高鋼級管道焊接工藝技術(shù)工程應(yīng)用探討

施昊彤 陳海翔 王金漢 蔡 亮

（1.國家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司西四線甘寧（新疆）項(xiàng)目部，寧夏 中衛(wèi) 755000；2.中國石油管道局工程有限公司第三工程分公司，河南 鄭州 451450；3.國家管網(wǎng)北方管道公司沈陽調(diào)度中心，遼寧 沈陽 110031；4.中航油京津冀物流有限公司，天津 300300）

1 高鋼級管道焊接技術(shù)需求

X80鋼級管道是國內(nèi)外新建大型管道工程的首選鋼級，隨著在山區(qū)、高寒等環(huán)境惡劣地區(qū)建設(shè)長輸管道，對焊接質(zhì)量和效率提出更高要求[1]。國外長輸管道廣泛采用熔化極氣保護(hù)自動焊技術(shù)（GMAW），焊接工藝成熟、設(shè)備系列化。中俄東線天然氣管道是典型高鋼級、大口徑、高壓力長輸管道，管材L555M低合金高強(qiáng)度管線鋼管，設(shè)計(jì)輸量380×108m3/a、設(shè)計(jì)壓力12MPa、管徑1422mm。建設(shè)施工環(huán)境溫度低（寒季平均溫度-24℃～-14℃）。中俄東線高鋼級、大壁厚和低溫特征對焊接工藝性能、效率、坡口加工、管口組對要求更高。應(yīng)系統(tǒng)總結(jié)中俄東線在建設(shè)施工中焊接工藝技術(shù)的工程實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，有助于改進(jìn)我國高鋼級管道焊接工藝技術(shù)，提高管道建設(shè)施工水平。

2 高強(qiáng)鋼管道焊接技術(shù)難點(diǎn)和瓶頸問題

高鋼級管道焊接中存在以下技術(shù)難點(diǎn)和瓶頸問題：

（1）熱影響區(qū)脆化/軟化。西氣東輸三線、中貴線、中緬油氣管道施工采用半自動焊技術(shù)，焊接熱輸入量控制不規(guī)范，產(chǎn)生熱影響區(qū)軟化情形，焊縫金屬夏比沖擊韌性離散問題；

（2）高鋼級管材屈強(qiáng)比增大，管道抗側(cè)向彎曲能力降低，應(yīng)用于高寒凍土區(qū)、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)和地震斷裂帶時失效風(fēng)險(xiǎn)增大，特別是針對環(huán)焊接頭機(jī)械性能提出更高要求；

（3）我國鋼管廠L555M鋼管制造產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度存在差異，屈服強(qiáng)度最大偏差可達(dá)200MPa，造成鋼管強(qiáng)度高、環(huán)焊接頭強(qiáng)度低的不匹配問題。

3 高鋼級管道自動焊關(guān)鍵技術(shù)要素

3.1 焊接工藝設(shè)備

中俄東線管道干線采用全自動焊（熔化極氣保護(hù)實(shí)心焊絲電弧焊），自由連頭采用組合電動焊（熔化極氣體保護(hù)藥芯焊絲電弧焊）。環(huán)焊縫采取下向焊、上向焊及其組合的方式。全自動焊設(shè)備是內(nèi)焊機(jī)和雙焊炬外焊機(jī)，保護(hù)氣體成分是80%氬氣和20%二氧化碳?xì)怏w。全自動焊優(yōu)點(diǎn)是環(huán)焊接頭強(qiáng)度韌性良好，臨界韌脆轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)-60℃。缺點(diǎn)是熔寬較窄、熔深較淺，對坡口尺寸和組對精度容錯性非常敏感，可能產(chǎn)生坡口壁未熔合缺陷。組合自動焊設(shè)備是單焊炬外焊機(jī)，保護(hù)氣體成分是80%氬氣和20%二氧化碳?xì)怏w。組合自動焊優(yōu)點(diǎn)是環(huán)焊接頭強(qiáng)度和韌性較好，臨界韌脆轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)-30℃；對坡口尺寸和組對精度容錯性寬泛，產(chǎn)生未熔合缺陷幾率小。缺點(diǎn)是不適用過窄坡口，焊接填充量大，影響焊接效率；焊接過程有造渣、造氣機(jī)制，可能產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺欠。組合自動焊采用現(xiàn)場坡口機(jī)加工。

