海洋平台AISI 4130管线的焊接
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如果 AISI 4130 管道直接与泥浆泵连接，配管后 应保证设备在无应力状态下运转，若因配管对泥浆泵 产生超出范围 的 应 力，将 会 对 设 备 运 转 产 生 不 良 影 响，严重可 导 致 设 备 受 到 损 坏。 另 外，高 压 法 兰 对 于 密封面处的安装精度有严格要求，偏差过大将直接影 响密封寿命。因此，与泥浆泵出口连接的管道以及与 高压法兰连接处的管道，应该尽量考虑降低连接处的 应力和尺 寸 偏 差。由 于 AISI 4130 管 道 一 般 厚 度 较 大，焊接层数和道数多，同时径厚比很小，焊接过程中 如不加以控制就会产生较大的翘曲变形，因此需要采 取正确的安装和焊接顺序，并充分考虑热处理工艺的 影响。
B31． 3，但在 ASME B31． 3 与 ASME BPV IX 的材料列 表中并 不 包 含 该 种 材 料。海 洋 平 台 上 使 用 的 AISI 4130 管线通常是在 ASTM A519 规范的基础上附加要 求使用，在 AWS 规范［1］中 ASTM A519 Gr． 4130 的材 料分类为 P － No． 11B，组号 9，属于超高强度中碳低合 金钢，供货状态通常为调质。ASTM 规范［2］规定的化 学成分范围与机械性能要求见表 1 和表 2。
焊接时使用的主要焊接参数如表 3 所示。
表 3 主要焊接工艺参数
焊接
焊材
焊层
方法
牌号
电流 电压 线能量 / 气体流量 /
/A
/V （ kJ·cm － 1） （ L·min － 1）
Leabharlann Baidu
根部 GTAW OK Tigrod 13. 26 134 ～ 136 11 ～ 13 填充 SMAW Filarc 118 110 ～ 130 19 ～ 22 盖面 SMAW Filarc 118 110 ～ 120 19 ～ 22
Welding of AISI 4130 Steel Piping for Offshore
SHI Qun-chao
（ Yantai CIMC Raffles Offshore Limited，Yantai 264012，China）
Abstract： The high pressure piping in offshore drilling systems always needs to use AISI 4130 or similar materials to meet relevant requirements． This type of piping lines work in adverse conditions and are strict with welding quality． Based on the analysis of welding properties of AISI 4130，through welding tests，and combined with the actual production capacity of the factory，a targeted AISI 4130 piping welding process and a PWHT process are worked out and summarized，including： welding process parameters，PWHT process parameters，weld welding sequences，welding repair process，by conducting some practical operational details and dealing with matters worth attention． By using this process，the requirement for welding under specific operating conditions has been fulfilled，and the practical experience in the construction of AISI 4130 steel piping has also been accumulated． Key words： offshore； AISI 4130； welding； PWHT
2012 年 第3 期
Pipeline Technique and Equipment
2012 No. 3
海洋平台 AISI 4130 管线的焊接
时群超
（ 烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264012）
