B不在电弧中氧化，同时也防止了B形成氮化物。

过多的
Ti-B会产生上贝氏体。

当B、Ti在最佳含量时，可以获得最多的针状铁素体AF含量。

有文献显示，Ti含量为0.01%～0.025%，B含量为0.0015%～0.005%较为
合适。

Al是缩小奥氏体相区的元素，在焊缝中仅以非金属夹杂物形式存在，具有很强的
脱氧和细化晶粒的作用。

焊缝的硬度和强度随Al含量的增加而增大，而冲击韧性
则减小，考虑焊缝的韧性，Al含量应尽可能低些。

O主要影响夹杂物的尺寸、种类和数量，焊缝中的氧含量一般可以达到百万分之几。

含氧量增大，夹杂物尺寸减小。

当焊缝中含氧量在合理范围时，夹杂物的尺寸适中，针状铁素体AF含量最多。

据此，X80管线钢焊接材料典型化学成分和力学性能分别如表5和表6所示。

表5 X80管线钢焊接材料熔敷金属典型化学成分 %焊接材料实心焊丝埋弧焊丝+
焊剂自保护药芯焊丝w（C）0.058 0.038 0.046 w（Si）0.410 0.302 0.050 w （Mn）1.428 1.849 1.490 w（Mo）0.405 0.228—w（Ni）1.184 1.084 3.680 w（Ti）0.010 0.010—w（B）0.003 2 0.001 2—w（Cu）0.20 0.19—w（Ce）
微量微量w（Al）=0.83 w（P）0.006 0.019 0.010 w（S）0.008 0.007 0.004 w （Fe）余量余量—
表6 X80管线钢焊接材料熔敷金属典型力学性能及显微组织焊接材料显微组织实
心焊丝屈服强度Rel/MPa 590抗拉强度Rm/MPa 680断后伸长率A/%24.0断面收缩率Z/%57.0冲击吸收能量KV/J（-20℃）122.3硬度/HV10 242埋弧焊丝+
焊剂570 680 24.0 55.5 168.5 205自保护药芯焊丝660 700 18.0—102.0 244
针状铁素体为主+少量岛状贝氏体+少量先共析铁素体+极少的M/A组元针状铁素体为主+少量贝氏体+少量块状先共析铁素体—
3 X80管线钢焊接材料的种类及工艺方法
X80管道建设现场施工用的几种焊接工艺方法及所用焊接材料如表7～表9所示。

5种组合焊接工艺方法涉及两大类焊接材料（2种电焊条、3种焊丝），是产品材质、结构特点及工况条件共同决定的。

X80钢管规格有多种，对于大口径、厚壁
管接头常采用单面双V型复合坡口形式，如图2所示。

该坡口张开角度较小、母
材熔合比小、填充量少，焊接变形小，降低劳动强度。

使用自动焊机焊接的坡口更小一些，如图3所示。

管线钢现场施工均为水平固定位（5G），要求单面焊双面
成形，而且要保证反面焊缝不被氧化。

为获得满意的焊接接头，以往的管线施工过程中多采用纤维素型电焊条（或低氢焊条）打底焊+自保护药芯焊丝半自动填充、盖面组合工艺。

除了采用正确的坡口形状和尺寸、选用合理的焊接材料之外，其余的焊接工艺要点是：①选用正确的焊接规范，包括焊接电流、电弧电压、电源极性、焊缝层数、道数等；②选用正确的工件预热温度、焊缝层间温度；③坚持精准的接头装配定位和熟练、高超的焊工操作技术，以及严格的焊后检验制度等。

上述焊接方法工艺的应用取得了较为满意的效果。

但是尚存在不足之处，如表9所示：一
是纤维素焊条打底焊焊缝中氢的问题；二是自保护药芯焊丝填充、盖面后焊缝低温韧性数据离散性问题[7]。

采用熔滴精准控制技术的STT和RMD工艺，具有高效、低氢、低热输入、飞溅小、反面成形好等一系列优点，是获得优质根部焊道的先进技术。

这两种工艺的特点如表10所示。

比较而言，RMD工艺对于油气管线野外
焊接施工适应性更好一些[8]。

虽然采用低氢焊条、金属粉芯焊丝，以及STT、RMD打底技术可以控制焊缝扩散氢，但是自保护药芯焊丝填充、盖面后焊缝低温韧性离散性问题一直是尚待解决的问题。

国产自保护药芯焊丝与国外名牌亦存在差
距，尽快突破关键技术是焊材行业努力的方向。

4 X80管线钢焊接材料的应用
中国石油天然气管道第二、第五工程公司针对西气东输二线工程现场使用的X80
钢管进行了焊接工艺研究[9]。

采用STT半自动根焊+GMAW自动焊填充、盖面焊接方法，在执行表11中实例1所示的焊接工艺要点的同时，强调了STT根部关键焊接技术和GMAW全位置自动焊操作要点，以及焊前坡口准备、保护气体纯度、严格的预热、层间温度控制、低的焊接热输入等工艺条件。

