大型LNG項(xiàng)目高壓厚壁不銹鋼管道焊接

張中耀，張?jiān)戴?，王瑩釗，張美?/p>

摘要： 采用鎢極氬弧焊打底、焊條電弧焊填充、蓋面的組合工藝焊接厚壁不銹鋼管。從選擇焊接材料、確定焊接工藝參數(shù)、制定焊接順序、控制焊縫根部質(zhì)量及不銹鋼管道焊接防污染措施等方面介紹厚壁不銹鋼管焊接的關(guān)鍵控制點(diǎn)。詳述了焊接施工的要求及厚壁不銹鋼管焊接中存在的問題及控制措施。結(jié)果表明，采用上述工藝及措施，有效解決了厚壁不銹鋼管出現(xiàn)的焊接缺陷，可保證焊縫質(zhì)量;焊接一次合格率達(dá)到了94%以上，證明此焊接工藝的適應(yīng)性，可以在施工生產(chǎn)中推廣運(yùn)用。

關(guān)鍵詞： 高壓; 厚壁; 不銹鋼; 鎢極氬弧焊; 焊條電弧焊

中圖分類號(hào)： TG 442

High pressure thickwall stainless steel pipe welding for large LNG projects

Zhang Zhongyao1， Zhang Yuanlin2， Wang Yingzhao1， Zhang Meili1

（1. China Communications Yingkou Liquefied Natural Gas Co.， Ltd.， Yingkou 115007， Liaoning， China;

2. China Petroleum 6th Construction Company， Guilin 541004， Guangxi， China）

Abstract： Combined process of backing welding with argon tungsten arc welding and filling welding and covering welding with shielded metal arc welding was carried out on the thick wall stainless steel pipe. Key control points of thickwall stainless steel pipe were introduced from aspects of selecting welding materials， determining welding parameters， establishing welding sequence， controlling quality of weld root and antipollution measures of stainless steel pipe welding. The requirements of welding construction and problems and control measures in welding of thick wall stainless steel pipe were described in detail. The results showed that welding defects of thickwall stainless steel tube was effectively solved by the above technology and measures to ensure weld quality. The first pass rate of welding was more than 94%， which proved the adaptability of this welding process and it could be popularized in construction and production.

Key words：? high pressure; thick wall; stainless steel; argon tungsten arc welding; shielded metal arc welding

0前言

大型LNG接收站項(xiàng)目建設(shè)中高壓厚壁不銹鋼管線的焊接質(zhì)量控制是重點(diǎn)之一，也是確保接收站投產(chǎn)后安全有效運(yùn)行的關(guān)鍵[1-2]。國(guó)內(nèi)某大型LNG接收站項(xiàng)目高壓厚壁不銹鋼管線主要分布在高壓泵區(qū)和氣化區(qū)，由于地處海邊，施焊環(huán)境條件不利，且施工周期短，質(zhì)量要求高，對(duì)項(xiàng)目施工形成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)[3]。

1奧氏體不銹鋼管性能和焊接特點(diǎn)

1.1奧氏體不銹鋼管的性能

該項(xiàng)目高壓厚壁不銹鋼管牌號(hào)為ASTM A358 TP304/304L，規(guī)格為610 mm×38.89 mm，電熔焊鋼管，固溶處理狀態(tài)供貨，管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為L(zhǎng)NG，設(shè)計(jì)溫度-170～65 ℃，設(shè)計(jì)壓力13.9 MPa。管材的化學(xué)成分見表1，接頭力學(xué)性能見表2。

1.2高壓厚壁不銹鋼管焊接特點(diǎn)

奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性能，但如果焊接工藝選擇不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕、焊接熱裂紋、接頭脆化及未熔合、氣孔和夾渣等缺陷[4-6]。大口徑厚壁奧氏體不銹鋼管焊接還具有以下特點(diǎn)：①奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差，須嚴(yán)格控制熱輸入和層間溫度，加速冷卻，縮短焊接接頭高溫停留時(shí)間;②管徑大，管壁厚，組對(duì)難度大，焊接收縮量大，需要采取專門措施控制焊接變形;③奧氏體不銹鋼焊接采用鎢極氬弧焊打底，焊道根層易氧化或過燒，導(dǎo)致接頭抗低溫脆性能力降低;④采用焊條電弧焊填充和蓋面，多層多道焊，道間清理工作量大;⑤管道焊接對(duì)焊縫金屬組織有控制鐵素體含量的要求。

