自保護藥芯焊絲在長輸油氣管道建設中的應用

李忠 孫兆榮 隋永莉

1.概述

自保護藥芯焊絲半自動焊工藝抗風能力極強，焊接時不需要保護氣體，由送絲機構連續(xù)送絲，焊工采用手持半自動焊槍施焊。這種焊接方法的設備投資不大，利用率高，投資回收期短，并且在焊接質量、生產效率、降低焊材消耗及節(jié)約能源等方面具有明顯經濟效益，非常符合我國的低成本焊接自動化理念。

我國最早的自保護藥芯焊絲半自動焊應用記錄，是1995年中石油承建的突尼斯天然氣管道工程和1996年庫鄯線輸油管道工程，分別焊接了6.2km和250km。1999年中石油承建的蘇丹輸油管道工程和蘭成渝成品油管道工程、澀寧蘭輸氣管道工程建設期間，自保護藥芯焊絲半自動焊的應用范圍開始逐漸擴大。近十五年，采用自保護藥芯焊絲半自動焊工藝累計完成的管道長度可達我國管道建設總里程的90%以上。

自保護藥芯焊絲半自動焊應用的早期，焊接的母材多為X52、X60、X65這些正火狀態(tài)交貨的管線鋼管。隨著我國管道建設用鋼管的強度等級、管徑、壁厚和輸送壓力的提高，應用的管線鋼管多為形變熱處理交貨狀態(tài)，合金含量較高，如X65、X70、X80。

2.自保護藥芯焊絲半自動焊的應用現(xiàn)狀

（1）焊接材料 自保護藥芯焊絲的單面焊雙面成形質量較差，一般不用于根焊縫的焊接，在我國多用于管道環(huán)焊縫熱焊、填充焊和蓋面焊。自保護藥芯焊絲半自動焊常用焊接材料如表1所示。

（2）焊接設備 自保護藥芯焊絲半自動焊工藝用焊接設備主要包括根焊設備和填充、蓋面焊設備。根焊設備主要依據(jù)采用的焊接材料選擇纖維素焊條用焊接電源、鎢極氬弧焊電源、STT電源或RMD電源等。填充、蓋面焊設備主要有晶閘管型直流電源、IGBT逆變電源等，重點是選擇相匹配的送絲機。根據(jù)焊接工藝的不同，所使用的焊接設備也具有不同的工藝特點和設備特性（見表2）。

總之，低氫型焊條和鎢極氬弧焊這兩種焊接方法對焊接設備的要求比較簡單，通用的焊接電源即可滿足要求。纖維素焊條對焊接設備的要求比較高，在2000年以前該類逆變焊接電源曾經是焊機制造業(yè)的一大挑戰(zhàn)，近年來已完全實現(xiàn)國產化，且實際應用效果良好。自保護藥芯焊絲半自動焊設備則更注重焊接過程中送絲平穩(wěn)和焊接電弧穩(wěn)定。

表1 自保護藥芯焊絲半自動焊工藝的常用焊接材料

（3）焊接工藝 自保護藥芯焊絲半自動焊工藝常用的焊接坡口形式如附圖所示。一般情況下，壁厚≤15mm時，采用坡口形式如附圖a所示；壁厚≤22mm時，采用坡口形式如附圖b所示；壁厚＞22mm時，采用坡口形式如附圖c所示。這些坡口一般在鋼管制造過程中預制加工好。

自保護藥芯焊絲半自動焊為下向焊工藝，焊接熱輸入約為2.2k J/m m，焊絲接電源負極。其適應的鋼管管徑范圍≥323.9mm，若管徑過小則因操作角度連續(xù)變化而使焊接難度增加。適應的壁厚范圍＞6mm，若壁厚過小易發(fā)生燒穿。焊接環(huán)境風速宜≤8m/s，主要焊接缺陷為夾渣和氣孔。X52、X60和X65鋼管的焊接能實現(xiàn)焊接接頭的高強匹配，X70和X80鋼管的焊接為等強或稍低強匹配。技術熟練的焊接機組一次焊接合格率可達90%。自保護藥芯焊絲半自動焊常用的焊接參數(shù)如表3所示。

3.自保護藥芯焊絲半自動焊應用存在的問題

（1）焊絲保管和使用條件要求較為嚴格 我國目前應用的自保護藥芯焊絲多為有縫焊絲，在高溫潮濕的環(huán)境下容易發(fā)生粉劑吸潮、焊絲表面銹蝕等現(xiàn)象。焊絲受潮后，不能烘干，只能廢棄不用。若采用受潮后的焊絲進行焊接作業(yè)，焊接工藝性能會變差，焊縫金屬中擴散氫含量將大大增加，導致產生氣孔、氫白點、氫脆、冷裂紋的概率增加。因此，自保護藥芯焊絲的保管和使用應嚴格遵守相關標準和管理規(guī)定的要求。尤其是高溫潮濕的環(huán)境下，最好采用真空包裝的方法，并注意保持庫房的干燥和通風。焊接施工過程中，做到焊接材料隨用隨取，縮短拆包裝后的焊材在濕度較大環(huán)境中的存放時間。

