氣體保護焊工藝在海管鋪設(shè)中的應(yīng)用研究

■ 楊曉飛，蘇衍福，沈朝輝，劉博，史學(xué)材

目前國際海管鋪設(shè)作業(yè)主要采用全自動（GMAW）及半自動兩種焊接工藝，對于一些短距離、雙層管的外管一般采用半自動焊接工藝進行焊接，半自動自保護工藝（FCAW—S）以良好的焊接效率，抗風(fēng)性能及良好的操作性能在海底管道鋪設(shè)得到了廣泛的應(yīng)用。

隨著我公司業(yè)務(wù)向著深海逐步發(fā)展，海底管線的技術(shù)要求也越來越嚴苛，這對焊接材料的性能提出了更高的要求。而我們通常使用的自保護藥芯焊絲由于受自身制作工藝所制約，很難達到比X65更高的力學(xué)性能及抗腐蝕性能。而半自動氣體保護焊工藝具備更好的焊接質(zhì)量和更高的效率，已經(jīng)成為今后發(fā)展的趨勢。

在此主要介紹STT氣體保護半自動根焊，半自動氣體保護（FCAW—G）填充蓋面的工藝特點以及在X65管線鋼中的焊接應(yīng)用。

1. 試驗準備

（1）試驗用管材和焊材 采用根據(jù)API SPC 5L標準生產(chǎn)的X65鋼管，其主要化學(xué)成分如表1所示。

根焊采用φ1.2mmTM—60實芯焊絲，符合AW S A5.28 ER80S—G；填充焊和蓋面焊采用φ1.2mm DWA55LSR ，符合AWS A5.29 E81T1—Ni1M；兩種焊絲化學(xué)成分如表2所示。

（2）焊接電源 根焊采用美國林肯公司生產(chǎn)的STT—10；填充蓋面選用唐山松下生產(chǎn)的YD—350GM焊機。

（3）試件準備 試件規(guī)格為φ355mm×14.3mm，試件坡口、組對尺寸及焊道設(shè)計如附圖所示。

2. 焊接試驗

（1）工藝特點 STT工藝具有以下特點：①精確的熱輸入控制以減小變形和燒穿，適用于打底工藝。②極大減少飛濺。

焊接坡口形式設(shè)計

表1 X65鋼管化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 焊材化學(xué)成分

F C AW—G工藝的特點如下：①焊接效率高。與FCAW—S工藝焊接速度相當(dāng)，CO2電弧的穿透力強、熔深大，單位時間內(nèi)熔化焊絲的速度比焊條電弧焊快一倍。②引弧性能好。能量集中，引弧容易，連續(xù)送絲電弧不中斷。③熔敷率高。焊接金屬的熔敷率可達到90%以上，而FCAW—S工藝僅僅能達到80%，手工焊僅為55%左右。④使用范圍廣。在焊接操作方面，可適用于全位置焊接；在焊材強度方面，相比FCAW—S工藝焊絲強度僅能等強度匹配X65級別的海管，F(xiàn)CAW—G工藝可適用于高強度匹配X65級別海管甚至X70等更高級別海管的焊接。⑤焊接質(zhì)量好。相比FCAW—S工藝，能更好的控制焊縫擴散氫含量，抗裂性能好，受熱變形小。⑥焊接成本低。CO2氣體來源廣、價格低，因而焊接成本只有埋弧焊和焊條電弧焊的40%～50% 。⑦難點及缺點。相比FCAW—S工藝，金屬飛濺是較為突出的問題，目前不論從焊接電源、材料及工藝上采用何種措施，也只能使其飛濺減少，并不能完全消除；抗風(fēng)性能較差。

（2）工藝參數(shù) 由于STT焊接具有精確的熱輸入控制以及良好的背部及表面成形，所以根焊采用STT氣體保護半自動焊，熱焊、填充、蓋面層均采用氣體保護半自動焊接。焊接參數(shù)分別如表3和表4所示。

（3）試驗結(jié)果 試件按照DNV—OS—F101 2013標準進行VT、UT、MT、RT檢測和力學(xué)性能試驗。試件焊后48h進行無損檢測，合格后進行力學(xué)性能試驗，結(jié)果如表5所示。

（4）操作要點 ①根焊采取立向下焊接，填充蓋面采取立向上焊接。為了保證海上焊接效率，每道焊口由兩名焊工同時施焊。②預(yù)熱及層間溫度。為了防止焊接冶金過程導(dǎo)致的焊縫硬度過高，抗腐蝕性能變差，本次試驗預(yù)熱最低溫度100℃，層間溫度控制在200℃以下。③焊槍角度。在焊接過程中，為了避免由操作帶來的焊接缺陷，在進行焊接時，焊槍與鋼管中心軸線之間的夾角應(yīng)保證在70°～90°。角度過小，則熔深淺，容易導(dǎo)致未熔合缺陷。④本次試驗填充、蓋面保護氣體采用80%Ar+20%CO2，熔深淺，填充每層厚度控制在4mm，否則容易導(dǎo)致未熔合缺陷。⑤根焊運弧方式可根據(jù)坡口間隙采取不擺動或小幅擺動，填充、蓋面采取Z字型運弧，以保證獲得良好的焊縫成形。⑥立向上焊接時，由立焊到平焊位置運弧角度的變化對焊工要求較高，操作不當(dāng)容易造成未熔合缺陷，可在蓋面之前對此位置焊縫進行補焊。⑦在蓋面之前的填充焊道應(yīng)略低于母材1～2mm，以免蓋面余高過高。⑧每層焊接完畢后，應(yīng)對焊道進行打磨處理，清理藥皮及層間缺陷，以避免夾渣、未熔合缺陷產(chǎn)生。

3. 結(jié)語

STT氣保護半自動根焊+氣體保護焊填充蓋面組合焊接技術(shù)首次進行海底管線5G位置焊接試驗，比起傳統(tǒng)的自保護焊填充蓋面技術(shù)熔敷率更高，污染更少，成本更低。同時以上試驗說明該焊接技術(shù)可行，可以運用到海底管線焊接施工當(dāng)中。

表3 根焊焊接參數(shù)

表4 填充、蓋面焊接參數(shù)

表5 試件力學(xué)性能

[1] 王利霞，劉照元．STT氣體保護焊在西氣東輸工程中的應(yīng)用[J]．化工建設(shè)工程，2002，24(5)：39-41．