2厚壁不銹鋼管焊接關(guān)鍵控制點(diǎn)

2.1選擇碳含量較低的奧氏體不銹鋼焊接材料

選擇成分、性能匹配的低碳低氫型焊接材料，從防止晶間腐蝕、焊接熱裂紋等缺陷的角度出發(fā)，應(yīng)盡量降低含碳量，嚴(yán)格控制S，P等雜質(zhì)元素含量，并采用金相組織為奧氏體+鐵素體雙相組織的焊接材料;但為防止接頭脆化又必須嚴(yán)格控制其中的鐵素體含量，焊接材料熔入焊縫中鐵素體含量控制在3%～8%為宜。

2.2確定合理的焊接工藝參數(shù)

盡量采用小電流、快速焊、多層多道焊，短弧焊操作，有效控制焊接熱輸入，同時(shí)嚴(yán)格控制層間溫度，前層焊道冷卻后再焊次層，避免熔池過熱。

2.3制定合理的焊接順序

采用對(duì)稱焊接方法，2名焊工同時(shí)對(duì)稱焊接，焊接時(shí)的規(guī)范參數(shù)、焊層的厚度、焊道的寬度盡可能保持一致，以達(dá)到焊縫環(huán)向各部位的收縮均勻。在焊接開始初期，必須不斷進(jìn)行測(cè)量、控制、掌握奧氏體不銹鋼大口徑厚壁管焊接過程中的變形規(guī)律和變形量，并針對(duì)過程中出現(xiàn)的焊接變形及時(shí)修正焊接順序。

2.4控制焊縫根部質(zhì)量

采用專門的氣體保護(hù)裝置，在焊縫區(qū)域形成封閉的氣室，向氣室內(nèi)充氬氣來保護(hù)焊縫根部。

2.5不銹鋼管道焊接防污染措施

采用專門的固定支架，嚴(yán)禁不銹鋼與碳鋼直接接觸，焊接過程中的層間清理采用不銹鋼鋼絲刷和專用的鋁基無鐵砂輪片。

3奧氏體不銹鋼厚壁管焊接

3.1焊接方法及坡口形式

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，采用氬弧焊打底，焊條電弧焊填充蓋面的組合焊接方法，焊接接頭采用全熔透的環(huán)向?qū)雍缚p，采用雙V形坡口，坡口形式如圖1所示。

3.2焊接材料

TIG焊絲型號(hào)ER308L，規(guī)格2.4 mm×1 000 mm，供貨要求符合美國(guó)AWS A5.9/5.9M：2012《Specification for bare stainless steel welding electrodes and rods》。焊條型號(hào)E308L16，規(guī)格3.2 mm×350 mm，供貨要求符合AWS A5.4/5.4M： 2012《Specification for stainless steel electrodes for shielded metal arc welding》。焊絲和焊條的化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。

3.3焊接工藝

采用TIG打底焊接2層，其余層間和蓋面采用焊條電弧焊焊接，總焊層數(shù)為9層，焊道層/道順序如圖2所示。

采用小電流、快速、多層多道焊，短弧焊操作，嚴(yán)格控制層間溫度，前一道冷卻后再焊下一道，并有效控制焊接熱輸入，以達(dá)到減小焊接變形、控制鐵素體的含量、提高焊縫的抗熱裂紋的能力。焊接參數(shù)見表5。鎢極采用WC20，2.5 mm，氬氣純度不低于99.99%。焊前不需要預(yù)熱，當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，預(yù)熱溫度不小于15 ℃即可，嚴(yán)格控制道間溫度不大于100 ℃。采用對(duì)稱焊接法，由2名焊工同時(shí)對(duì)稱焊接，盡可能使焊縫收縮變形保持一致，施焊順序如圖3所示。采取快速冷卻措施，盡量減小焊縫在敏化區(qū)的停留時(shí)間。