表2 半自動焊工藝常用焊接設備的工藝特點和設備特性

表3 自保護藥芯焊絲半自動焊的焊接參數(shù)

坡口形式

（2）焊接煙塵大 眾所周知，自保護藥芯焊絲的焊接煙塵量相對較大。在密閉、狹窄的操作空間，影響作業(yè)人員的身心健康。各種焊接工藝及焊接材料煙塵產生量如表4所示。

（3）焊縫金屬中氫白點 為保證焊接工藝性能，自保護藥芯焊絲的粉劑需要具有一定的含水量，特別是焊絲的表面需要涂一層潤滑劑來防銹和保證送絲順暢，因此其焊縫金屬的擴散氫含量不可能控制得很低，一般為6～12mL/100g，高于低氫型焊條和實芯焊絲的擴散氫含量。

另外，自保護藥芯焊絲在粉劑中加入了氟化物和鋁等易蒸發(fā)和脫氧固氮的物質，在焊絲熔化時能產生大量氣體，再加之熔渣的保護作用，從而防止了空氣中氮侵入電弧區(qū)及熔池，降低了焊縫金屬氣孔敏感性。但大量殘留的脫氧劑則以AlN、Al2O3等夾雜物的形式存在于焊縫金屬中。這些微觀缺陷在焊縫金屬承受很大的軸向應力時成為焊縫金屬中殘余氫的聚集地，易形成氫白點，其在橫斷面上看是小白點，在縱斷面上看則是微裂紋，即氫致應力開裂。

如果完成的焊接接頭立即承受很大的軸向應力并在焊縫金屬處發(fā)生斷裂，則很容易在斷面發(fā)現(xiàn)氫白點。若焊接接頭在常溫條件下放置40天以上，焊縫金屬中的氫就會逐漸逸出，并降低至接近于平衡值的水平，此時再承受很大的軸向應力，焊縫金屬斷面上的氫白點會大大減小或消失。

（4）焊接材料型號相對較少 目前在我國大范圍應用的自保護藥芯焊絲只有兩種型號，分別為AWS A5.29標準的E71T8和E81T8。對于X70及以下強度級別的管線鋼管使用E71T8，X80鋼管使用E81T8。這樣，B、X42、X52、X60等鋼管形成的焊接接頭為高強匹配，X65、X70、X80鋼管形成的焊接接頭為等強匹配或稍低強匹配。

近年來X80和X70等高強度管道建設過程中，在一些管道通過的特殊地質段，如地震斷裂帶、沉陷區(qū)等，通常會要求焊接接頭高強匹配。因局限于可選擇的自保護藥芯焊絲抗拉強度均不足，故實際應用中采用了增加焊縫寬度和余高的方法來實現(xiàn)焊接接頭的整體強度高于母材。但焊縫寬度和余高的增加給后續(xù)的環(huán)焊縫防腐補口質量穩(wěn)定性的控制帶來了難度。

表4 各種焊接工藝及焊接材料煙塵產生量

（5）焊縫金屬韌性離散 隨著管道建設用鋼管強度等級的逐步提高，自保護藥芯焊絲的焊縫金屬夏比V型缺口低溫沖擊韌性離散的現(xiàn)象也越來越顯著，并逐漸成為制約環(huán)焊縫焊接的瓶頸。

4.自保護藥芯焊絲半自動焊的應用前景

近期內，自保護藥芯焊絲半自動焊工藝仍將是我國管道建設的主要焊接方法，尤其是在山區(qū)、水網等地理環(huán)境復雜地區(qū)，自保護藥芯焊絲的應用將保持著很大的優(yōu)勢。但隨著管道建設用鋼管強度等級的逐步提高，自保護藥芯焊絲的技術研發(fā)工作需要持續(xù)進步，與鋼管的冶金成分相結合，優(yōu)化藥芯焊絲制造工藝，力求解決其在應用中存在的問題，尤其是焊縫金屬韌性離散、氫白點、焊材型號少等關鍵技術，確保焊縫金屬性能滿足管道工程建設的要求。

我國管道建設用鋼管的管徑、壁厚及輸送壓力都在逐步提高，為提高焊接效率、降低勞動強度，未來的管道建設過程中，在地勢平坦的新疆、甘肅、內蒙等地區(qū)將會逐漸采用自動焊方法來替代自保護藥芯焊絲半自動焊。20140218