雙金屬?gòu)?fù)合管現(xiàn)場(chǎng)焊接施工的質(zhì)量控制分析

閆光寧

中國(guó)石油天然氣管道第二工程有限公司培訓(xùn)中心，江蘇徐州 221008

1 工程概況

中國(guó)石油天然氣管道第二工程有限公司（以下簡(jiǎn)稱：管道二公司）承建的新疆克拉蘇氣田克深5區(qū)塊試采地面工程，其集輸管網(wǎng)由集氣干線、采氣干線和采氣支線組成，按執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》要求，采用的復(fù)合管基層材質(zhì)為L(zhǎng)245N、L415Q、L360N，其厚度為8～10 mm；按執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)SY/T6601-2004《耐腐蝕合金管線鋼管》要求，其316L襯層厚度分別為2、2.5 mm；管道直徑為114.3～355.6 mm。施工中采用鎳基焊材很好地解決了有害介質(zhì)造成的腐蝕問(wèn)題。在現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中，針對(duì)雙金屬?gòu)?fù)合管特有的缺陷進(jìn)行預(yù)防、控制，在焊接工序上要嚴(yán)格執(zhí)行監(jiān)督、管理，提高了一次焊接合格率和生產(chǎn)效率，降低了施工成本。

2 焊接工藝的確定

由于雙金屬?gòu)?fù)合管本身的特殊性，焊接時(shí)容易在復(fù)層和基層的界面處出現(xiàn)未熔合缺陷，同時(shí)，基層碳鋼中的碳元素向不銹鋼中的擴(kuò)散會(huì)降低不銹鋼復(fù)層的抗腐蝕性能。針對(duì)復(fù)合管焊接的難點(diǎn)，提出新的焊接工藝[1]，決定采用鎳基焊接材料進(jìn)行復(fù)合鋼管的焊接。管材基層為L(zhǎng)360N、復(fù)層為316L；規(guī)格為D 323.9 mm×（10+2）mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

按標(biāo)準(zhǔn)ASME SectionⅡPart CSFA-5.14，ANSI AWS A5.14/A5.14M要求，復(fù)層、過(guò)渡層焊材選用ERNiGrMO-3鎳基焊絲，直徑為2.4 mm；按標(biāo)準(zhǔn)ASME SectionⅡPart CSFA-5.11，ANSI AWS A5.11/A5.11M要求，填充層、蓋面層焊材選用ENiGr Mo-3鎳基焊條，直徑為3.2 mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。焊接方法：復(fù)層、過(guò)渡層采用鎢極氬弧焊，填充層、蓋面層采用焊條電弧焊，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

2.1 坡口型式及焊接順序

坡口型式及焊接順序見(jiàn)圖1。

表1 雙金屬?gòu)?fù)合管化學(xué)成分/%

表2 焊接材料（熔敷金屬）化學(xué)成分/%

表3 雙金屬?gòu)?fù)合管焊接工藝參數(shù)

圖1 坡口型式及焊接順序

2.2 焊縫的性能

焊縫的性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

3 現(xiàn)場(chǎng)施工的質(zhì)量控制

在施工焊接過(guò)程中出現(xiàn)的許多問(wèn)題，除了氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等常規(guī)的焊接缺陷外，雙金屬?gòu)?fù)合管因其材質(zhì)和技術(shù)方面的特殊，還存在著特有的缺陷[2-3]，具體分析如下。

表4 焊縫性能試驗(yàn)結(jié)果

3.1 管材驗(yàn)收

根據(jù)工藝要求，直徑＜DN200的管材使用兩端封焊工藝，直徑＞DN200的管材使用內(nèi)堆焊工藝。復(fù)合管由供貨商按施工單位提供的焊接工藝評(píng)定要求進(jìn)行封焊、堆焊后出廠。

管材進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，首先查看管口是否帶有保護(hù)圈，防止管口在運(yùn)輸過(guò)程中碰撞變形，如果發(fā)現(xiàn)橢圓度較大的，應(yīng)標(biāo)記尺寸；其次仔細(xì)檢查堆焊層是否存在脫節(jié)、點(diǎn)狀漏焊問(wèn)題，接頭處于碳鋼母材和不銹鋼母材應(yīng)完全熔合不應(yīng)有夾層夾縫，以免過(guò)渡焊時(shí)出現(xiàn)氣鼓泡現(xiàn)象。同時(shí)要查看堆焊層厚度，視情況考慮是否需補(bǔ)充堆焊層焊接，確保焊接質(zhì)量。應(yīng)當(dāng)注意的是：在裝卸復(fù)合管過(guò)程中，需用中心兜帶法吊裝，不能使用常規(guī)的管端鉤吊法裝卸，以免傷及管口和較薄的不銹鋼內(nèi)襯管。

