浅析石油钻采制造中国标碳钢材料在美国钢结构焊接规范中的对应性问题

李彦军,王一飞,王志勇,张兴胜,石鹏举,周永红,曹琦

（兰州兰石石油装备工程股份有限公司，甘肃兰州 730000）

摘要：AWS D1.1/D1.1M（美国钢结构焊接规范）[1]为石油钻采设备金属结构件焊接规范基于ASTM（美国材料与试验协会）系列材料，而国内市场主要为国标系列材料，本文结合石油钻采设备常用碳钢材料，从材料化学成分、性能、焊接性等方面出发，实现国标材料与ASTM材料的直接对照，另从等强匹配焊材间接对照两类材料的焊接性，旨在将常用国标碳钢材料与ASTM材料形成可靠对照，以指导现场实际应用。

关键词：规范，母材，焊材，强度，焊接性

根据 API（美国石油协会）规范要求，石油钻采设备焊接过程须符合AWS D1.1/D1.1M规范要求，当前第24版规范AWS D1.1/D1.1M:2020由ANSI（美国标准化协会）于2019年12月9日发布实施。结合常用碳钢材料，为解决AWS D1.1/D1.1M规范材料与国内市场材料不对应造成的矛盾点，尤其以异种母材焊接评定覆盖问题为主，结合中美两国矿产资源差异性的实际情况，从化学成分、力学性能、焊接性参数指标理论计算等方面进行材料说明对照，以期望对该规范在行业中的可实施性起到一定的参考作用，本文AWS D1.1/D1.1M规范均为AWS D1.1/D1.1M:2020，下文简称规范。

1 引言

1.1 规范的母材分组

规范中表5.3将ASTM材料分为I～IV组，四组材料可依据抗拉强度、屈服强度进行区分，I组～IV组材料强度级别增加，如表1。同时，规范附录T、U为焊材相关规范及性能。

表1 材料分组

I组	ReH＜355MPa	Rm＜450MPa
II组	355MPa≤ReH＜390MPa	450MPa≤Rm＜490MPa
III组	390MPa≤ReH＜460MPa	490MPa≤Rm＜550MPa
IV组	ReH≥485MPa	Rm ≥585MPa

1.2 母材、焊材匹配性

规范第4章焊缝设计表4.3或表10.2（管结构）母材、焊材的选择，以焊缝许用应力大小为基础，兼顾焊缝形式与焊缝有效面积，推荐母材、焊材为等强匹配或低强匹配，其定义可规范5.6.1款。另根据规范表5.3注解1，不同组母材接头中，焊材可使用高强母材匹配的焊材或低强母材匹配的低氢型焊材。

1.3 焊前预热温度影响因素及方式确定

通过焊前预热控制焊缝金属及邻近母材的冷却速度，以降低冷裂纹倾向，关于冷裂纹倾向影响因素包含：热影响区硬度、氢含量等因素，这些主要影响因素的控制方法，适用于不同形式的焊缝。根据规范附录H，焊前预热量取决于环境温度、电弧热（线能量）、接头热散失（厚度有关）、钢化学成分（焊接性）、熔敷金属氢含量（低氢焊条）、接头拘束度。

2 异种母材WPS覆盖问题

规范第6.8.3条要求：按规范表5.3所列分组的母材，各组别PQR（焊接评定报告）所能覆盖的WPS（焊接工艺）母材应符合规范表6.8所列的情况。根据表不同PQR覆盖的情况，结合规范附录H焊前预热方式选择要素看，I～II组材料强度较低，焊接性好，该两组材料无严格的预热规定并允许广泛覆盖；III～IV组材料与规范中表6.9高强度材料，碳当量增加，材料淬硬性增强，焊接性变差，规范对其PQR覆盖范围、预热要求、扩散氢含量控制等方面均有较严格的规定。

