中俄天然氣管道工程全自動(dòng)不等壁厚焊接工藝研究

張 亮，許 強(qiáng)

遼河油田建設(shè)有限公司，遼寧盤(pán)錦 124012

中俄天然氣管道工程采用φ1 422/1 219 mm 管徑焊接，為國(guó)內(nèi)采用的最大管徑施工工程，連頭作業(yè)有自由口連頭、固定口連頭、不等壁厚連頭三種焊接形式，之前均采用焊條電弧焊或RMD 根焊，全自動(dòng)單槍向上填、蓋焊接的組合形式，無(wú)損檢測(cè)方式為RT 和PAUT（手動(dòng)超聲波檢測(cè)） 雙檢[1]。不等壁厚連頭焊接時(shí)，由于壁厚不同，易導(dǎo)致根焊高度不同；焊條電弧焊或RMD 根焊時(shí)，厚壁側(cè)極易產(chǎn)生咬邊或未熔合；或因焊接停留時(shí)間控制不當(dāng)出現(xiàn)埋藏性氣孔缺陷；同時(shí)內(nèi)焊道也會(huì)與厚壁側(cè)內(nèi)壁母材產(chǎn)生夾角，形成假未熔合現(xiàn)象。無(wú)損檢測(cè)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)根焊RT 檢測(cè)氣孔超標(biāo)、PAUT檢測(cè)未熔合超標(biāo)、層間未熔合超標(biāo)。由于工程規(guī)定根部檢測(cè)不合格的不予返修，直接割口處理。為了保證根部焊接一次合格，經(jīng)不斷實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，氬弧根焊能夠很好地彌補(bǔ)以上缺陷，能得到致密、無(wú)飛濺、質(zhì)量高的焊縫，單側(cè)熔合性優(yōu)于原有工藝。連頭焊接一次合格率由之前的45%提高到目前的96%。固定口連頭不等壁厚焊接采用氬弧打底、全自動(dòng)填充、蓋面焊接工藝。

1 焊接設(shè)備材料

1.1 焊材

表1 填充材料

1.2 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 焊接設(shè)備

1.3 氣體

根焊焊接保護(hù)氣為Ar 氣，純度≥99.99%。熱焊、填充、蓋面（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“外焊”） 焊接保護(hù)氣體為混合氣，配比為：80%Ar + 20%CO2，CO2氣體純度＞99.5%，Ar 氣純度≥99.96%。

2 焊接工藝

2.1 坡口形式

以管壁厚25.7 mm 和30.8 mm 的不等壁厚連頭焊接為例，其不等壁厚的對(duì)接形式如圖1 所示。坡口面角度：β=14°～30°，α=22°～25°；鈍邊p：（1.6±0.4） mm；坡口型式：V 型坡口，對(duì)接接頭形式；對(duì)口間隙b：3.5～4.5 mm；對(duì)口錯(cuò)邊：≤2.5 mm；余高：宜為0～2.0 mm，局部不大于3.0 mm 且長(zhǎng)度≤50 mm；蓋面焊縫寬：坡口上口每側(cè)增寬0.5 ～2.0 mm；焊接層數(shù)（φ1 422 mm×25.7 mm 管道）：根焊1 層、熱焊1 層、填充焊7層、蓋面焊2 道排焊。

圖1 不等壁厚對(duì)接形式

2.2 焊前準(zhǔn)備

采用外對(duì)口器組對(duì)，錯(cuò)邊量不大于管壁厚的1/8，且小于2.0 mm。電感應(yīng)或電加熱預(yù)熱，預(yù)熱溫度100～150 ℃，加熱寬度為坡口兩側(cè)各75 mm，層間溫度60～150 ℃，在距管口25 mm 處均勻選取圓周上4 點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫。施工環(huán)境：溫度≥30 ℃，相對(duì)濕度≤90%，根焊風(fēng)速≤2 m/s，外焊風(fēng)速≤2 m/s。

2.3 焊接工藝參數(shù)（見(jiàn)表3）

2.4 根焊程序要求

2.4.1 焊前準(zhǔn)備

（1） 檢查焊接設(shè)備所有的接頭是否牢固。氣體及冷卻系統(tǒng)等的接頭必須牢固，螺紋部位要鎖緊，以防漏電、漏氣或漏水，造成觸電及機(jī)件損壞。為防止觸電，必須安裝接地線。檢查焊接極性是否為直流正接。

表3 焊接工藝參數(shù)

（2） 由于屬于野外施工，為了減少成本，方便施工，氬弧焊根焊用土把焊接。焊接時(shí)，為降低氬氣的消耗量，依接頭形狀選用適用瓷嘴，一般選4#或者6#直徑開(kāi)口的槍嘴，降低氣體流失。焊接時(shí)需要搖槍?zhuān)捎诠軓奖诤褫^大，前端加長(zhǎng)的氬弧瓷嘴不宜太粗，以免造成搖擺焊槍不便，形成未熔、內(nèi)凹、塌陷、咬邊等缺陷。土把焊接起弧采用鎢極與焊絲之間劃擦引弧，以防止夾鎢。不用焊槍時(shí)，應(yīng)將其懸掛于吊架上，以防瓷嘴摔壞，同時(shí)將氣閥關(guān)閉，減少氣體浪費(fèi)。

