X80管線鋼自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊工藝試驗(yàn)研究*

王長(zhǎng)江，曾惠林，楊雪梅，蔣 戎，劉 然

（1．中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000；2．廊坊東方職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065001；3．中國(guó)石油天然氣管道局設(shè)備管理中心，河北 廊坊 065001）

0 前 言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展及管道施工水平的不斷提高，高鋼級(jí)、大直徑鋼管在天然氣長(zhǎng)輸管道施工建設(shè)中舉足輕重[1-5]，X80級(jí)φ1 219 mm 鋼質(zhì)管道自應(yīng)用于西氣東輸二線管道工程建設(shè)之后，又被應(yīng)用于西氣東輸三線管道工程建設(shè)。

自保護(hù)藥芯焊絲具有優(yōu)異的全位置操作性與焊接工藝性，其抗風(fēng)能力強(qiáng)、電弧指向性好、與母材熔合較好、裂紋傾向小、焊接操作窗口寬、易脫渣、無需氣體保護(hù)、經(jīng)濟(jì)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)在其半自動(dòng)焊工藝中得到不同程度的發(fā)揮，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外管道工程建設(shè)中[6-11]。

為提高高鋼級(jí)、大直徑管道焊接技術(shù)水平，克服自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊人為因素影響大、焊工勞動(dòng)強(qiáng)度高、焊接效率較低等不足，探尋自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊技術(shù)用于西氣東輸三線及未來管道工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)焊接的可能性，應(yīng)用自主研發(fā)的八焊炬管道內(nèi)焊機(jī)及自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行X80鋼質(zhì)管道全位置焊接試驗(yàn)，制定合理的自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊工藝，以指導(dǎo)高鋼級(jí)、大直徑管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接施工。

1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 根焊設(shè)備

X80鋼管全位置焊接試驗(yàn)的根焊設(shè)備為自主研發(fā)的八焊炬內(nèi)焊機(jī)。整機(jī)采用臥式長(zhǎng)構(gòu)架結(jié)構(gòu)，主要由擴(kuò)漲導(dǎo)向保護(hù)裝置、焊炬定位對(duì)中機(jī)構(gòu)、漲緊機(jī)構(gòu)、同步焊接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、專用焊接單元、行走機(jī)構(gòu)、機(jī)架和儲(chǔ)氣罐等組成。八焊炬內(nèi)焊機(jī)如圖1所示。

1.1.2 外焊試驗(yàn)設(shè)備

X80鋼管全位置焊接試驗(yàn)的外焊設(shè)備為自主研發(fā)的自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)，用于完成管道環(huán)焊縫的熱焊、填充焊和蓋面焊。該焊機(jī)主要由焊接小車、導(dǎo)向軌道、自動(dòng)控制系統(tǒng)及焊接電源等組成。自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)如圖2所示。

圖1 八焊炬內(nèi)焊機(jī)

圖2 自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)

1.2 試驗(yàn)管材

本試驗(yàn)采用西氣東輸三線管道工程用X80級(jí)φ1 219 mm×18.4 mm管線鋼管，其化學(xué)成分與裂紋敏感系數(shù)Pcm見表1。

表1 X80管線鋼化學(xué)成分及裂紋敏感系數(shù) %

1.3 試驗(yàn)焊絲

根焊采用BOHLER SG3-P φ0.9 mm實(shí)芯焊絲，外焊選用Hobart 81N1+φ2.0 mm自保護(hù)藥芯焊絲。

2 工藝試驗(yàn)研究

2.1 焊接方式

將管道外環(huán)縫平均分為24段，每把焊槍獨(dú)立完成其中的12段，自動(dòng)控制系統(tǒng)在焊接過程中對(duì)焊點(diǎn)分布值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并經(jīng)過分段插值計(jì)算實(shí)時(shí)調(diào)整焊接速度，以確保各焊接段焊接參數(shù)的準(zhǔn)確性。管道全位置焊接方式如圖3所示。

焊接時(shí)，首先由八焊炬內(nèi)焊機(jī)完成管道內(nèi)環(huán)縫的根焊，即焊接單元1、單元2、單元3和單元4同時(shí)起弧，沿管道左側(cè)的內(nèi)環(huán)縫下向焊接，如圖3（a）所示。每個(gè)焊接單元負(fù)責(zé)焊接45°中心角對(duì)應(yīng)的圓弧長(zhǎng)度，焊到相應(yīng)位置時(shí)，焊接單元熄弧，停止焊接，此時(shí)各個(gè)焊接單元所處位置如圖3（b）所示。同時(shí)，焊接單元5、單元6、單元7和單元8同時(shí)起弧，沿管道右側(cè)的內(nèi)環(huán)縫下向焊接，焊到相應(yīng)位置時(shí)，焊接單元熄弧，停止焊接，如圖3（b）所示。此時(shí)，管道環(huán)焊縫根焊完成，8個(gè)焊接單元重新回到初始位置。