摘要： 海洋平台钻井系统中的高压管线一般需要采用 AISI 4130 或与其类似的材料才能满足使用 要求，该类管线工作于恶劣工况中，焊接质量要求严格。通过对该种管线材料焊接性的分析和焊接试 验，并结合现场实际情况，制订了有针对性的工艺技术措施，包括焊接工艺参数、热处理工艺参数、焊接 顺序要求、焊接返修要点，提供了实用的操作细节和使用注意事项。使用该工艺，特殊条件下的焊接要 求得到了满足，为 AISI 4130 管线的焊接施工积累了实用的经验。 关键词： 海洋平台； AISI 4130； 焊接； 热处理 中图分类号： TG457 文献标识码： B 文章编号： 1004 － 9614（ 2012） 03 － 0045 － 03
由于需要大量的现场焊接，为保证较高的灵活度 和效率，选 用 的 焊 接 方 法 为 使 用 GTAW 打 底，使 用 SMAW 填充和盖面。焊接坡口选用单面 V 形坡口，坡 口角度（ 60 ± 5） °，坡口间隙 1 ～ 3 mm，钝边 0 ～ 1 mm．
装配时，定 位 焊 的 方 式 需 要 注 意，定 位 焊 焊 缝 应 足够 并 均 匀 分 布，定 位 焊 推 荐 使 用 搭 桥 定 位，尽 量 避 免使用根部定位，焊接方法使用 GTAW，焊接工艺与正 式焊接工艺相同，同时预热温度应高于正式焊接工艺 50 ℃ ．
在制定焊接工艺时，最终完成后的焊接接头的性 能也应该满足以上最低机械性能要求，特别是热处理 态下的性能，这包括屈服强度和抗拉强度、冲击韧性、 硬 度 等 要 求，为 了 给 焊 接 施 工 留 有 足 够 的 工 艺 裕 度， 设计工艺时还需要提高机械性能的目标要求。
该类材料碳含量与合金含量较高，由标准规定的 化学成分计算可得该类材料的碳当量 CE 为 0. 56 ～ 0. 76，裂纹敏感指数 Pcm 为 0. 36 ～ 0. 44，冷裂敏感性 较高，因此设计工艺时应考虑保证焊接接头具有一定 的抵 抗 裂 纹 扩 展 的 能 力，特 别 是 根 焊 部 位，在 焊 接 时 就承受较大的应力，应特别予以关注。根据高压管道 的服役环境，还 必 须 保 证 其 抗 硫 化 物 应 力 腐 蚀 断 裂 （ SSC） 与应力腐蚀裂纹（ SCC） 的能力［4］，因此对焊道 中 Ni、S、P 的含量要求应严格限定。 2 基本焊接参数
表 2 ASTM A519 Gr． 4130 的机械性能
钢级
状态
ASTM A519 Gr． 4130 调质
抗拉强度 / MPa 724
屈服强度 / MPa 586
伸长率 /% 20
46
Pipeline Technique and Equipment
May. 2012
根据海洋平台建造规范要求，需要附加冲击韧性 要求，由于所建造的平台中有 3 座深水半潜式平台需 要满足世界海洋装备最高标准 NORSOK 规范的要求， 所以制定工艺时附加的冲击韧性要求定为 － 30 ℃ 下 最小 42 J［3］。根据 NACE 规范，在材料硬度方面附加 要求为最高 22HR［4］。
焊接材料选 用 瑞 典 Esab 的 OK Tigrod 13. 26 和 Filarc 118，对应的 AWS 等级分 别 为 ER80S － Ni1 和 E11018 － M，GTAW 的焊接保护气体采用纯氩。为获 得较 好 的 根 部 质 量，根 部 焊 道 焊 接 时，可 考 虑 在 管 道 内部充氩保护。
0 引言 钻井装置是海洋石油平台的核心装置，对于高端
钻井装置，与泥浆 / 水泥 / 节流 / 压井 / 井控等系统有关 的某些高压管道一般需要采用 AISI 4130 或与其类似 的材质才能满足使用要求。该类管线主要用于高压 泥浆 和 水 泥 的 输 送，位 于 平 台 的 中 心 区 域，设 计 压 力 最低为 52 MPa，其中过半管道达到 103 MPa，运行过程 中有可能承受周期性动载荷并承受水锤冲击，输送介 质具有腐蚀性，所建造的部分平台因将工作于挪威海 域，因此设计工作温度最低为 － 20 ℃ ． 管线的焊接与 检验需按照船级社规范的最高要求执行，同时还需满 足包括 API、ASME、NORSOK、NACE 等标准在内的多 项行业标准的要求。
表 1 ASTM A519 Gr． 4130 的化学成分范围 %
钢级
C
Mn
Cr
ASTM A519 Gr． 4130 0. 28 ～ 0. 33 0. 40 ～ 0. 60 0. 80 ～ 1. 10
钢级
Mo
P
S
Si
ASTM A519 Gr． 4130 0. 15 ～ 0. 25 ≤0. 04 ≤0. 04 0. 15 ～ 0. 35
由于该类管线重要性，对焊接工艺和施工管理进 行了 全 面 的 思 考，制 订 了 专 用 的 焊 接 施 工 方 案，并 在 实际建造中取得了较好的效果。
