К65管道自動焊工藝研究及應(yīng)用

周文波　寇寶慶　苗廣君

摘要：介紹中俄東線黑龍江穿越工程項目中應(yīng)用的天然氣管道К65鋼材，并分析其焊接性。采用STT半自動根焊+CRC M300C全自動填充蓋面的組合焊接工藝焊接試件并開展了接頭性能試驗。結(jié)果表明：К65管線鋼具有良好的可焊性，選用的焊接材料、焊接設(shè)備和工藝參數(shù)可用于該管線鋼的現(xiàn)場焊接。通過現(xiàn)場應(yīng)用效果可知，該自動焊焊接工藝獲得了預(yù)期工效，且焊接一次合格率高，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

關(guān)鍵詞：中俄東線;К65;STT根焊+CRC M300C自動焊;焊接工藝

中圖分類號：TG457.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0064-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.13

0 前言

中俄東線黑龍江穿越工程是連接正在建設(shè)的中俄東線天然氣管道和俄羅斯西伯利亞力量管道的控制性工程，該工程需在盾構(gòu)隧道內(nèi)安裝管徑1 420 mm、壁厚33.4 mm、材質(zhì)為俄標(biāo)К65鋼級的天然氣管道，管道設(shè)計壓力12 MPa，是目前國內(nèi)長輸管道中焊接口徑最大、壁厚最厚、壓力最高的天然氣管道。本文分析研究工程自動焊焊接工藝及其成功應(yīng)用，為后續(xù)類似項目提供參考。

1 母材焊接性分析

本工程采用的管道為俄羅斯伊諾爾鋼管廠生產(chǎn)的К65管線鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為其企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ТУ1381-011-47966425-2008，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表1、表2所示。К65鋼管代表了俄羅斯天然氣管道的最高水平，但是目前該鋼級尚未收入俄羅斯國家標(biāo)準(zhǔn)GOST R 52079-2003中[1]。К65管線鋼的強度要求與國內(nèi)大規(guī)模推廣應(yīng)用的APL X80鋼相近。

К65執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)也引用了與API SPEC 5L一樣的CE（IIW）和CE（Pcm）參數(shù)，計算方法也相同。Ceq反映了鋼中化學(xué)成分對淬硬程度的影響[2]。ТУ1381-011-47966425-2008規(guī)定要求К65鋼級CE（Pcm）值不大于0.23，CE（IIW）值不大于0.45。經(jīng)計算，用于本次焊接工藝評定試驗的К65鋼管的Ceq=0.43%，Pcm=0.17%。根據(jù)Graville 焊接性評價圖可知，К65鋼級屬于第Ⅰ位置易焊區(qū)，表示其焊接性能良好。К65鋼的Pcm值較低，表示該材料的焊接淬硬傾向及冷裂傾向也會降低，但是考慮到本工程К65管線鋼強度高，壁厚達(dá)到33.4 mm，且運行環(huán)境惡劣（在盾構(gòu)隧道內(nèi)）等因素，研究焊接工藝時仍然需要考慮其冷裂紋傾向。

2 焊接工藝設(shè)計

2.1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

鑒于本項目為中俄雙方過境段工程，根據(jù)中俄雙方業(yè)主達(dá)成的共識，本工程焊接工藝執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的原則如下：

（1）同時執(zhí)行中俄雙方標(biāo)準(zhǔn)。即焊接工藝需同時滿足俄方業(yè)主俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《西伯利亞力量干線管道施工——焊接和焊接接頭質(zhì)量無損檢測的技術(shù)要求》以及中方業(yè)主中國石油天然氣股份有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/SYGD 0503.12-2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范 第12部分：線路焊接》的相關(guān)要求。

（2）中俄雙方標(biāo)準(zhǔn)都做了規(guī)定的驗收項目或驗收指標(biāo)，取標(biāo)從嚴(yán)一方規(guī)定。例如中方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定維氏硬度不應(yīng)大于300 HV10，而俄方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為不大于280 HV10，則按照俄方標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗收。

（3）中俄雙方標(biāo)準(zhǔn)只有一方規(guī)定了驗收項目或驗收指標(biāo)，采用已做規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。如俄方標(biāo)準(zhǔn)未對刻槽錘斷試驗進(jìn)行規(guī)定，中方標(biāo)準(zhǔn)做了相應(yīng)要求，則焊接工藝評定時需按照中方標(biāo)準(zhǔn)增加刻槽錘斷試驗。

（4）涉及到本工程的焊工、焊接工程師、焊接工藝和焊接設(shè)備，均需按照俄羅斯聯(lián)邦國家礦山工業(yè)監(jiān)督局規(guī)定和俄羅斯國家焊接監(jiān)督委員會（簡稱NAKS）要求進(jìn)行相應(yīng)認(rèn)證，并獲得NAKS證書。