（3） 鎢棒尖端的加工形狀如圖2 所示。磨削鎢棒應(yīng)順縱長(zhǎng)方向研磨，不可沿圓周方向研磨，否則會(huì)造成研磨痕跡，易染污焊道。

圖2 鎢極打磨形狀

（4） 氬氣瓶、壓力表、流量計(jì)及氬弧焊機(jī)禁止沾上機(jī)油，以防止燃燒而引起爆炸。將氬氣壓力調(diào)到5～10 MPa 后，為防止氣表不準(zhǔn)或者氣路有漏氣，將瓷嘴側(cè)對(duì)著臉或者手背清拂感受氣流大小，最終確定其流量大小。

2.4.2 焊接操作要點(diǎn)

（1） 對(duì)口間隙為3.5～4.5 mm，外焊設(shè)備的穿透力較強(qiáng)，為防止熱焊時(shí)產(chǎn)生燒穿、燒熔現(xiàn)象，根焊的厚度控制在6～8 mm。

（2） 焊接時(shí)，鎢極伸出長(zhǎng)度為8～12 mm，以保持電弧的穩(wěn)定性。仰位焊接時(shí)容易形成背面咬邊或凹陷，焊接時(shí)往根部多送絲。立位焊到平焊時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)瘤，焊接時(shí)控制焊絲的位置，保證熔合不出問(wèn)題的情況下多往外送一些。同時(shí)也可以擺到坡口壁上分散熔池的熱量，以防止過(guò)瘤。

（3） 焊接時(shí)，壁厚較大的一側(cè)可稍多停留并多送點(diǎn)焊絲，防止咬邊或焊縫低于母材。

（4） 土槍收弧沒(méi)有電流衰減功能，收弧極易產(chǎn)生縮孔。收弧時(shí)，將電弧帶到坡口壁上，等熔池的熱量完全到達(dá)坡口壁時(shí)再收弧。

2.5 外焊程序要求

2.5.1 外焊參數(shù) （見(jiàn)表4）

表4 外焊參數(shù)

2.5.2 焊前檢查

（1） 外焊前需檢查設(shè)備。檢查焊絲盤(pán)是否能夠正常出絲；將氣帶里的空氣排凈；檢查氣表是否加熱，防止氣瓶中流出的CO2氣體在氣化和減壓過(guò)程中由于溫度降低使內(nèi)含水分結(jié)冰而凍結(jié)氣路，氣瓶出口處加預(yù)熱器（與流量計(jì)一體）。

（2） 設(shè)備啟動(dòng)前，應(yīng)檢查指示儀表、開(kāi)關(guān)和電源極性。

（3） 焊接前需試焊接，將信號(hào)反饋到控制箱的同時(shí)，觀察焊接速度、擺寬、擺頻、邊緣停留是否與該層焊道相匹配。

2.5.3 焊接操作要點(diǎn)

（1） 各層焊接需注意電弧到坡口兩側(cè)的熔合、電弧的高低。外焊焊接層數(shù)具體由坡口寬度決定，一般為熱焊和7 層填充，蓋面為雙排道焊接，若焊口過(guò)寬則用填充6 和填充7 反復(fù)雙排道焊接。

（2） 焊絲干伸長(zhǎng)度為10～15 mm，由于軌道的接縫處沒(méi)有墊片，該位置比垂直方向最高點(diǎn)低15～20 mm，焊接時(shí)注意調(diào)整焊絲的高低，以免因?yàn)楹笜屵^(guò)低燒導(dǎo)電嘴，使導(dǎo)電嘴材料熔于母材，出現(xiàn)滲銅、氣孔缺陷。若抬槍過(guò)高，氣體保護(hù)不到位出現(xiàn)氣孔，同時(shí)電流、電壓變小出現(xiàn)未熔夾渣缺陷。

（3） 焊接地線放置在坡口內(nèi)，宜用卡具使地線與被焊鋼管牢固接觸，避免產(chǎn)生電弧灼傷母材。焊接地線末端必須露出金屬光澤，保證其導(dǎo)電性，避免因電流、電壓不足產(chǎn)生大的飛濺或熔合不好。