3.4焊接變形控制

對(duì)整個(gè)焊接過程進(jìn)行焊接變形的監(jiān)測(cè)，并分6個(gè)階段測(cè)量焊縫收縮變形：即焊口組對(duì)固定后、根部2層氬弧焊打底、第1層填充焊接完成后，焊層厚度達(dá)到15 mm后、焊層厚度達(dá)到25 mm后、蓋面焊接完成后。通過對(duì)焊接過程中變形量的監(jiān)測(cè)，掌握變形規(guī)律并及時(shí)修正焊接順序。

4焊接施工要求

采用專門的固定支架，用不銹鋼扁鋼作襯墊隔離。管道組對(duì)應(yīng)內(nèi)壁齊平，如有錯(cuò)口應(yīng)不大于2 mm;一側(cè)管段水平固定，另一側(cè)管段水平自由對(duì)口，以減少管子在焊接過程中的軸向拘束度。每道焊口組對(duì)前，將坡口及其內(nèi)外邊緣20 mm范圍內(nèi)的油、漆、銹、垢等清理干凈，并對(duì)坡口進(jìn)行PT檢驗(yàn)，合格后用丙酮或其他有機(jī)溶劑清洗干凈。焊前清潔焊絲，去除油跡及污物;焊條按廠家要求烘干，以去除水分，防止產(chǎn)生氣孔。點(diǎn)焊前，用密封材料封堵管段兩端，用紙膠帶將對(duì)口部位密封，形成保護(hù)氣室，提前充氬氣，預(yù)先排除管道中的空氣。點(diǎn)焊采用TIG焊工藝，采用材質(zhì)與管材一致的自制不銹鋼三角形定位塊，定位塊長(zhǎng)50 mm，使用ER308L焊絲，定位塊分布于45°，135°，225°，315°位置，當(dāng)打底焊焊接到定位塊位置時(shí)，用砂輪機(jī)磨除定位塊，避免破壞原始坡口。焊條電弧焊時(shí)，接頭相互錯(cuò)開至少30 mm，防止道間缺陷的產(chǎn)生。道間層間清理采用不銹鋼鋼絲刷和專用砂輪片。焊條電弧焊時(shí)，嚴(yán)格按工藝卡道數(shù)執(zhí)行，控制擺動(dòng)寬度不超過2.5倍焊條直徑，減少熱輸入，減少變形。禁止在焊縫以外的母材上引弧，在坡口兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)涂刷白堊粉或其他防污劑;焊接完畢清理焊縫表面的飛濺、焊瘤及污物，焊縫冷卻后及時(shí)進(jìn)行焊口酸洗鈍化。

5質(zhì)量檢驗(yàn)

焊接完成后，焊接表面不得有電弧擦傷。焊縫表面不得有裂紋、未熔合、未焊透、氣孔、夾渣和飛濺等缺陷。焊縫不得低于母材，余高不超過2.5 mm，不得有咬邊，深度超過0.5 mm咬邊，須補(bǔ)焊修磨平滑。在焊條填充厚度10～20 mm和20～30 mm之間，各做一次PT檢測(cè);待焊接完成后對(duì)蓋面層做一次PT檢測(cè)，以便于控制層間缺陷。完成外觀檢查及PT檢測(cè)的焊道24 h后進(jìn)行RT檢測(cè)，檢測(cè)比例100%，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行NB/T 47013.2—2015，技術(shù)等級(jí)AB級(jí)，II級(jí)合格。在整個(gè)施工焊接過程中，監(jiān)督所有的焊縫，可以發(fā)現(xiàn)：①采用3.2 mm的焊條填充蓋面，層間平整，表面成形均勻，余高不超標(biāo);存在個(gè)別焊縫存在咬邊情形，但不連續(xù)，通過焊工操作培訓(xùn)可以修正;②采用雙V形坡口，明顯減少熔敷金屬量，減少熱輸入，降低焊接時(shí)間，表面寬度容易控制，成形良好。

