環(huán)焊縫技術(shù)在大管徑天然氣管道焊接中的應(yīng)用

李 磊，明廷宏，趙春輝，劉 超

（國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司南京應(yīng)急搶修中心，江蘇南京 210046）

0 引言

管道運(yùn)輸與天然氣工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)，目前已經(jīng)成為公路、水運(yùn)、鐵路和航空之外的第五大運(yùn)輸體系。天然氣產(chǎn)品通過管道從產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)接脩裟康牡?，逐漸成為集安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)于一體的運(yùn)輸方式。我國天然氣的儲存與分布比較集中，較大的產(chǎn)氣區(qū)大多數(shù)位于西北地區(qū)和南部海域，都處于偏遠(yuǎn)地段，而天然氣市場主要集中在東部地區(qū)，這就造成了產(chǎn)地與用戶間隔的距離較遠(yuǎn)，因此我國天然氣的運(yùn)輸具有長距離、大輸送量的特點(diǎn)，通常使用大管徑的輸氣管道[1]。

1 環(huán)焊縫技術(shù)對坡口質(zhì)量的控制

1.1 選擇焊接坡口形式

對焊接坡口的加工是管道焊接過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，焊接坡口的形式、尺寸和組裝質(zhì)量，決定了焊縫的質(zhì)量和焊接效率，坡口的尺寸和形狀應(yīng)嚴(yán)格保持一致。通常情況下，如果需要滿足焊縫的正常范圍，從力學(xué)角度分析，坡口寬度越窄，焊接接頭的質(zhì)量越好，焊接效率也得到提高，但是直接增大了焊接難度[2]。坡口能對焊接材料和焊縫金屬的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，合理設(shè)計(jì)和選擇焊接坡口的形式，是保證焊縫質(zhì)量的前提條件。采用環(huán)焊縫技術(shù)選擇坡口的形式，應(yīng)遵循以下原則：①當(dāng)天然氣運(yùn)輸管道的管壁較厚時(shí)，需要保證焊接的透徹性，避免出現(xiàn)未焊透現(xiàn)象；②坡口的焊接要盡量減少熔覆金屬材料的使用，以此提高焊接效率；③對于管道厚度較大的接頭，焊接坡口要盡量減少本身的寬度，以保持焊接質(zhì)量[3]。通常大管徑天然氣管道焊接選擇復(fù)合形坡口，可以使用較少的焊接填充物獲得較高的效率，滿足大壓力的設(shè)計(jì)需求，達(dá)到單面焊接雙面成型的效果。

1.2 設(shè)定密封溝槽結(jié)構(gòu)

應(yīng)用環(huán)焊縫技術(shù)，可以提高密封圈和溝槽結(jié)構(gòu)的密封效果，對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過對密封溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析可知，結(jié)構(gòu)被離散后，單元位移可以用插值函數(shù)表示，轉(zhuǎn)化為剛度矩陣。當(dāng)密封溝槽結(jié)構(gòu)被離散后，施加在結(jié)構(gòu)單元的作用力從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且作用力與位移節(jié)點(diǎn)等效。根據(jù)最小勢能原理，建立位移節(jié)點(diǎn)矩陣，通過對密封溝槽結(jié)構(gòu)單元的整體性分析，找到位移和力學(xué)的平衡條件，構(gòu)成應(yīng)力和應(yīng)變分布的邊界條件。通過環(huán)焊接技術(shù)對溝槽添加固定約束，使封閉圈內(nèi)部受到管壁的壓力作用，在壓力載荷的作用下，坡口產(chǎn)生應(yīng)力變形和位移約束，在交界面進(jìn)行協(xié)調(diào)，以達(dá)到有效的密封作用。

2 環(huán)焊縫技術(shù)對焊接接頭性能的控制

2.1 控制熔覆金屬過渡

應(yīng)用環(huán)焊縫技術(shù)要控制熔覆金屬過渡，通過電弧電流對熔滴進(jìn)行分階段作用，改變不同階段的電弧電流推力，將其產(chǎn)生的熱量匯聚形成高質(zhì)量的熔池，保證了焊接過程的質(zhì)量，使焊縫具有可靠性。利用環(huán)焊縫技術(shù)的控制作用，改變相應(yīng)階段的電弧電流，按照不同熔滴階段的特征，熔覆金屬過渡分為以下階段：①焊絲形成熔滴階段；②加大電弧電流，進(jìn)入熔滴緊縮階段；③熔滴分離進(jìn)入熔池階段，熔滴分離就減小電弧電流，持續(xù)到熔滴進(jìn)入熔池中結(jié)束；④此階段后，焊絲快速熔化，新的熔滴開始形成。按照此過程依次進(jìn)行循環(huán)，熔池維持一段時(shí)間后，熔覆金屬過渡得以完成。

2.2 實(shí)施引弧及焊縫清理

應(yīng)用環(huán)焊縫技術(shù)實(shí)施引弧及焊縫清理，控制整個(gè)管道焊接過程。

（1）預(yù)熱。預(yù)熱對焊接工藝十分重要，通過預(yù)熱減少焊件熔池與母材的溫度差距，相應(yīng)減少了焊接產(chǎn)生的應(yīng)力。預(yù)熱可清除掉天然氣管道表面的水汽，避免出現(xiàn)氫氣孔產(chǎn)生的裂紋，提高環(huán)焊縫焊接質(zhì)量。