收稿日期： 2011 － 08 － 17 收修改稿日期： 2011 － 12 － 22
1 AISI 4130 焊接性分析 AISI 4130 管线所在系统的设计规范采用 ASME
11 ～ 23 11 ～ 26 7 ～ 15
9 ～ 15
3 焊接热过程控制 在焊接材料和基本的焊接参数确定之后，对接头
的力学性能影响最大的主要是其经历的热过程。一 般在焊接中碳 调 质 钢 时，使 用 较 高 的 预 热 和 层 间 温 度，焊后再进行调质处理是比较理想的工艺路线，但 由于海洋平台建造的施工条件限制，AISI 4130 管线必 须在调质态下焊接，焊后无法实施调质处理。为满足 对焊 接 接 头 强 度、硬 度 和 低 温 韧 性 的 较 高 要 求，必 须 对焊接接头所经历的热过程进行合理控制。根据所 设计 的 焊 接 工 艺，在 整 个 的 制 造 过 程 中，将 对 接 头 施 加如下热过程： 预热、多道焊接的热循环、后热（ 如果 需要） 、焊后热处理。
由于材料的裂纹倾向较大，焊接中必须使用较高 的预热和层间温度，温度不应低于 150 ℃ ，随着壁厚 的增加或拘束的增强，应将预热温度提高到 230 ℃ 以 上。
在焊接完成 之 后，应 马 上 进 行 焊 后 热 处 理，消 除 焊接接头处的应力，同时优化焊缝与热影响区处的组 织。焊后热处理温度 650 ～ 670 ℃ ，保温时间至少 1. 5 h． 如焊接完成后不能马上进行热处理，应进行后热处 理，后热温度为 400 ℃ 左右，保温时间 1 h 左右，处理 范围与焊后热 处 理 要 求 相 同，然 后 再 降 温 至 环 境 温 度。这样残留的奥氏体将会转变为贝氏体，其延展性 比马氏体要好，在焊缝被冷却至室温时裂纹发生几率 将大为降低，其后的热处理主要用于优化焊缝的微观 结构和性能［5］。 4 焊接应力控制
在焊接时，如 果 一 条 管 线 上 有 多 道 焊 口，除 了 在 焊接和热处理时保证每道焊口较小的变形量外，必须 保证在各个方向留有足够的变形余量，这样在焊至最
第3 期
时群超： 海洋平台 AISI 4130 管线的焊接
47
后一道焊口时，可保证较大的工艺裕度。最后一道焊 口的装配与焊接应尽量留在离法兰最近的位置，并在 此之前将其他焊口热处理完毕。这样，基本只有最后 一道焊口焊接对尺寸有影响，可最大程度减小焊接和 热处理所导致的变形影响。
在进行法兰附近焊口的焊接与热处理时，应先将 需控制应力处的法兰用符合规范标准的螺栓连接，所 有法兰紧固螺栓都应顺利地垂直通过法兰螺栓孔，以 保证法兰接触面的密合。接口法兰紧固在设备法兰 上后，再 进 行 管 件 或 管 道 组 合 件 的 定 位 焊，定 位 焊 要 求牢固，以防止焊接过程中产生变形。这样既能有效 地调整法兰不平行度的偏差，又能防止接口法兰的平 行偏 差、径 向 位 移 及 间 距 超 标，较 好 的 控 制 配 管 产 生 的应力。 5 焊接返修工艺
B31． 3，但在 ASME B31． 3 与 ASME BPV IX 的材料列 表中并 不 包 含 该 种 材 料。海 洋 平 台 上 使 用 的 AISI 4130 管线通常是在 ASTM A519 规范的基础上附加要 求使用，在 AWS 规范［1］中 ASTM A519 Gr． 4130 的材 料分类为 P － No． 11B，组号 9，属于超高强度中碳低合 金钢，供货状态通常为调质。ASTM 规范［2］规定的化 学成分范围与机械性能要求见表 1 和表 2。
焊接时使用的主要焊接参数如表 3 所示。
表 3 主要焊接工艺参数
焊接
焊材
焊层
方法
牌号
电流 电压 线能量 / 气体流量 /
/A
/V （ kJ·cm － 1） （ L·min － 1）
Leabharlann Baidu
根部 GTAW OK Tigrod 13. 26 134 ～ 136 11 ～ 13 填充 SMAW Filarc 118 110 ～ 130 19 ～ 22 盖面 SMAW Filarc 118 110 ～ 120 19 ～ 22
Welding of AISI 4130 Steel Piping for Offshore
SHI Qun-chao
（ Yantai CIMC Raffles Offshore Limited，Yantai 264012，China）