6存在的問題及控制措施

6.1產(chǎn)生夾渣和氣孔等焊接缺陷

剛開始施焊時(shí)，夾渣和氣孔缺陷出現(xiàn)的幾率相對(duì)偏高，產(chǎn)生位置無規(guī)律性，全部出現(xiàn)在焊條的填充層，故對(duì)焊接材料外觀進(jìn)行檢查，尤其是藥皮均勻度、是否存在偏心及烘焙情況進(jìn)行確認(rèn)，明確規(guī)定焊條的領(lǐng)用量和限時(shí)使用及保溫要求;再則對(duì)焊工進(jìn)行專門的厚壁管焊接培訓(xùn)，培訓(xùn)位置為5G（水平固定）和2G（垂直固定），確保所有厚壁不銹鋼焊工培訓(xùn)合格，持證上崗。通過以上控制措施，基本避免了超標(biāo)缺陷的產(chǎn)生。

6.2產(chǎn)生熱裂紋

施焊過程中，在進(jìn)行層間PT檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)偶爾出現(xiàn)局部微細(xì)熱裂紋，出現(xiàn)位置為熔敷金屬厚度在15 mm以上的填充層，主要集中在仰焊和立焊位置，形態(tài)為點(diǎn)狀散射狀，位置在熔合區(qū)或者焊縫區(qū)。對(duì)出現(xiàn)的問題采取以下措施：①對(duì)管材和焊材的化學(xué)成分進(jìn)行分析;②對(duì)焊接材料和焊接接頭的鐵素體含量進(jìn)行檢測(cè);③采用不同廠家焊接材料進(jìn)行對(duì)比分析。

經(jīng)以上試驗(yàn)分析，確認(rèn)管材和焊接材料都能滿足要求，對(duì)施焊過程的工藝措施進(jìn)行逐一排查，考慮到管道施工期間處于夏季，環(huán)境溫度較高，導(dǎo)致管材表面溫度升高，雖然嚴(yán)格控制層間溫度和熱輸入，但是焊縫厚度達(dá)到15 mm以上，焊縫金屬內(nèi)部散熱緩慢，現(xiàn)場(chǎng)不具備用循環(huán)水冷卻的條件，故采取了以下措施：①搭設(shè)遮陽棚;②焊縫金屬厚度達(dá)8 mm以上，采取管內(nèi)、外強(qiáng)制通風(fēng)，加速焊口周圍空氣流動(dòng)，達(dá)到加快管道焊接區(qū)域散熱的目的，此時(shí)注意通風(fēng)角度，避免影響焊接電弧的穩(wěn)定燃燒;③焊接時(shí)電弧盡量壓低，焊條與焊接方向夾角控制在75°～85°，立焊、仰焊位置焊條小幅擺動(dòng)，嚴(yán)格控制焊道寬度和厚度。

通過以上措施，對(duì)焊接熱裂紋的控制取得了很好的效果。

7結(jié)論

（1）通過此LNG項(xiàng)目大口徑高壓厚壁不銹鋼管焊接研究，了解此種材質(zhì)的焊接性與特點(diǎn)，選擇適合的焊接材料、焊接方式和工藝參數(shù)，嚴(yán)格控制焊工的操作技能，能很好控制焊接收縮變形，提升施工效率，保證焊縫質(zhì)量。

（2）焊縫背面充氬保護(hù)，采用TIG打底焊接2層，冷卻后開始焊條填充焊，可以很好解決根部氧化問題，確保根部焊縫低溫韌性要求。

（3）通過采取管道內(nèi)外部通風(fēng)散熱措施，控制熔敷金屬層/道間溫度效果好，有助于預(yù)防熱裂紋發(fā)生，提升焊接質(zhì)量。（4）采用的焊接工藝，通過上述控制措施，滿足LNG項(xiàng)目高壓壁厚不銹鋼焊接施工，有效解決了厚壁不銹鋼管出現(xiàn)的焊接缺陷，焊接一次合格率達(dá)到了94%以上，證明此焊接工藝的適應(yīng)性，可以在施工生產(chǎn)中推廣運(yùn)用。

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收稿日期： 2021-12-09

張中耀簡(jiǎn)介： 學(xué)士，高級(jí)工程師;主要從事管道焊接的研究;835587679@qq.com。