3.2 焊材驗(yàn)收

焊材進(jìn)廠，首先應(yīng)對(duì)焊材質(zhì)量證書中的焊材牌號(hào)、規(guī)格、供貨狀態(tài)、檢驗(yàn)項(xiàng)目、數(shù)據(jù)及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)收。材料質(zhì)量證明書應(yīng)為原件或加蓋供貨單位檢驗(yàn)公章和經(jīng)辦人有效印章的復(fù)印件。材料質(zhì)量證明書經(jīng)檢驗(yàn)合格后，對(duì)材料質(zhì)量證明書和實(shí)物的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，即實(shí)物批號(hào)、材料牌號(hào)、規(guī)格等應(yīng)與質(zhì)量證明書一致。然后對(duì)焊材實(shí)物的包裝、焊絲的銹蝕、焊條藥皮、焊芯的偏心度及受潮情況等做外觀驗(yàn)收。

3.3 外觀檢查

焊縫的外觀應(yīng)符合如下要求：余高0～3 mm，寬度為每側(cè)比坡口增加0.5～2 mm，焊縫表面應(yīng)無(wú)氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、裂紋等缺陷。焊縫表面應(yīng)用鋼絲刷清理掉來(lái)自管壁表面的焊渣飛濺。

3.4 無(wú)損檢測(cè)

焊接接頭應(yīng)在形狀尺寸及外觀目視檢查合格后進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，所有焊接接頭應(yīng)進(jìn)行全周長(zhǎng)100%無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)方法采用X射線檢測(cè)，X射線檢測(cè)應(yīng)達(dá)到SY/T4109《石油天然氣鋼質(zhì)管道無(wú)損檢測(cè)》規(guī)定的Ⅱ級(jí)焊縫的要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)焊接的質(zhì)量控制

在現(xiàn)場(chǎng)焊接施工作業(yè)中，要想完成一道質(zhì)量合格的焊縫，焊工需從焊前的準(zhǔn)備工作，即坡口打磨、組對(duì)、氣體排放、氣體純度檢查，到焊接過(guò)程中的焊接操作、環(huán)境防護(hù)措施、施焊人員的責(zé)任心等方面，都要認(rèn)真對(duì)待。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管和嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程要求進(jìn)行焊接作業(yè)，把焊接缺陷風(fēng)險(xiǎn)降到最低值。

4.1 打磨、組對(duì)

打磨必須用不銹鋼專用切片來(lái)進(jìn)行切除。應(yīng)注意以堆焊層與復(fù)層的熔合線為最大切除底線，避免切過(guò)熔合線出現(xiàn)內(nèi)外管脫層現(xiàn)象。同時(shí)仔細(xì)檢查切除完襯管的點(diǎn)狀氧化現(xiàn)象，如果有，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行打磨修補(bǔ)，否則會(huì)影響根焊焊道的熔合情況和管材的使用壽命。

焊接工藝規(guī)程規(guī)定復(fù)合管錯(cuò)口量控制在2 mm范圍內(nèi)為合格，但在現(xiàn)場(chǎng)施工中會(huì)遇到由于管材橢圓度等因素導(dǎo)致的管材內(nèi)錯(cuò)口超標(biāo)現(xiàn)象，因此在組對(duì)前首先檢查管材的圓度，盡量選擇圓度相近的管材組對(duì)。在組對(duì)時(shí)，上下左右均勻分開錯(cuò)口，保證不超過(guò)規(guī)定錯(cuò)口的標(biāo)準(zhǔn)范圍。

用外卡具進(jìn)行組對(duì)，組對(duì)前準(zhǔn)備好合適的三角形點(diǎn)口專用定位塊，以減少點(diǎn)口時(shí)間和避免破壞坡口面。注意應(yīng)在基管的坡口上焊接定位塊，盡量與復(fù)層拉開距離，以免破壞復(fù)層的材質(zhì)（見(jiàn)圖2）。定位焊完成后，使用膠帶封住焊縫。焊接前必須按要求進(jìn)行完全飽和的置換充氬，根據(jù)管徑的大小，置換時(shí)間取5～10 min，焊前用測(cè)氧儀測(cè)量氧氣含量（見(jiàn)圖3），當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)降到2%以下時(shí)，方可開始復(fù)層的焊接，以保障根焊層焊接質(zhì)量。

圖2 定位塊組對(duì)

圖3 氧氣含量測(cè)量

4.2 根焊層焊接

根焊層是復(fù)合管焊接質(zhì)量要求最高的工序，如果出現(xiàn)焊接缺陷，返修十分困難[1]。因此必須挑選技能熟練的焊工來(lái)進(jìn)行操作以保證質(zhì)量和整體施工速度。

焊接時(shí)在焊縫的最低處6點(diǎn)鐘位置引弧焊接，如果氬氣泄漏或內(nèi)保護(hù)有紕漏，會(huì)出現(xiàn)熔池發(fā)黏發(fā)稠、熔池臟等現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)立即停止焊接，借助手電筒通過(guò)焊縫間隙查看根焊道外觀質(zhì)量。