对于高强度材料的PQR覆盖该材料与低强度材料异种WPS的问题，如不将GB系列材料与ASTM系列材料进行对照分组，对于高、低强度国标系列异种母材的焊接，其焊接工艺评定体量将极其巨大，直接影响焊接评定工作的开展实施。另外，焊材产品与美标AWS A5系列规范均有明确的牌号对应，并取得ABS（美国船级社）、CCS（中国船级社）认证，而母材对照性不足造成AWS D1.1/D1.1M可实施性的不足。对此，将GB系列材料与ASTM系列材料有效对照，并依据规范表5.3划分组别，以较好解决不同强度异种母材的PQR覆盖问题是十分必要的。

3 GB系列、ASTM系列材料对照

本文基于钻采设备产品常用碳钢材料进行材料对照，借助参照中外金属材料手册工具书[15]，主要从化学成分、力学性能和焊接性指标计算方面进行直接对照分析说明GB系列与ASTM系列材料的宏观性能、淬硬性、焊接性，从等强匹配焊材执行标准及强度级别方面对照以间接对照材料焊接性。通过直接与间接两种方法，将GB系列与ASTM系列材料合理对应，并依据规范表5.3分组，方便解决异种母材焊材匹配及PQR覆盖问题，为合理利用规范免除评定章节提供可靠依据。

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3.1 化学成分

化学成分对照是一种基本的材料对照方法，化学成分是材料工艺性能、使用性能的内在条件，由于各国的矿产资源不同，对同一钢种的部分元素配置上可能有所差别，但其元素的作用是相同的。表2 对照主要关注C、Mn、Si、P、S

五种元素，各元素对钢材组织和性能的影响复杂，其中C元素最能提高钢材强度，但易于引起焊接淬硬及焊接裂纹；Mn、Si元素能提高钢的淬硬倾向，该两种元素对抗拉强度、屈服强度的增强作用仅次于C元素；杂质元素P、S引起的韧性降低、脆性增强（冷脆、热脆）、弱化材料焊接性问题，须对两种元素含量进行严格控制，但ωMn/ωS较高时具有良好的抗热裂性能，焊接过程的热裂纹倾向较小。

表2元素对比

GB材料牌号	ASTM材料牌号	重点元素	元素含量对比分析
Q235	ASTM A36/A36M(δ≤20mm)	C Mn Si P S	Q235B含碳量较低，Si元素略低，Mn元素略高，P、S元素均在0.04%～0.05%，两材料差异不大
Q355	ASTM A529/A529M Grade 50[345] ASTM A572/A572M Grade 50[345] ASTM A588/A588M Grade B		含碳量均低于0.25%，P、S元素在0.03%，能有效限制其危害性； Q355材料含Mn量较高，抗热裂性能较好。
Q390	ASTM A529/A529M Grade 55[380] ASTM A572/A572M Grade 55[380]		含碳量均低于0.25%，P、S元素在0.03%～0.04%，能有效限制杂质元素的危害性； Q390材料含Mn较高，抗热裂性能较好。
Q420	ASTM A572/A572M Grade 60[415]		含碳量不超过0.25%，P元素在0.04%以内，能有效限制其危害性； Q420含Mn较高，焊接热裂纹倾向较小。
Q460	ASTM A572/A572M Grade 65[450]		含碳量不超过0.25%，P元素在0.04%以内，能有效限制其危害性； Q460材料含Mn较高，抗热裂性较好。

3.2 力学性能

材料力学性能直接关系到产品使用性能，如屈服强度、抗拉强度、冲击韧性等，还关系到产品的工艺性能，如可焊性、成型性能等，按照力学性能对照应该是一种更直接、更偏重于使用的捷径。表3主要以屈服强度ReH、抗拉强度Rm为主进行对比，Q235、Q355、Q390、Q420、Q460材料与相应级别的ASTM材料在ReH、Rm强度方面基本相当，进一步印证了元素含量差异不大时其强度性能也较为一致，强度级别相同。

表3强度对照

材料牌号	屈服强度ReH/MPa	抗拉强度Rm/MPa
Q235	235	370～500
ASTM A36/A36M(δ≤20mm)	250	400～550
Q355	355	470～630
ASTM A259/A529M Grade 50[345] ASTM A572/A572M Grade 50[345] ASTM A588/A588M Grade B	345	450～690 450(min) 485(min)
Q390	390	490～650
ASTM A529/A529M Grade 55[380] ASTM A572/A572M Grade 55[380]	380	485～690 485(min)
Q420	420	520-680
ASTM A572/A572M Grade 60[415]	415	520(min)
Q460	460	540-720
ASTM A572/A572M Grade 65[450]	450	550(min)

