大型LNG項目高壓厚壁不銹鋼管道焊接

張中耀， 張源麟， 王瑩釗， 張美麗

(1.中交營口液化天然氣有限公司，遼寧 營口 115007； 2.中國石油天然氣第六建設(shè)有限公司，廣西 桂林 541004)

0 前言

大型LNG接收站項目建設(shè)中高壓厚壁不銹鋼管線的焊接質(zhì)量控制是重點之一，也是確保接收站投產(chǎn)后安全有效運行的關(guān)鍵[1-2]。國內(nèi)某大型LNG接收站項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，對項目施工形成了嚴峻的考驗[3]。

1 奧氏體不銹鋼管性能和焊接特點

1.1 奧氏體不銹鋼管的性能

該項目高壓厚壁不銹鋼管牌號為ASTM A358TP304/304L，規(guī)格為φ610 mm×38.89 mm，電熔焊鋼管，固溶處理狀態(tài)供貨，管內(nèi)流動介質(zhì)為LNG，設(shè)計溫度-170～65 ℃，設(shè)計壓力13.9 MPa。管材的化學(xué)成分見表1，接頭力學(xué)性能見表2。

表1 奧氏體不銹鋼管化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 奧氏體不銹鋼管接頭力學(xué)性能

1.2 高壓厚壁不銹鋼管焊接特點

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：①奧氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)大、導(dǎo)熱性差，須嚴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間；②管徑大，管壁厚，組對難度大，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

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，同時嚴格控制層間溫度，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

采用對稱焊接方法，2名焊工同時對稱焊接，焊接時的規(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，必須不斷進行測量、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，并針對過程中出現(xiàn)的焊接變形及時修正焊接順序。

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。

圖1 坡口形式

3.2 焊接材料

TIG焊絲型號ER308L，規(guī)格φ2.4 mm×1 000 mm，供貨要求符合美國AWS A5.9/5.9M：2012《Specificat-ion for bare stainless steel welding electrodes and rods》。

焊條型號E308L-16，規(guī)格φ3.2 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。

表3 焊接材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù) %)

表4 焊接材料的力學(xué)性能

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。

圖2 焊道層/道順序圖

采用小電流、快速、多層多道焊，短弧焊操作，嚴格控制層間溫度，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，φ2.5 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，預(yù)熱溫度不小于15 ℃即可，嚴格控制道間溫度不大于100 ℃。采用對稱焊接法，由2名焊工同時對稱焊接，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)的停留時間。

表5 高壓厚壁不銹鋼管焊接工藝參數(shù)

圖3 對稱施焊順序

3.4 焊接變形控制

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

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。管道組對應(yīng)內(nèi)壁齊平，如有錯口應(yīng)不大于2 mm；一側(cè)管段水平固定，另一側(cè)管段水平自由對口，以減少管子在焊接過程中的軸向拘束度。每道焊口組對前，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，并對坡口進行PT檢驗，合格后用丙酮或其他有機溶劑清洗干凈。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。點焊前，用密封材料封堵管段兩端，用紙膠帶將對口部位密封，形成保護氣室，提前充氬氣，預(yù)先排除管道中的空氣。點焊采用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，用砂輪機磨除定位塊，避免破壞原始坡口。焊條電弧焊時，接頭相互錯開至少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，嚴格按工藝卡道數(shù)執(zhí)行，控制擺動寬度不超過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，焊縫冷卻后及時進行焊口酸洗鈍化。

5 質(zhì)量檢驗

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；待焊接完成后對蓋面層做一次PT檢測，以便于控制層間缺陷。完成外觀檢查及PT檢測的焊道24 h后進行RT檢測，檢測比例100%，檢測標準執(zhí)行NB/T 47013.2—2015，技術(shù)等級AB級，II級合格。在整個施工焊接過程中，監(jiān)督所有的焊縫，可以發(fā)現(xiàn)：①采用φ3.2 mm的焊條填充蓋面，層間平整，表面成形均勻，余高不超標；存在個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，夾渣和氣孔缺陷出現(xiàn)的幾率相對偏高，產(chǎn)生位置無規(guī)律性，全部出現(xiàn)在焊條的填充層，故對焊接材料外觀進行檢查，尤其是藥皮均勻度、是否存在偏心及烘焙情況進行確認，明確規(guī)定焊條的領(lǐng)用量和限時使用及保溫要求；再則對焊工進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，基本避免了超標缺陷的產(chǎn)生。

6.2 產(chǎn)生熱裂紋

施焊過程中，在進行層間PT檢測時，發(fā)現(xiàn)偶爾出現(xiàn)局部微細熱裂紋，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)為點狀散射狀，位置在熔合區(qū)或者焊縫區(qū)。對出現(xiàn)的問題采取以下措施：①對管材和焊材的化學(xué)成分進行分析；②對焊接材料和焊接接頭的鐵素體含量進行檢測；③采用不同廠家焊接材料進行對比分析。

經(jīng)以上試驗分析，確認管材和焊接材料都能滿足要求，對施焊過程的工藝措施進行逐一排查，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，雖然嚴格控制層間溫度和熱輸入，但是焊縫厚度達到15 mm以上，焊縫金屬內(nèi)部散熱緩慢，現(xiàn)場不具備用循環(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8 mm以上，采取管內(nèi)、外強制通風(fēng)，加速焊口周圍空氣流動，達到加快管道焊接區(qū)域散熱的目的，此時注意通風(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，嚴格控制焊道寬度和厚度。

通過以上措施，對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，選擇適合的焊接材料、焊接方式和工藝參數(shù)，嚴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，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)中推廣運用。