3.2 焊接材料

X80管線鋼管容焊性較好，宜采用低氫型焊接材料，需考慮環(huán)焊接頭與母材等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配問題。

（1）全自動焊工藝采用實(shí)心焊絲，焊絲產(chǎn)品質(zhì)量差異化是影響焊接質(zhì)量的重要因素，包括焊絲光潔度、直徑偏差、輸絲力度、繞絲條理度、鍍銅工藝、引電嘴磨損水平等因素決定了電弧質(zhì)量、熱量、溫度及穩(wěn)定性，進(jìn)而影響焊接質(zhì)量。全自動焊設(shè)備通常使用定制焊絲，例如CRC焊機(jī)焊絲、Serimax焊機(jī)焊絲等。實(shí)心焊絲產(chǎn)生焊縫機(jī)械強(qiáng)度高于熔敷金屬約100MPa，因此選擇焊絲比母材抗拉強(qiáng)度低1個等級；

（2）單焊炬自動焊采用藥芯焊絲，對現(xiàn)場環(huán)境、保護(hù)氣體等級敏感，如環(huán)境潮濕，或者氣體純度、配備、流量有誤，產(chǎn)生一氧化碳?xì)饪兹毕?。藥芯焊絲產(chǎn)生焊縫金屬強(qiáng)度與熔敷金屬強(qiáng)度基本相當(dāng)，因此焊絲選擇與母材抗拉強(qiáng)度相等的等級。

3.3 坡口加工

全自動焊坡口加工關(guān)鍵3項(xiàng)技術(shù)參數(shù)是坡口表面寬度指、拐點(diǎn)距離內(nèi)側(cè)高度值和鈍邊高度值。坡口表面寬度值是8mm，最佳實(shí)踐寬度范圍是7.7～8.4mm之間，可保證雙焊炬蓋面焊道一次成型。拐點(diǎn)距離內(nèi)壁高度值選擇5.25mm，鈍邊高度值是1.0mm，可保證熱焊層完全焊透，并與根焊縫良好熔合。

質(zhì)量合格的坡口技術(shù)條件為：滿足鈍邊與內(nèi)坡口圓滑過渡，拐點(diǎn)處無凹坑，鈍邊和拐點(diǎn)高度符合焊接標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范?，F(xiàn)場加工的坡口應(yīng)在24h內(nèi)完成作業(yè)，坡口兩側(cè)15cm內(nèi)清潔無雜質(zhì)，滿足超聲無損檢測對鋼管表面粗糙度要求。坡口兩側(cè)2cm范圍內(nèi)打磨出金屬光澤，滿足焊接前坡口技術(shù)條件。

3.4 組對精度

全自動焊對坡口尺寸和組對精度容錯范圍要求很高，要求偏差不超過0.5mm，超過該指標(biāo)即造成坡口壁未熔合缺陷。鋼管吊管下溝作業(yè)應(yīng)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免強(qiáng)力組對產(chǎn)生應(yīng)力集中。滿足焊接要求的組對管口，錯邊量不大于2.0mm且沿管口均勻布置。組合焊對坡口尺寸和組對精度的容錯能力較低，偏差超過2.0mm才會造成坡口壁未熔合缺陷。

3.5 焊接前預(yù)熱

焊接前預(yù)熱目的是預(yù)防冷裂紋。高鋼級、大壁厚需要多層焊以及低溫環(huán)境下，焊接前應(yīng)預(yù)熱。綜合國外高鋼級管道焊接實(shí)踐，X80鋼級管道預(yù)熱溫度范圍為100℃～150℃，多層焊的道間溫度應(yīng)高于60℃。焊接預(yù)熱可采用火焰加熱、環(huán)形火焰加熱方式。中俄東線冬季嚴(yán)寒低溫和大風(fēng)條件下采用中頻加熱方法，并采用電伴熱措施，保證預(yù)熱溫度和道間溫度滿足上述要求。如焊接意外中斷，重新焊接前重新加熱至預(yù)熱溫度。