3.3 焊接性参数指标

对于钻采设备常用碳钢材料，表4综合碳当量CE、焊接冷裂纹敏感性指数Pcm用于评估材料淬硬性及焊接性，采用公式如下：

表4焊接性指标分析

材料	CE	Pcm	焊接性分析
Q235	0.445%	/	CE略高于0.4%，含碳量≤0.25%，淬硬性不高，焊接性好，不再计算敏感系数。除大板厚和低温环境外，一般不需要预热和严格控制焊接热输入量。
ASTM A36/A36M(δ≤20mm)	0.467%	/
Q355	0.45%	0.338%	均属于有淬硬倾向的钢，CE不大于0.5%，淬硬倾向不算严重，焊接性尚好，但随着板厚的增加需要采取一定的预热措施。 根据Pcm四种材料差异不大，除ASTM A572 Gr.50材料以外，其余材料冷裂系数均0.33%～0.38%，并作为AWS D1.1/D1.1M附录B焊前预热方法选择的依据。
ASTM A529/A529M Grade 50[345] ASTM A572/A572M Grade 50[345] ASTM A588/A588M Grade B	0.49% 0.46% 0.43%	0.361% 0.311% 0.357%
Q390	0.45%	0.365%	均属于有淬硬倾向的钢，碳当量CE不大于0.5%时，淬硬倾向不算严重，焊接性尚好，但随着板厚的增加需要采取一定的预热措施。 根据Pcm三种材料焊接性差异不大，冷裂敏感系数0.33%～0.38%，依据AWS D1.1/D1.1M附录表B.1可归类于一列，以选择焊前预热方式。
ASTM A529/A529M Grade 55[380] ASTM A572/A572M Grade 55[380]	0.48% 0.45%	0.361% 0.331%
Q420	0.48%	0.38%	CE不大于0.5%，淬硬倾向不算严重，焊接性尚好，但随着板厚的增加需要采取一定的预热措施。 根据Pcm两材料焊接性差异不大，冷裂敏感系数0.33%～0.38%。
ASTM A572/A572M Grade 60[415]	0.485%	0.384%
Q460	0.53%	0.38%	CE＞0.5%，冷裂敏感性较大，焊接时为避免冷裂纹产生，需要采取较严格的工艺措施，如严格控制热输入、降低扩散氢含量、预热和焊后热处理等措施。 根据Pcm两材料焊接性差异不大，冷裂敏感系数0.33%～0.38%。
ASTM A572/A572M Grade 65[450]	0.50%	0.35%

3.4 等强焊材匹配

通过分析比较材料等强匹配焊材的强度级别、执行标准，有助于间接反映材料的焊接性，也是一种较为合理的对比方式。如前文所述，焊材兼备GB与美标AWS A5系列规范牌号，由权威三方机构认证，进一步方便了焊材性能的直接对照，表5只对照较为常用的SMAW（手工焊条电弧焊）、FCAW焊材（药芯焊丝气保焊），Q235、Q355、Q390、Q420、Q460材料与相应级别的ASTM材料所匹配的焊材强度级别一致，执行标准基本统一。