圖3 管道全位置焊接方式示意圖

根焊結(jié)束后，由自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)完成管道外環(huán)縫的熱焊、填充焊、蓋面焊等焊接工序。兩臺(tái)焊接小車帶動(dòng)焊槍分別從兩側(cè)獨(dú)立完成半圈管道環(huán)縫的焊接，即首先由一臺(tái)焊接小車從12點(diǎn)位置起弧，沿環(huán)縫的一側(cè)向6點(diǎn)位置焊接，待其離開12點(diǎn)位置后，另一臺(tái)焊接小車隨即移至12點(diǎn)位置并立刻起弧，沿環(huán)縫的另一側(cè)焊向6點(diǎn)位置，如圖3（c）所示。在確保兩臺(tái)焊接小車空間不干擾的狀態(tài)下，保持起弧過程的最小時(shí)間差，以保證焊接過程中焊縫兩側(cè)應(yīng)力對(duì)稱。每層焊接完成后，焊接小車返回12點(diǎn)位置，開始下一層的焊接。

2.2 坡口形式及參數(shù)

自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊工藝所用坡口為U形，其形狀及尺寸如圖4所示。

圖4 U形坡口形狀及尺寸

U形坡口參數(shù)：坡口與圓弧相切，角度A=8°±1°， 內(nèi)坡口角度 B=37.5°， 高度 h=（1.25±0.15）mm，圓弧半徑 R=3.2 mm，鈍邊長(zhǎng)度 e=（1.5±0.15）mm， 管口組對(duì)錯(cuò)邊量 c≤1.5 mm，管道無間隙組對(duì)坡口寬度 W=（9.5±0.5）mm。

2.3 焊接要求

（1）相鄰管制管焊縫在對(duì)口處錯(cuò)開，距離≥100 mm；

（2）預(yù)熱溫度 100～200 ℃；

（3）加熱寬度：坡口兩側(cè)各50 mm；

（4）層間溫度 60～150 ℃；

（5）管內(nèi)外表面坡口兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)應(yīng)在焊前清理至呈現(xiàn)金屬光澤；

（6）根焊結(jié)束與熱焊開始時(shí)間間隔≤10 min；

（7）風(fēng)速≤8 m/s時(shí)無需采用保護(hù)措施；

（8）焊接過程中需對(duì)焊縫進(jìn)行層間清理及表面處理；

（9）焊縫余高應(yīng)≤2 mm，余高超高時(shí)應(yīng)進(jìn)行打磨，打磨后應(yīng)與母材圓滑過渡，且不得傷及母材；

（10）蓋面焊縫寬度應(yīng)不超過坡口上沿兩側(cè)各2 mm。

2.4 焊接參數(shù)

2.4.1 根焊焊接參數(shù)

用八焊炬內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行根焊，焊接電壓為18～20 V；焊接電流為200～220 A；BOHLER SG3-P φ0.9 mm實(shí)芯焊絲，送絲速度900～1 000 mm/min；焊接速度700～800 mm/min；保護(hù)氣為CO2/Ar=25%/75%（CO2氣體純度≥99.5%，Ar氣體純度≥99.96%）， 氣體流量為 18～20 L/min。

2.4.2 熱焊焊接參數(shù)

自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)單焊炬排焊，需較大熔深以確保焊縫根部完全熔透。焊接電壓為20～22 V； 焊接電流 180～230 A； Hobart 81N1+φ2.0 mm焊絲，焊絲干伸長(zhǎng)15～20 mm；焊接速度400 mm/min；送絲速度1 700 mm/min。

2.4.3 填充焊焊接參數(shù)

自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)單焊炬擺動(dòng)焊接，擺動(dòng)幅度±10 mm，需較大熔深及一定熔寬。焊接電壓 21～24 V；焊接電流 180～230 A；Hobart 81N1+φ2.0 mm焊絲，焊絲干伸長(zhǎng) 15～20 mm；焊接速度 125～250 mm/min；送絲速度 1 500～2 390 mm/min； 擺動(dòng)速度 21～24 mm/min； 擺動(dòng)寬度5.0～6.5 mm；邊沿停留時(shí)間450～550 ms。