3.6 焊接施工技術(shù)要點(diǎn)

全自動焊和組合自動焊在專用防風(fēng)防雨棚進(jìn)行。引弧在坡口內(nèi)或已完成焊縫進(jìn)行，不允許在鋼管表面引弧。高鋼級管道焊接應(yīng)特別重視環(huán)焊縫及熱影響區(qū)，嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，例如嚴(yán)格控制焊前預(yù)熱溫度，嚴(yán)格控制焊接熱輸入量在較小數(shù)值（線能量小于58kJ/cm）。根焊焊接應(yīng)避免熔合不良、未焊透及內(nèi)咬邊缺陷，保證機(jī)械性能條件下提高焊接效率。

焊接如產(chǎn)生氣孔缺陷，將缺陷打磨去除，整形出新坡口后進(jìn)行修復(fù)焊接。修復(fù)焊接單個焊縫不小于10cm，總長度不大于1/3鋼管周長?，F(xiàn)場切割焊口切割寬度應(yīng)超過蓋面焊道兩側(cè)約5mm，整體去除焊縫熱影響區(qū)。全壁厚管段返修應(yīng)進(jìn)行整體預(yù)熱，非全壁厚管段返修應(yīng)對返修區(qū)域及上下各100mm區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱。

4 高強(qiáng)鋼管道焊接工藝評定

4.1 環(huán)焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)

為增強(qiáng)管道抗側(cè)向彎曲性能，要求環(huán)焊接頭具備與母材等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配性能。鋼管在不同方向上強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)各向異性，直縫埋弧焊鋼管其管體縱向強(qiáng)度略低于橫向強(qiáng)度。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711-2017《管道輸送系統(tǒng)用鋼管》規(guī)定拉伸試驗(yàn)斷裂在母材的抗拉強(qiáng)度基準(zhǔn)值不小于95%鋼管公稱抗拉強(qiáng)度。調(diào)研我國7家鋼管廠X80鋼管實(shí)際強(qiáng)度指標(biāo)，近50%達(dá)到X90等級。中石油標(biāo)準(zhǔn)Q/SY 0503-2016《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定L555M鋼管實(shí)際強(qiáng)度差異范圍不超過140MPa，避免由于鋼管制造強(qiáng)度過高、環(huán)焊接頭低強(qiáng)匹配的問題。

4.2 環(huán)焊接頭韌性試驗(yàn)

為預(yù)防環(huán)焊縫開裂失效，進(jìn)行夏比沖擊韌性試驗(yàn)。在環(huán)焊接頭的焊縫和熔合線處提取試樣，試樣沖擊功最小值高于38J，三個試樣沖擊功平均值高于50J，測試溫度為-20℃，并測定-30℃沖擊功。中俄東線設(shè)計(jì)溫度-5℃，管道干線夏比沖擊韌性試驗(yàn)溫度為-10℃，考慮管道冬季焊接施工過程焊縫開裂風(fēng)險(xiǎn)，環(huán)焊縫韌性試驗(yàn)溫度降至-20℃，環(huán)焊縫試驗(yàn)條件嚴(yán)于管道干線，保證了中俄東線建設(shè)過程中未發(fā)生矛盾爭議。

4.3 環(huán)焊接頭硬度試驗(yàn)

硬度指標(biāo)反映焊縫在外力作用下抗彈性變形、塑性變形和破裂的機(jī)械性能。中俄東線L555M鋼管環(huán)焊接頭硬度值要求是維氏硬度值（HV10）不大于300。

5 結(jié)語

高強(qiáng)鋼管道在預(yù)防冷裂紋和HAZ脆化方面優(yōu)勢顯著，在環(huán)焊縫焊接中存在高低強(qiáng)度匹配、熱影響區(qū)軟化/脆化、焊接質(zhì)量控制和改進(jìn)焊接效率等問題。中俄東線在建設(shè)施工過程中針對高鋼級管道焊接工藝技術(shù)要素進(jìn)行了多項(xiàng)有益試驗(yàn)和探索。從根本解決上述問題，還應(yīng)從冶金技術(shù)、制造工藝、施工條件和自動焊工藝設(shè)備等多方面加以改進(jìn)解決。