表5等强匹配焊材对照

材料牌号	SMAW焊材标准及性能	FCAW焊材标准及性能
Q235	GB/T 5117 E43XX Rm=420MPa	GB/T 10045 E43XT Rm=430～600MPa AWS A5.20 E6XT (AWS A5.20M E43XT) Rm=430MPa
ASTM A36/A36M(δ≤20mm)	AWS A5.1 E60XX (AWS A5.1M E43XX) Rm=430MPa	AWS A5.20 E6XT-X (AWS A5.20M E43XT-X) AWS A5.29 E6XTX-X (AWS A5.29M E43XTX-X) Rm=430MPa
Q355	GB/T5117 E50XX AWS A5.1 E70XX (AWS A5.1M E49XX) Rm=490MPa	GB/T 10045 E50XX-X AWS A5.20 E7XT-X (AWS A5.20M E49XT-X) Rm=490MPa
ASTM A529/A529M Grade 50[345] ASTM A572/A572M Grade 50[345] ASTM A588/A588M Grade B	AWS A5.1 E70XX (AWS A5.1M E49XX) AWS 5.5 E70XX-X (AWS A5.5M E49XX-X) Rm=490MPa	AWS A5.20 E7XT-X (AWS A5.20M E49XT-X) AWS A5.29 E7XTX-X (AWS A5.29M E49XTX-X) Rm=490MPa
Q390	GB/T5117 E50XX AWS A5.1 E70XX (AWS A5.1M E49XX) Rm=490MPa	GB/T 10045 E50XX-X AWS A5.20 E7XT-X (AWS A5.20 E49XT-X) Rm=490MPa
ASTM A529/A529M Grade 55[380] ASTM A572/A572M Grade 55[380]	AWS A5.1 E70XX (AWS A5.1M E49XX) AWS 5.5 E70XX-X (AWS A5.5M E49XX-X) Rm=490MPa	AWS A5.20 E7XT-X (AWS A5.20M E49XT-X) AWS A5.29 E7XTX-X (AWS A5.29M E49XTX-X) Rm=490MPa
Q420	GB/T 5117 E55XX-X AWS A5.5 E80XX-X (AWS A5.5M E55XX-X) Rm=550MPa	GB/T 10045 E55XTX-X AWS A5.29 E8XTX-X (AWS A5.29M E55XTX-X) Rm=550MPa
ASTM A572/A572M Grade 60[415]	AWS A5.5 E80XX-X (AWS A5.5M E55XX-X) Rm=550MPa	AWS A5.29 E8XTX-X (AWS A5.29M E55XTX-X) Rm=550MPa
Q460	GB/T 5117 E55XX-X AWS A5.5 E80XX-X (AWS A5.5M E55XX-X) Rm=550MPa	GB/T 10045 E55XTX-X AWS A5.29 E8XTX-X (AWS A5.29M E55XTX-X) Rm=550MPa
ASTM A572/A572M Grade 65[450]	AWS A5.5 E80XX-X (AWS A5.5M E55XX-X) Rm=550MPa	AWS A5.29 E8XTX-X (AWS A5.29M E55XTX-X) Rm=550MPa

4 对照分组

综合上述材料化学成分、力学性能、焊接性指标参数、等强焊材多方面分析，将GB系列材料与ASTM材料合理对应，并依据规范分组，如表6。完成对照分组后，利用规范表6.8对Q420D等III组以上材料与Q390等II组以下材料异种母材PQR对WPS的灵活覆盖，可大量降低高低强异种材料焊接评定的工作量。另外，可充分利用规范第4章节及表5.3对于高低强异种母材等强、低强匹配焊材的选择提供可靠依据。

表6中美材料对照及分组

GB系列材料牌号	ASTM系列材料	AWS D1.1/D1.1M组别
Q235 (GB/T 700-2006)	ASTM A283/A283M Grade D ASTM A36/A36M(δ≤20mm)	I组
Q355 (GB/T 1591-2018)	ASTM A529/529M Grade 50[345] ASTM A572/A572M Grade 50[345] ASTM A588/A588M Grade B	II组
Q390 (GB/T 1591-2018)	ASTM A529/A529M Grade 55[380] ASTM A572/A572M Grade 55[380]	II组
Q420 (GB/T 1591-2018)	ASTM A572/A572M Grade 60[415]	III组
Q460 (GB/T 1591-2018)	ASTM A572/A572M Grade 65[450]	III组

[参考文献]

[1]Structural Welding Code-Steel: AWS D1.1/D1.1M：2020[S/OL].[2023-01-26].

https://pubs.aws.org/p/2104/d11d11m2020-2nd-printing-structural-welding-code-steel.

[2]郑舒丹，郭强，王军.中外金属材料手册[M].第二版.北京：化学工业出版社.

作者:李彦军(1994.4),男,甘肃定西，汉族，本科,工程师,石油装备工艺