现场施工实践证明，所焊接接头的各项性能指标均符合Q/SYGJX 0110-2007标准。

该工艺应用于西气
东输二线工程管道铺设效果良好，焊口一次合格率为97%，完全满足高质量施工
要求。

表7 X80管道施工用焊接工艺方法类型及填充材料焊接工艺方法类型热焊道材料/直径填充焊道材料/直径盖面焊道材料/直径工艺适应性评价1 E7010-P1/4mm
E9010-P1或E8010-P1/4mm E9018-G/4mm E9018-G/4mm 2 ER70S-6；
ER70S-G/0.9mm ER70S-6；ER70S-G/0.9mm ER70S-6；ER70S-G/0.9mm
ER70S-6；ER70S-G/0.9mm 3 E6010或E7016/4mm E81FNi2/2mm
E81FNi2/2mm E81FNi2/2mm灵活简便、适应性强；管道预热100～150℃，劳动条件差；焊缝扩散氢影响接头性能；纤维素焊条需被低氢焊材取代。

效率高、质量好，劳动条件改善；配套装备成本高、占地面积大；管口质量要求高，抗风能力差，适应性较差。

熔敷效率高，适应性强；但焊缝韧性离散性较大，纤维素焊条打底时焊缝扩散氢影响接头性能，应用受限制。

4 E81T-Ni2/2mm ER70S-G （METALLOY 80Ni）/1.2mm E81T-Ni2/2mm E81T-Ni2/2mm根部焊道质量好，熔敷效率高，适应性强；但焊缝韧性离散性较大，应用受限制。

5纤维素型电焊条打底焊+低氢电焊条填充、盖面组合工艺内或外焊机打底焊+GMAW自动焊填充、盖面组合工艺纤维素型电焊条（或低氢焊条）打底焊+自保护药芯焊丝半自动填充、
盖面组合工艺STT、RMD 打底焊+自保护药芯焊丝半自动填充、盖面组合工艺金
属粉芯药芯焊丝半自动打底焊+自保护药芯焊丝半自动填充、盖面组合工艺MET-ALLOY 80Ni/1.2mm E81T8-Ni2J/2mm E81T8-Ni2J/2mm E81T8-Ni2J/2mm
根部焊道质量好，熔敷效率高，适应性强；打底焊抗风能力差；焊缝韧性离散性较大，应用受限制。

表8 国外X80管线钢典型焊接材料的化学成分w（Ni）/%焊接方法焊接材料w （Mo）/%w（Al）/%打底BOHLER FOX CEL 75（伯乐）打底LB 52U（日本神钢）热焊BOHLER FOX CEL 90（伯乐）热焊BOHLER FOX CEL 85（伯乐）填充BOHLER FOX BVD 90（伯乐）盖面BOHLER FOX BVD 90（伯乐）技术标准（ASW）E7010-P1 E7016 E9010-P1 E8010-P1 E9018-G E9018-G w（C）
/%0.14 0.08 0.17 0.14 0.05 0.05 w（Si）/%0.14 0.64 0.15 0.15 0.30 0.30 w （Mn）/%0.70 0.86 0.90 0.75 1.20 1.20——w（P）/%—0.012 w（S）/%—0.008焊条电弧焊（SMAW）0.8 0.7 2.2 2.2————————熔化极气体保
护焊（GMAW）（打底、热焊、填充、盖面）自保护药芯焊丝电弧焊（FCAW-S）（热焊、填充、盖面）STT（FCAW-G）（打底）RMD（FCAW-G）（打底）气
保护金属药芯焊丝电弧焊（FCAW-G）（打底）BOHLER SG 3P（伯乐）HB-28（赫伯特）ER70S-G ER70S-6 0.06 0.08 0.75 0.80 1.55 1.52 Ti+—————————Fabshield X80（赫伯特） E81T8-Ni2J 0.04 0.02 1.37 2.38 0.011 0.011 0.83—打底BOHLER SG 3P（伯乐） ER70S-G 0.06 0.75 1.55 Ti+ ————MET-ALLOY 80Ni（赫伯特）E80C-Ni1 0.05 0.21 0.86 0.97——0.14—打底MET-ALLOY80Ni（赫伯特）E80C-Ni1 0.05 0.21 0.86 0.97———0.14
表9 国外X80管线钢典型焊接材料的力学性能保护气体焊接方法焊接材料焊条电弧焊（SMAW）打底BOHLER FOX CEL 75（伯乐）打底LB 52U（日本神钢）热焊BOHLER FOX CEL 90（伯乐）热焊BOHLER FOX CEL 85（伯乐）填充
BOHLER FOX BVD 90（伯乐）盖面BOHLER FOX BVD 90（伯乐）技术标准（ASW）E7010-P1 E7016 E9010-P1 E8010-P1 E9018-G E9018-G——抗拉强度Rm/MPa 550 560 650 570 650 650断后伸长率A/%23 30 21 23 27 27熔
化极气体保护焊（GMAW）（打底、热焊、填充、盖面）自保护药芯焊丝电弧焊（FCAW-S）（热焊、填充、盖面）STT（FCAW-G）（打底）RMD（FCAW-G）（打底）气保护金属药芯焊丝电弧焊（FCAW-G）（打底）BOHLER SG 3P（伯乐）ER70S-G HB-28（赫伯特）ER70S-6 M21 C1 C1屈服强度Rel/MPa 480 470 580 490 600 600 670 630 480 720 690 590 29 30 29冲击吸收能量KV/J 65（-20 ℃）80（-30℃）75（-20 ℃）100（-20 ℃）130（-20 ℃）130（-
20 ℃）75（-40 ℃）50（-40 ℃）60（-29 ℃）Fabshield X80（赫伯特）
E81T8-Ni2J —580 650 25 138（-20 ℃）打底BOHLER SG 3P（伯乐） ER70S-G M21 C1 670 630 720 690 29 30 75（-40 ℃）50（-40 ℃）MET-ALLOY
80Ni（赫伯特） E80C-Ni1 M21 510 590 25 76（-46 ℃）打底MET-ALLOY
80Ni（赫伯特）E80C-Ni1 M21 510 590 25 76（-46 ℃）
图2 单面双V型复合坡口示意
图3 管道自动焊坡口示意
在西气东输冀宁支线工程实施“X80管线钢应用工程”项目的过程中，中国石油
天然气管道工程公司与中国管道机械制造公司对X80钢自动焊焊接工艺展开了研
究[10]。