Abstract： The high pressure piping in offshore drilling systems always needs to use AISI 4130 or similar materials to meet relevant requirements． This type of piping lines work in adverse conditions and are strict with welding quality． Based on the analysis of welding properties of AISI 4130，through welding tests，and combined with the actual production capacity of the factory，a targeted AISI 4130 piping welding process and a PWHT process are worked out and summarized，including： welding process parameters，PWHT process parameters，weld welding sequences，welding repair process，by conducting some practical operational details and dealing with matters worth attention． By using this process，the requirement for welding under specific operating conditions has been fulfilled，and the practical experience in the construction of AISI 4130 steel piping has also been accumulated． Key words： offshore； AISI 4130； welding； PWHT
2012 年 第3 期
Pipeline Technique and Equipment
2012 No. 3
海洋平台 AISI 4130 管线的焊接
时群超
（ 烟台中集来福士海洋工程有限公司，山东烟台 264012）
摘要： 海洋平台钻井系统中的高压管线一般需要采用 AISI 4130 或与其类似的材料才能满足使用 要求，该类管线工作于恶劣工况中，焊接质量要求严格。通过对该种管线材料焊接性的分析和焊接试 验，并结合现场实际情况，制订了有针对性的工艺技术措施，包括焊接工艺参数、热处理工艺参数、焊接 顺序要求、焊接返修要点，提供了实用的操作细节和使用注意事项。使用该工艺，特殊条件下的焊接要 求得到了满足，为 AISI 4130 管线的焊接施工积累了实用的经验。 关键词： 海洋平台； AISI 4130； 焊接； 热处理 中图分类号： TG457 文献标识码： B 文章编号： 1004 － 9614（ 2012） 03 － 0045 － 03
由于需要大量的现场焊接，为保证较高的灵活度 和效率，选 用 的 焊 接 方 法 为 使 用 GTAW 打 底，使 用 SMAW 填充和盖面。焊接坡口选用单面 V 形坡口，坡 口角度（ 60 ± 5） °，坡口间隙 1 ～ 3 mm，钝边 0 ～ 1 mm．
装配时，定 位 焊 的 方 式 需 要 注 意，定 位 焊 焊 缝 应 足够 并 均 匀 分 布，定 位 焊 推 荐 使 用 搭 桥 定 位，尽 量 避 免使用根部定位，焊接方法使用 GTAW，焊接工艺与正 式焊接工艺相同，同时预热温度应高于正式焊接工艺 50 ℃ ．
在制定焊接工艺时，最终完成后的焊接接头的性 能也应该满足以上最低机械性能要求，特别是热处理 态下的性能，这包括屈服强度和抗拉强度、冲击韧性、 硬 度 等 要 求，为 了 给 焊 接 施 工 留 有 足 够 的 工 艺 裕 度， 设计工艺时还需要提高机械性能的目标要求。
该类材料碳含量与合金含量较高，由标准规定的 化学成分计算可得该类材料的碳当量 CE 为 0. 56 ～ 0. 76，裂纹敏感指数 Pcm 为 0. 36 ～ 0. 44，冷裂敏感性 较高，因此设计工艺时应考虑保证焊接接头具有一定 的抵 抗 裂 纹 扩 展 的 能 力，特 别 是 根 焊 部 位，在 焊 接 时 就承受较大的应力，应特别予以关注。根据高压管道 的服役环境，还 必 须 保 证 其 抗 硫 化 物 应 力 腐 蚀 断 裂 （ SSC） 与应力腐蚀裂纹（ SCC） 的能力［4］，因此对焊道 中 Ni、S、P 的含量要求应严格限定。 2 基本焊接参数
表 2 ASTM A519 Gr． 4130 的机械性能
钢级
状态
ASTM A519 Gr． 4130 调质
抗拉强度 / MPa 724
屈服强度 / MPa 586
伸长率 /% 20
46
Pipeline Technique and Equipment
May. 2012
根据海洋平台建造规范要求，需要附加冲击韧性 要求，由于所建造的平台中有 3 座深水半潜式平台需 要满足世界海洋装备最高标准 NORSOK 规范的要求， 所以制定工艺时附加的冲击韧性要求定为 － 30 ℃ 下 最小 42 J［3］。根据 NACE 规范，在材料硬度方面附加 要求为最高 22HR［4］。