（4） 為防止延時(shí)送氣造成的氣孔缺陷，起弧前宜將焊絲端部去除約10 mm。

（5） 焊接過(guò)程中發(fā)現(xiàn)層（道） 間焊接缺陷，應(yīng)采用打磨、焊接等方式立即進(jìn)行修補(bǔ)，修補(bǔ)焊接時(shí)，應(yīng)將缺陷完全去除，并采用原焊接工藝進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)焊接過(guò)程中應(yīng)保證層（道） 間滿足焊接工藝規(guī)程要求。當(dāng)焊接所用保護(hù)氣體瓶?jī)?nèi)壓力低于0.98 MPa 時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換，以防止因氣壓不足產(chǎn)生氣孔。

3 焊接性能評(píng)定

通過(guò)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，確認(rèn)該種焊接工藝能夠確保焊接質(zhì)量，焊接接頭的使用性能符合設(shè)計(jì)要求。

3.1 環(huán)焊焊口檢測(cè)項(xiàng)目

環(huán)焊焊口檢測(cè)項(xiàng)目包括：室溫拉伸試驗(yàn)[2]（Rm、斷裂位置）、-20℃夏比沖擊試驗(yàn)[3]（KV2）、刻槽錘斷試驗(yàn)[4]、彎曲試驗(yàn)[5]、金相檢驗(yàn)[6]和硬度試驗(yàn)[7]。

3.2 取樣

取樣位置示意如圖3 所示。

圖3 取樣位置示意

3.3 檢測(cè)結(jié)果

3.3.1 拉伸試驗(yàn) （室溫）

拉伸試驗(yàn)（室溫） 評(píng)判依據(jù)為：每個(gè)帶焊縫的拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于或等于管材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度（Rm≥625 MPa），但不需要大于或等于管材的實(shí)際抗拉強(qiáng)度[2]。拉伸試驗(yàn)所用試樣規(guī)格為25.7 mm×25 mm，結(jié)果見(jiàn)表5，拉伸試驗(yàn)斷后試樣照片見(jiàn)圖4。

表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4 拉伸試驗(yàn)斷后試樣照片

3.3.2 夏比沖擊試驗(yàn) （-20 ℃）

夏比沖擊試驗(yàn)評(píng)判依據(jù)為：吸收能量KV2（單值） ≥38 J[3]，吸收能量KV2（平均值） ≥50 J。夏比沖擊試驗(yàn)所用試樣的規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm（V 型），結(jié)果見(jiàn)表6，沖擊試驗(yàn)斷后試樣照片見(jiàn)圖5。

表6 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

圖5 沖擊試驗(yàn)斷后試樣照片

3.3.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)評(píng)判依據(jù)為：試樣拉伸彎曲表面上的焊縫和熱影響區(qū)所發(fā)現(xiàn)的任何方向上的任一裂紋或其他缺陷尺寸不應(yīng)大于鋼管公稱(chēng)壁厚的1/2，且不大于3 mm。除非發(fā)現(xiàn)其他缺陷，由試樣邊緣上產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度在任何方向不應(yīng)大于6 mm[4]。彎曲試驗(yàn)所用試樣規(guī)格為25.7 mm×13 mm，結(jié)果見(jiàn)表7，彎曲試驗(yàn)后試樣照片見(jiàn)圖6。

表7 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖6 彎曲試驗(yàn)后試樣照片

3.3.4 刻槽錘斷試驗(yàn)

刻槽錘斷試驗(yàn)的評(píng)判依據(jù)為：每個(gè)刻槽錘斷試樣的斷裂面應(yīng)完全焊透和熔合；任何氣孔的最大尺寸應(yīng)不大于1.6 mm，且所有氣孔的累計(jì)面積應(yīng)不大于斷裂面積的2%；夾渣深度應(yīng)不超過(guò)0.8 mm，長(zhǎng)度應(yīng)不大于鋼管公稱(chēng)壁厚的1/2，且小于3 mm；相鄰?qiáng)A渣之間至少應(yīng)有13 mm 無(wú)缺陷的焊縫金屬[4]。刻槽錘斷試驗(yàn)所用試樣規(guī)格為25.7 mm×25 mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，試驗(yàn)后試樣照片見(jiàn)圖7。

表8 刻槽錘斷試驗(yàn)結(jié)果

圖7 刻槽錘斷試驗(yàn)后試樣照片

3.3.5 金相試驗(yàn)

金相試驗(yàn)評(píng)判依據(jù)為：試樣的焊縫截面不應(yīng)有裂紋和未熔合，并應(yīng)滿足“刻槽錘斷試驗(yàn)”的要求，且實(shí)際焊接層數(shù)和道數(shù)滿足焊接工藝規(guī)程（最少10 層11 道） 的要求[6]。金相試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

表9 金相試驗(yàn)結(jié)果

3.3.6 硬度試驗(yàn)

硬度試驗(yàn)評(píng)判依據(jù)為：維氏硬度值≤300[7]。硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 硬度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

該工藝已在中俄天然氣東線管道工程連頭施工中得到較好應(yīng)用。本文設(shè)定的焊接工藝參數(shù)僅針對(duì)固定規(guī)格管口的焊接，其他規(guī)格管徑施焊需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。