2.2 焊接方法和設(shè)備

К65鋼是一種超低碳、微合金高強鋼，強度要求超過6 500 kgf/mm2，即640 MPa。用于本工程的К65鋼管管徑達(dá)到1 420 mm，壁厚33.4 mm，輸送壓力為12 MPa。因此，選擇合適的焊接方法是焊接質(zhì)量和工效的保證。經(jīng)過多方比選，最終選擇采用STT-Ⅱ型CO2氣體保護(hù)半自動焊進(jìn)行根焊和CRC-M300C型藥芯焊絲全自動焊進(jìn)行熱焊、填充和蓋面焊[3]。

根焊設(shè)備選用Lincoln STT-Ⅱ焊接電源匹配STT-10型送絲機(jī)組合，具有高效、穩(wěn)定、可靠等特征，熱焊、填充和蓋面焊選用CRC-Evans公司生產(chǎn)的M300C單焊槍外焊機(jī)。該焊機(jī)主要特點為熔敷率高、可焊接標(biāo)準(zhǔn)坡口、適用于藥芯焊絲自動焊工藝[4]。M300C可大范圍調(diào)整小車行走速度、送絲速度、擺動參數(shù)，能適應(yīng)K65鋼管的焊接。

2.3 焊接材料

根焊采用型號為AWS A5.28 ER80S-G的實心焊絲（直徑1.14 mm），熱焊、填充和蓋面采用型號為AWS A5.36 ER101T1-M21A4-G-H4的氣保護(hù)藥芯焊絲（直徑1.20 mm）。焊材、化學(xué)成分、力學(xué)性能分別如表3、表4所示。

根焊焊絲ER80S-G為實心焊絲，與基于短路液橋表面張力過渡原理的STT-Ⅱ焊機(jī)匹配使用，可獲得良好的背面成形和焊接質(zhì)量。熱焊、填充和蓋面焊道使用氣保護(hù)高韌性藥芯焊絲，可獲得良好的低溫韌性并能滿足強度等機(jī)械性能要求。

2.4 焊前準(zhǔn)備

（1）焊接接頭設(shè)計。

結(jié)合中俄標(biāo)準(zhǔn)和工藝要求，焊接工藝評定所用母材規(guī)格為全尺寸К65鋼管φ1 420×33.4 mm，采用復(fù)合V型坡口，如圖1所示。管道對口間隙寬為2.5～4 mm，錯邊量不超過2.0 mm，余高0～2.0 mm，局部不高于3.0 mm，蓋面焊縫寬度為坡口上端每側(cè)增寬1.5～3.0 mm[5-7]。

（2）焊接用保護(hù)氣體。

根焊保護(hù)氣體為100%CO2;熱焊、填充和蓋面焊保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體，具體如表5所示。

（3）組對及預(yù)熱。

為保證組對質(zhì)量，采用內(nèi)對口器進(jìn)行鋼管的組對，且對口過程中不允許使用敲擊工具。組對時，相鄰鋼管的原有制管焊縫應(yīng)在對口處錯開，距離不小于100 mm，且待焊管子的制管焊縫應(yīng)放在上半圓上。組對后，管子外表面的錯邊量應(yīng)不超過2.5 mm，局部錯邊不大于3.0 mm，且錯位部分的總長度不超過50 mm。同時還應(yīng)使用軌道定位器輔助自動焊小車軌道的安裝，確保焊炬在整個管周長位置對正焊接坡口中心。使用內(nèi)對口器時，只有根焊道完全完成后方可撤離。

К65鋼管焊前必須進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱溫度為150～180 ℃，加熱寬度不少于坡口兩側(cè)各75 mm。采用感應(yīng)加熱器或者環(huán)形丙烷燃燒器進(jìn)行加熱，且預(yù)熱過程不得破壞防腐層的完整性。在預(yù)熱溫度降低不超過20 ℃的情況下，可以用烤把加熱至要求值，否則需要重新預(yù)熱。測量預(yù)熱溫度應(yīng)沿著整個焊接接頭圓周長1/4部位，且在距管端10～15 mm和60～75 mm處測量。

（4）焊工及焊接設(shè)備NAKS認(rèn)證。

根據(jù)俄羅斯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，參與本次工藝評定的焊工均按照РД 03-495-02《焊工和焊接專家鑒定細(xì)則》要求進(jìn)行了認(rèn)證考試并取得合格。焊接設(shè)備也按照РД 03-614-03《危險生產(chǎn)項目中制造、安裝、維修和改造的焊接設(shè)備應(yīng)用規(guī)范》取得了相應(yīng)的NAKS證書，確保設(shè)備參數(shù)的輸出在可控范圍[6-7]。