焊接材料选 用 瑞 典 Esab 的 OK Tigrod 13. 26 和 Filarc 118，对应的 AWS 等级分 别 为 ER80S － Ni1 和 E11018 － M，GTAW 的焊接保护气体采用纯氩。为获 得较 好 的 根 部 质 量，根 部 焊 道 焊 接 时，可 考 虑 在 管 道 内部充氩保护。
0 引言 钻井装置是海洋石油平台的核心装置，对于高端
钻井装置，与泥浆 / 水泥 / 节流 / 压井 / 井控等系统有关 的某些高压管道一般需要采用 AISI 4130 或与其类似 的材质才能满足使用要求。该类管线主要用于高压 泥浆 和 水 泥 的 输 送，位 于 平 台 的 中 心 区 域，设 计 压 力 最低为 52 MPa，其中过半管道达到 103 MPa，运行过程 中有可能承受周期性动载荷并承受水锤冲击，输送介 质具有腐蚀性，所建造的部分平台因将工作于挪威海 域，因此设计工作温度最低为 － 20 ℃ ． 管线的焊接与 检验需按照船级社规范的最高要求执行，同时还需满 足包括 API、ASME、NORSOK、NACE 等标准在内的多 项行业标准的要求。
表 1 ASTM A519 Gr． 4130 的化学成分范围 %
钢级
C
Mn
Cr
ASTM A519 Gr． 4130 0. 28 ～ 0. 33 0. 40 ～ 0. 60 0. 80 ～ 1. 10
钢级
Mo
P
S
Si
ASTM A519 Gr． 4130 0. 15 ～ 0. 25 ≤0. 04 ≤0. 04 0. 15 ～ 0. 35
由于该类管线重要性，对焊接工艺和施工管理进 行了 全 面 的 思 考，制 订 了 专 用 的 焊 接 施 工 方 案，并 在 实际建造中取得了较好的效果。
收稿日期： 2011 － 08 － 17 收修改稿日期： 2011 － 12 － 22
1 AISI 4130 焊接性分析 AISI 4130 管线所在系统的设计规范采用 ASME
11 ～ 23 11 ～ 26 7 ～ 15
9 ～ 15
3 焊接热过程控制 在焊接材料和基本的焊接参数确定之后，对接头
的力学性能影响最大的主要是其经历的热过程。一 般在焊接中碳 调 质 钢 时，使 用 较 高 的 预 热 和 层 间 温 度，焊后再进行调质处理是比较理想的工艺路线，但 由于海洋平台建造的施工条件限制，AISI 4130 管线必 须在调质态下焊接，焊后无法实施调质处理。为满足 对焊 接 接 头 强 度、硬 度 和 低 温 韧 性 的 较 高 要 求，必 须 对焊接接头所经历的热过程进行合理控制。根据所 设计 的 焊 接 工 艺，在 整 个 的 制 造 过 程 中，将 对 接 头 施 加如下热过程： 预热、多道焊接的热循环、后热（ 如果 需要） 、焊后热处理。
由于材料的裂纹倾向较大，焊接中必须使用较高 的预热和层间温度，温度不应低于 150 ℃ ，随着壁厚 的增加或拘束的增强，应将预热温度提高到 230 ℃ 以 上。
在焊接完成 之 后，应 马 上 进 行 焊 后 热 处 理，消 除 焊接接头处的应力，同时优化焊缝与热影响区处的组 织。焊后热处理温度 650 ～ 670 ℃ ，保温时间至少 1. 5 h． 如焊接完成后不能马上进行热处理，应进行后热处 理，后热温度为 400 ℃ 左右，保温时间 1 h 左右，处理 范围与焊后热 处 理 要 求 相 同，然 后 再 降 温 至 环 境 温 度。这样残留的奥氏体将会转变为贝氏体，其延展性 比马氏体要好，在焊缝被冷却至室温时裂纹发生几率 将大为降低，其后的热处理主要用于优化焊缝的微观 结构和性能［5］。 4 焊接应力控制
在焊接时，如 果 一 条 管 线 上 有 多 道 焊 口，除 了 在 焊接和热处理时保证每道焊口较小的变形量外，必须 保证在各个方向留有足够的变形余量，这样在焊至最
第3 期
时群超： 海洋平台 AISI 4130 管线的焊接
47
后一道焊口时，可保证较大的工艺裕度。最后一道焊 口的装配与焊接应尽量留在离法兰最近的位置，并在 此之前将其他焊口热处理完毕。这样，基本只有最后 一道焊口焊接对尺寸有影响，可最大程度减小焊接和 热处理所导致的变形影响。
在进行法兰附近焊口的焊接与热处理时，应先将 需控制应力处的法兰用符合规范标准的螺栓连接，所 有法兰紧固螺栓都应顺利地垂直通过法兰螺栓孔，以 保证法兰接触面的密合。接口法兰紧固在设备法兰 上后，再 进 行 管 件 或 管 道 组 合 件 的 定 位 焊，定 位 焊 要 求牢固，以防止焊接过程中产生变形。这样既能有效 地调整法兰不平行度的偏差，又能防止接口法兰的平 行偏 差、径 向 位 移 及 间 距 超 标，较 好 的 控 制 配 管 产 生 的应力。 5 焊接返修工艺