（2）引弧。應(yīng)用環(huán)焊縫技術(shù)進(jìn)行引弧操作，使用直接垂直接觸和劃擦的方式，將天然氣管壁焊件相互接觸，此時(shí)使用的焊槍應(yīng)與天然氣管壁保持一定的距離。點(diǎn)燃電弧后，焊件末端要對準(zhǔn)待焊處，輕輕點(diǎn)擊后，再進(jìn)行正常焊接操作。應(yīng)用環(huán)焊縫技術(shù)進(jìn)行引弧，可以避免焊件表面和坡口處的電弧劃傷。

（3）清理。在實(shí)施引弧后，需要清理焊接通道，保證天然氣管道焊口的干凈整潔，使焊接過程順利過渡到后續(xù)階段。

2.3 保證焊接干伸長度

在保持焊接電弧電流和電壓不變的條件下，干伸長度過長，導(dǎo)致熔化速度過快，容易造成未焊透和未熔合的缺陷；干伸長度過短，導(dǎo)致熔池溫度升高過快，容易出現(xiàn)咬邊和凹陷的缺陷。利用環(huán)焊縫技術(shù)可以控制干伸長度在12～20 mm，以達(dá)到焊接質(zhì)量要求。在環(huán)焊縫焊接時(shí)，根焊與熱焊的銜接要連續(xù)，穩(wěn)定電弧的同時(shí)，控制焊絲干伸長度，減小焊絲通過的電弧電流強(qiáng)度，更好地控制焊接過程。環(huán)焊縫填充焊接至坡口兩側(cè)，由于對接接頭的特殊性，需要及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊，以免出現(xiàn)焊道過薄的質(zhì)量問題；通過鋸齒形態(tài)的勻速擺動(dòng)，保證焊接接頭處熔化充分和完全，形成完整的焊縫外觀。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備

為檢驗(yàn)環(huán)焊縫技術(shù)在大管徑天然氣管道焊接中的應(yīng)用效果，選擇管壁厚度為21.4 mm 的X80 管道鋼材材料為實(shí)驗(yàn)?zāi)覆?，以適應(yīng)大管徑和高壓力的輸送需要；選擇焊接材料為直徑1.0 mm 的ER 70S-G 焊絲。實(shí)驗(yàn)材料的具體化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。由表1 和表2 可知，實(shí)驗(yàn)焊接材料準(zhǔn)備符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和天然氣管道工程的技術(shù)要求，能夠保證環(huán)焊縫焊接的力學(xué)和使用性能，對環(huán)境具有一定適應(yīng)性。

表1 實(shí)驗(yàn)?zāi)覆暮秃附z的化學(xué)成分%

表2 實(shí)驗(yàn)?zāi)覆暮秃附z的力學(xué)性能

3.2 設(shè)計(jì)焊接工藝參數(shù)

為保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境符合實(shí)際管道工程應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)焊接實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)如下：選擇向下焊接的方向；設(shè)定電壓為20～24 V，電流為160～240 A；設(shè)定送絲速度為6～12 m/min，焊接速度為40～110 cm/min。

3.3 焊接性能測試結(jié)果

按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求，對環(huán)焊縫焊接的接頭進(jìn)行破壞性測試實(shí)驗(yàn)：①接頭的橫向拉伸性能測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂位置都在母材上，抗拉強(qiáng)度可達(dá)730 MPa，反映出鋼管管體的縱向抗拉強(qiáng)度值較高，管體具有良好的強(qiáng)度穩(wěn)定性；②接頭的側(cè)彎測試、刻槽錘斷測試和宏觀金相檢驗(yàn)的結(jié)果均為合格，滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；③在溫度為-10 ℃的條件下，對環(huán)焊縫的焊縫中心和熱影響區(qū)分別進(jìn)行沖擊韌性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明焊縫中心的沖擊吸收功的平均值為225～245 J，熱影響區(qū)的平均值為245～260 J，說明環(huán)焊接接頭具有較好的沖擊韌性表現(xiàn)；④環(huán)焊接接頭硬度檢測，焊縫的硬度值為255～265 HB，熱影響區(qū)的硬度值247～295 HB，母材的硬度值為235～245 HB，結(jié)果表明焊縫和熱影響區(qū)的硬度值比母材高，符合接頭比母材硬度強(qiáng)的規(guī)律。綜合上述性能測試結(jié)果，應(yīng)用環(huán)焊接技術(shù)進(jìn)行管道焊接，具有良好的性能，滿足工程的標(biāo)準(zhǔn)要求，確保焊接的質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

通過對環(huán)焊縫技術(shù)在大管徑天然氣管道焊接中的應(yīng)用進(jìn)行研究，為天然氣管道建設(shè)提供理論指導(dǎo)，進(jìn)一步促進(jìn)我國管道工程的發(fā)展。本文是在現(xiàn)有焊接工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行的研究，在方案的選擇上還存在一定局限性，后續(xù)研究可設(shè)計(jì)不同的環(huán)焊接方案，對不同的焊材成分進(jìn)行性能評定，以促進(jìn)環(huán)焊接技術(shù)不斷發(fā)展。