2.5 焊接工藝參數(shù)

焊接工藝評定工藝參數(shù)如表6所示。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 工藝評定試驗結(jié)果

焊接工藝評定的外觀、無損檢測和機(jī)械性能檢測驗收標(biāo)準(zhǔn)同時執(zhí)行中俄雙方標(biāo)準(zhǔn)，所有焊接過程和試驗流程均依據(jù)項目技術(shù)規(guī)格書要求并在第三方監(jiān)督下執(zhí)行。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格書要求，無損檢測采用目視檢測、射線檢測和PAUT檢測方法進(jìn)行。機(jī)械性能檢測項目包括拉伸、彎曲、夏比沖擊、刻槽錘斷、宏觀金相、維氏硬度。主要力學(xué)性能試驗結(jié)果如表7～表9所示。宏觀金相及硬度分布如圖2～圖4所示。

3.2 結(jié)果分析

（1）焊接完成后，對管道焊縫區(qū)域進(jìn)行了100%VT、100%RT和100%PAUT檢測，無損檢測結(jié)果根據(jù)中俄雙方驗收標(biāo)準(zhǔn)評判均為合格。

（2）機(jī)械性能試驗結(jié)果顯示，焊接接頭的抗拉強度均超過640 MPa，高于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值，且斷裂位置均在母材，表明接頭的拉伸性能合格。

（3）進(jìn)行了180°導(dǎo)向彎曲試驗，通過不同位置的8個試樣結(jié)果可知，彎曲面上的任一裂紋尺寸均不大于3.0 mm，邊緣上的裂紋長度均小于6.0 mm，根據(jù)中俄雙方驗收標(biāo)準(zhǔn)均為合格。

（4）因俄方標(biāo)準(zhǔn)未要求刻槽錘斷試驗，故該試驗按照中方標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。由試驗結(jié)果可知，4個試樣均滿足Q/SYGD 0503.12-2016的驗收要求。

（5）因管道壁厚較大，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，夏比沖擊韌性試驗分別從焊縫上部和下部截取試樣，焊縫及熔合線的低溫（-40 ℃）沖擊韌性均滿足中俄雙方驗收標(biāo)準(zhǔn)。但是，從沖擊韌性數(shù)據(jù)來看，存在一定的離散性，且焊縫中心下部分焊道的沖擊韌性值相對偏低，這表明焊接工藝的穩(wěn)定性方面還需進(jìn)一步提高。

（6）宏觀試樣的焊縫成形良好，焊道焊層數(shù)滿足最低要求，不存在任何未熔合、氣孔等缺陷，焊接接頭硬度值均小于280 HV10，且分布均勻、離散性小，接頭性能符合中俄雙方標(biāo)準(zhǔn)驗收要求。

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

（1）焊接工效。本焊接工藝成功用于中俄東線黑龍江穿越工程盾構(gòu)隧道內(nèi)的管道焊接，管道規(guī)格均為φ1 420×33.4 mm，經(jīng)現(xiàn)場統(tǒng)計，每道焊口的平均焊接時間為8.5 h，是全手工焊焊接速度的3～4倍。

（2）焊接一次合格率高，成形美觀。經(jīng)統(tǒng)計，盾構(gòu)隧道內(nèi)共計安裝了209道焊口，均采用100%RT+100%PAUT檢測，焊接一次合格率達(dá)到95.2%，且焊縫外觀成形美觀，焊道余高均勻，幾乎未見表面缺陷。

（3）經(jīng)濟(jì)效益顯著。因中俄東線黑龍江穿越工程為小斷面盾構(gòu)隧道施工，施工人員無法進(jìn)入隧道內(nèi)部進(jìn)行管道安裝，只能在豎井內(nèi)采用非流水作業(yè)方式進(jìn)行管道焊接，且管道焊接處在整個項目工期的關(guān)鍵路徑上。通過本焊接工藝的成功實施，2018年10月27日項目的全部管道焊接工作完成，較合同工期提前了23天，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)論

（1）К65鋼具有良好的可焊性，符合相關(guān)工程標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）對К65管道開展了STT半自動根焊+CRC M300C全自動填充蓋面的焊接工藝研究，通過合理選擇焊接方法、焊接設(shè)備、焊接材料和焊接工藝參數(shù)，對焊縫進(jìn)行了一系列工藝試驗。工藝評定結(jié)果顯示，該工藝能同時滿足中俄驗收標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）通過中俄東線黑龍江穿越工程實踐，GMAW（STT-Ⅱ）+FCAW-G（CRC-M300C）組合焊接工藝，具有焊接工效相對較高、焊接一次合格率高、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點。這為小斷面盾構(gòu)隧道內(nèi)大口徑長輸管道安裝提供了經(jīng)驗借鑒。

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