2.4.4 蓋面焊焊接參數(shù)

自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊機(jī)單焊炬擺動(dòng)焊接，擺動(dòng)幅度±10 mm，需控制弧長(zhǎng)，確保電弧穩(wěn)定性，避免氣孔、邊緣未熔合、咬邊等缺陷。焊接電壓 20～21 V； 焊接電流 180～230 A； Hobart 81N1+φ 2.0 mm焊絲，焊絲干伸長(zhǎng) 15～20 mm；焊接速度 115～210 mm/min；送絲速度 1 250～2 000 mm/min； 擺動(dòng)速度 23～26 mm/min； 擺動(dòng)寬度 8.0～10.0 mm； 邊沿停留時(shí)間 450～550 ms。

3 焊接接頭性能試驗(yàn)

3.1 拉伸試驗(yàn)

取樣位置：12點(diǎn)～1點(diǎn)、5點(diǎn)～6點(diǎn)、6點(diǎn)～7點(diǎn)、9點(diǎn)～10點(diǎn)；試樣規(guī)格：230 mm×18.4 mm×25 mm；試驗(yàn)設(shè)備：萬能試驗(yàn)機(jī)WAW-1000B；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》。試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度滿足X80管線鋼的焊接要求，斷裂位置位于母材。

表2 X80級(jí) φ1 219 mm×18.4 mm鋼管環(huán)焊縫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

3.2 彎曲試驗(yàn)

取樣位置：1點(diǎn)～2點(diǎn)、3點(diǎn)～5點(diǎn)、7點(diǎn)～9點(diǎn)、10點(diǎn)～12點(diǎn)；試樣規(guī)格：230 mm×18.4 mm×13 mm；彎芯半徑：90 mm，彎曲角度：180°；試驗(yàn)設(shè)備：萬能試驗(yàn)機(jī)WAW-1000B；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 232—2010《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》。試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣側(cè)彎后試樣表面均未見明顯缺陷，焊接接頭的側(cè)彎性能滿足X80管線鋼的焊接要求，有很好的延展性和致密性。

3.3 沖擊試驗(yàn)

取樣位置：3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn)；試樣規(guī)格：10 mm×10 mm×55 mm；缺口類型：V形；試驗(yàn)設(shè)備：微機(jī)式金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)ZBC 2752-C；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)辦法》。試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊功滿足西氣東輸三線關(guān)于焊縫及熱影響區(qū)3個(gè)沖擊試驗(yàn)試樣最小沖擊功≥60 J、平均沖擊功≥80 J的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，焊接接頭具有良好的低溫沖擊韌度。

表3 X80級(jí) φ1 219 mm×18.4 mm鋼管環(huán)焊縫沖擊試驗(yàn)結(jié)果

3.4 宏觀組織檢驗(yàn)及硬度試驗(yàn)

3.4.1 宏觀組織檢驗(yàn)

取樣位置：6點(diǎn)、9點(diǎn)、12點(diǎn)；試驗(yàn)類型：5×；試驗(yàn)設(shè)備：金相顯微鏡XJG-05。檢驗(yàn)結(jié)果為所有試樣均未見明顯缺陷。

3.4.2 硬度試驗(yàn)

按照西氣東輸三線X80鋼管焊接技術(shù)規(guī)范要求，焊接接頭硬度測(cè)定在宏觀組織檢驗(yàn)試樣上進(jìn)行。試驗(yàn)類型：HV10；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)》；試驗(yàn)設(shè)備：布維硬度計(jì)HBV-30A。試驗(yàn)結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊縫及熱影響區(qū)的硬度值滿足西氣東輸三線焊接接頭最大硬度值不超過300 HV10的要求。

表4 X80級(jí)φ1 219 mm×18.4 mm鋼管環(huán)焊縫硬度（HV10）試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）X80管線鋼自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊工藝的坡口設(shè)計(jì)及與之匹配的焊接參數(shù)合理，焊絲選擇恰當(dāng)，焊接接頭力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，且工藝制定合理，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)施性強(qiáng)，效率高。

（2）X80管線鋼自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊工藝用于管道工程現(xiàn)場(chǎng)焊接施工是可行的，且對(duì)其他鋼級(jí)的管道工程現(xiàn)場(chǎng)焊接施工具有參考價(jià)值及指導(dǎo)意義。

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