近年来，随着全球经济社会的快速发展，能源消费日益增加，污染随之增大，二氧化碳排放量增加，温室效应加剧，能源问题已成为制约各国经济和社会发展的重因素。煤、石油和天然气作为三大主要化石能源在国民经济中占据主要地位，但天然气的二氧化碳排放量有别于煤和石油，其单位值排放量是最低的。因此提高天然气在三大能源中的比重，对于节能减排，发展低碳经济具有重要作用[1]。压缩机在天然气开采设备中占据重要地位。公司承担的某压缩机机组输气管道采用Q345E无缝钢管。Q345E钢管焊接质量的好坏直接关系到压缩机的正常运行。本文采用钨极氩弧焊打底和手工电弧焊填充和盖面的焊接方式，对Φ89×8mm的Q345E无缝钢管进行焊接工艺试验、探伤试验、拉伸试验、冲击试验、弯曲试验和显微组织分析等试验，研究了Q345E无缝钢管焊接接头的工艺和力学性能，为Q345E无缝钢管现场焊接提供参考依据。1 Q345E无缝钢管及焊接性分析1.1 Q345E无缝钢管成分和性能Q345E为低合金高强钢，属于GB/T 6479-2013《高压化肥设备用无缝钢管》中的钢种，它是在16Mn系列合金钢的基础上添加了一些钒钛铌等细化晶粒的微量元素，并严格控制P和S元素，以提高低温冲击韧性和降低裂纹倾向。本次试验采用的Q345E无缝钢管供货状态为正火，组织为带状分布的铁素体和珠光体。Q345E无缝钢管化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。表1   Q345E无缝钢管化学成分（质量分数，%）? 表2   Q345E无缝钢管力学性能? 1.2 Q345E无缝钢管焊接性分析依据国际焊接协会碳当量Ceq公式(1)对规格Φ89×8mm的Q345E无缝钢管计算，其Ceq为0.403，大于0.400，有一定的淬硬倾向，但焊接性尚好。同时考虑到薄壁管道焊接，控制好焊接热输入能防止淬硬的马氏体组织产生。当焊接热输入过大时，会使焊缝及热影响区高温停留增加，热循环的作用下，热影响区的晶粒将会粗化长大，形成粗大的铁素体，甚至出现魏氏组织，对冲击韧性不利。当热输入过小时，钢管焊接冷却过快，会在热影响区出现淬硬的马氏体组织，在焊接残余应力和焊缝扩散氢的作用下，会产生冷裂纹[2][3]。同时为了进一步提高焊接接头的抗裂性能，在焊接材料的选取上选用氧化性小的碱性焊接材料，以此来降低焊接接头焊缝的扩散氢含量，减小裂纹出现的概率。因此选择合适的焊接材料和制定合理的焊接工艺参数可以有效防止裂纹的产生。2 焊接过程2.1 试验母材和坡口试验母材为4件长度150mm的Φ89×8mm钢管管段，钢管材质为Q345E无缝

钢管。两件管段的管端对接，对接间隙为3mm，钝边为1mm，对接坡口为V形，角度为60°，对接管端截面坡口形状如图1所示。图1  钢管对接坡口形状2.2 试验焊材和设备

试验焊材为国内某焊材厂的ER55-Ni1型钨极氩弧焊丝（Φ=2.5mm）和低氢碱性E5018-1型焊条（Φ=3.2mm）。焊条焊前需要在350℃保温2h烘干，然后放在焊条筒中随用随取。试验设备为ZX7-400IGBT-Ⅱ型逆变式直流弧焊机和99.99%。2.3 焊接方法为了保证焊接接头具有良好的成型，采用钨极氩弧焊丝打底，电流种类及极性为直流正接。为了提高焊接效率，采用手工电焊条填充和盖面，电流种类及极性为直流反接。2.4 焊前预热、热处理和道间温度Q345E无缝钢管本身具有较高的低温冲击韧性，S和P含量较低，焊接性能优于一般的低合金高强钢。其壁厚小于19mm，焊前可以不用预热，焊后也可不进行消除应力的热处理。焊接过程中要严格控制道间温度，防止焊接接头过热和晶粒长大。本次试验中道间温度不高于250℃。

2.5 焊接工艺参数Q345E无缝钢管打底焊工艺参数为焊接电流100～140A，焊接电压10～15V，焊接速度6～8cm/min，氩气保护气体10～15L/min；填充和盖面焊接工艺参数为焊接电流100～120A，焊接电压19～23V，焊接速度8～12cm/min。2.6 焊接技术要求