采用GMAW全位置自动焊方法，在执行表11中实例2所示的焊接工艺要点同时，分析X80钢的焊接性，介绍工艺参数及工艺评定试验。

结果表明，不
仅工艺评定结果均为合格，而且经西气东输冀宁管道工程现场7.7 km的X80管
线焊接检验，超声检测一次合格率为97.75%，确认工艺切实可行，完全满足施工要求。

虽然X80管线钢铺设可用的焊接施工方法有多种，可供选用的焊接材料牌号也不
少，但从施工实际出发，优质、高效、自动化是施工方追求的主要目标和方向，优质应当是第一条，焊缝质量必须保证。

从X80管线钢焊接性看，该钢的碳当量Ceq为0.42%～0.44%，存在一定淬硬倾向，还有氢的影响。

对于厚壁管，接头
拘束度增大，经历多层焊热应力作用的根部焊道焊接残余应力数值较高，是焊接裂纹易发部位。

已经注意到，有的焊接方法中（见表7），打底焊道采用了低强匹配的低碳钢实心焊丝（ER70S-G）或电焊条（E7016），正是为了改善 X80钢的焊
接性，防止根部裂纹的发生。

表12所列的两个工程应用实例的焊缝强度匹配不同。

第一例所用大直径 X80 管壁厚从 18.4～33.0mm 变化较大，第二例钢管壁厚只有18.4mm。

前者考虑厚壁焊缝拘束度较大，根部裂纹倾向大，为改善焊接性采用了低强匹配方式。

后者壁厚较薄一点，焊缝拘束度较小，在一定的预热温度、层间温度下，采用高强匹配亦可获得无裂纹的满意焊接接头。

表10 STT和RMD工艺对比STT RM序号1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0双V复合形、V
形C1：φ（CO2）100%1.2现场以实心焊丝为主，亦可金属粉芯各参数单独设置
D双V复合形、V形M21：φ（Ar）80%+φ（CO2）20%1.2现场以金属粉芯为主，亦可实心焊丝焊接专家系统控制项目坡口形式保护气体适用焊丝直径φ/mm
适用焊丝类型参数设置焊丝干伸长L/mm受反馈信号影响电源极性熔滴过渡形态
反面焊缝成形焊接飞溅焊缝氢含量焊接热输入对错边敏感性焊接缺陷适用场合6～10较大直流反接短路过渡良好6～15较大直流反接短路过渡良好11 12 13 14 15 16小低低小低低对较大错边敏感发现焊趾冷搭接缺陷固定地点，薄板适应性更强
未发现焊趾冷搭接缺陷野外各种壁厚管线焊接
表11 X80钢管对接接头焊接工艺要点实例号/文献号焊接方法坡口形状，壁厚打底热焊填充，盖面焊接材料牌号（AWS）/直径焊接电流I/A电弧电压U/V
1/[9]STT打底+GMAW填充、盖面单面双V形复合坡口，18.4～33mm JM58（ER70S-G）/1.2mm DW-60（E61TI-Ni1）/1.2mm DW-60（E61TI-Ni1）。