根焊層的焊接工藝盡量采用小電流快速焊。焊接時(shí)，應(yīng)特別注意仰、立、平焊時(shí)的焊槍角度，應(yīng)該是垂直、垂直、傾斜，否則會(huì)出現(xiàn)仰焊位置熔合很好但焊道內(nèi)凹的情況，不符合外觀要求。根焊道最后封口時(shí)最好留在平焊段并調(diào)低內(nèi)充氬流量，以保證最后一點(diǎn)焊接的質(zhì)量，焊縫顏色以銀白色最佳，金黃色和藍(lán)色為合格，灰色和黑色為不合格[3]。

4.3 過(guò)渡焊層焊接

過(guò)渡層是復(fù)合管合金含量最復(fù)雜的焊層，應(yīng)嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，如果參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)造成熔敷金屬過(guò)大的濃度梯度，影響接頭的防腐蝕性能[1]。在焊縫溫度降至60℃以下時(shí)開始焊接，防止焊接時(shí)溫度過(guò)高導(dǎo)致背部焊縫發(fā)黑，影響焊接質(zhì)量；另外，可將內(nèi)充氬保護(hù)流量調(diào)低，但必須保證根焊道與空氣隔絕。過(guò)渡焊易出現(xiàn)根焊道燒熔、燒塌、封焊道氣鼓等，主要是因?yàn)楹附与娏鬟^(guò)大或焊速慢致使熱輸入過(guò)大，焊工操作不熟練導(dǎo)致送絲跟不上，焊槍角度不垂直于兩側(cè)焊道。

焊接時(shí)，電流選擇要適宜，過(guò)小易造成層間未熔合及熔敷金屬濃度梯度較大，過(guò)大則易將根部燒穿。焊接過(guò)渡層時(shí)，還應(yīng)注意觀察熔池，若發(fā)現(xiàn)熔池中有大量氣泡冒出，應(yīng)立即停止焊接，將缺陷清理干凈后再繼續(xù)焊接。

4.4 填充焊層焊接

填充層采用鎳基焊條焊接，鎳基焊條熔深較大，容易發(fā)生燒熔、燒穿現(xiàn)象，第一層填充焊接對(duì)整個(gè)焊口質(zhì)量至關(guān)重要。在焊縫溫度降至80℃以下時(shí)進(jìn)行焊接，焊接中焊條角度始終保持近90°，采用小電流薄層快速焊。

第一遍填充焊接時(shí)應(yīng)保證氬氣倉(cāng)氣流消耗，保證根焊焊道及影響區(qū)與氧氣處于隔絕狀態(tài)，以保證焊道的抗腐蝕性。在清理藥皮時(shí)，注意使用專用鋼絲刷進(jìn)行清理。

最后一層填充焊時(shí)，在內(nèi)充氬設(shè)備密封性較好的情況下，根焊道的保護(hù)可以使用內(nèi)氬氣倉(cāng)的氬氣，無(wú)需再充氬氣，以降低成本。這一層應(yīng)注意焊縫要平整，預(yù)留深度一致，盡量不要修磨，保持焊道原貌，為蓋面焊道創(chuàng)造條件。

4.5 蓋面焊層焊接

蓋面焊焊接電流選擇要適宜，并保持一定弧長(zhǎng)，兩邊稍作停留，焊條角度始終保持近90°進(jìn)行薄層快焊。注意4～5點(diǎn)鐘位置焊條角度變化。排焊時(shí)注意兩焊道寬度相近保持美觀。注意接頭處起弧氣孔、咬邊等缺陷，余高高低不平，外觀成形不美觀。

4.6 其他注意事項(xiàng)

在焊接過(guò)程中，還有其他影響焊接質(zhì)量的因素。如：焊條烘干、保溫、層間溫度控制不當(dāng)、氬氣的純度不夠、管材消磁不徹底、焊工的操作水平、防風(fēng)棚的不密封（管底的過(guò)堂風(fēng)）等都會(huì)引起缺陷的產(chǎn)生。在焊接作業(yè)指導(dǎo)書中都要進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。

5 結(jié)束語(yǔ)

中國(guó)石油天然氣管道第二工程公司在新疆承建的克拉蘇氣田克深5區(qū)塊試采地面集輸管道工程，2015年6月開工至2016年10月完工，各種管徑焊縫共計(jì)2357道，合格率為98.65%。施工中通過(guò)采取具體缺陷針對(duì)性預(yù)防的方法，嚴(yán)格遵照焊接作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行操作，在焊工、焊材、焊接環(huán)境等方面加強(qiáng)管控，并在焊接過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行，通過(guò)從進(jìn)場(chǎng)的管材質(zhì)量到焊接全過(guò)程的嚴(yán)格受控，從而有效保證雙金屬?gòu)?fù)合管焊接質(zhì)量。