(1)钢管管段切割及坡口加工必须采用机械加工的方法，严禁使用火焰切割。焊前

用砂轮机或钢丝刷清除坡口内外两侧30mm范围内的水分、铁锈、油污、沙土等杂质，焊接过程中清除焊缝层间的焊渣、咬边等缺陷[4]。2)钨极氩弧焊焊接时风速不能超过2m/s，焊条不能超过8m/s；雨雪天、空气相对湿度低于90%时禁止施焊；当环境气温低于0℃时，需要将坡口钢管两侧100mm范围内预热到15℃以上。3)正式焊前要对定位焊表面进行检查，不允许存在裂纹缺陷，并清除焊点表面氧化物，定位焊焊缝两端宜磨成缓坡形，以避免正式焊接时产生未熔合缺陷。正式焊时，起焊点在两定位焊焊缝之间。

(4)钨极氩弧焊在打底焊接时，应尽量避免停弧，以减少焊接“冷接头”次数，提高焊接质量。(5)焊条运行过程中尽量使焊条与焊道夹角在85°～90°，使熔池得到有效的保护。

3 试验结果与分析

3.1 焊接接头外观检查

焊接试件焊接后按照NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》进行外观检查。

焊接接头焊缝成形美观，没有出现未焊透、未熔合、气孔、粘渣和裂纹缺陷。焊缝

余高最高处为1.7mm，符合GB/T 20801.5-2006《压力管道规范工业管道第5部分：检验和试验》中规定不大于3.0mm的要求。3.2 焊接接头无损检测按照NB/T 47013-2015《承压设备无损检测》对焊接接头进行100%射线探伤试验。沿着焊缝圆周方向120°垂直透照一张照片，共3张；2条焊缝总共6张照片均为Ⅰ级，满足GB/T 20801.5-2006中规定不低于Ⅱ级的要求。3.3 显微组织分析依据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》，焊接接头焊缝金属显微组织在OLYMPUS GX-71F金相显微镜上观察如图2所示，浸蚀液为4%硝酸酒精溶液，其中白色部位区域为铁素体，黑色部位区域为珠光体。从图2(a)中可以看出，焊缝组织为块状铁素体，少量针状铁素体和珠光体。从图2(b)热影响区中可以看出，组织主要为铁素体和珠光体，没有发现淬硬的马氏体组织，可以判定在此焊接工艺参数下，焊接接头淬硬倾向小，说明制定的焊接工艺参数比较合理。图2  焊接接头显微组织3.4 力学性能分析3.4.1 拉伸试验结果依据NB/T 47014-2011对焊接接头截取2个横向拉伸试样，试样横截面尺寸宽度分别为20.08mm、20.05mm；厚度分别为7.13mm、7.10mm。按照GB/T 228-2010《金属材料拉伸试验》，室温拉伸试验在SHT4605型60 t微机控制电液伺服万能试验机上进行，结果见表3。从表3中可以看出，焊接接头的抗拉强度符合NB/T 47014-2011中规定要求。表3   拉伸试验? 3.4.2 弯曲试验结果依据NB/T 47014-2011对焊接接头截取2个面弯试样和2个背弯试样，按照

2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》，弯曲试验在SHT4605型60 t微机控制电液伺服万能试验机上进行，结果见表4。从表4中可以看出，在弯曲面上均

无裂纹，焊缝具有良好的塑韧性，说明选用的焊接材料和制定的焊接工艺适合Q345E无缝钢管的焊接。表4   弯曲试验? 

3.4.3 冲击试验结果依据NB/T 47014-2011对焊接接头截取6个冲击试样，冲击试样尺寸为5mm×10mm×55mm，开V 型坡口，坡口角度为4 5°，深度为2.00±0.05mm，其中3个坡口位于焊缝，3个位于热影响区。按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，在ZBC2302-C摆锤式冲击试验机上进行冲击试验，结果

见表5（试验结果转化为标准试样值）。从表5中可以看出，-40℃焊缝和热影响区冲击吸收能量满足规定（≥40J）的要求，且余量较大。表5   冲击试验? 4 结论(1)Φ89×8mm的Q345E无缝钢管焊接接头焊缝成形美观，没有出现未焊透、未熔合、气孔、粘渣和裂纹缺陷，焊缝余高符合GB/T 20801.5-2006中规定不大于3.0mm的要求。

(2)Φ89×8mm的Q345E无缝钢管焊接接头100%RT检测结果为Ⅰ级，符合GB/T 20801.5-2006中规定要求。

(3)焊接接头抗拉强度525MPa以上，-40℃焊缝和热影响区冲击吸收能量达到160J以上，面弯和背弯试验合格，满足NB/T 47014-2011中规定要求；说明选择的焊接材料和制定的焊接工艺参数是合理可行的。