大口徑高壓力天然氣管道焊接工藝的研究

韓 永

（山西天然氣有限公司，山西 太原 030006）

現(xiàn)階段，除了煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導地位外，天然氣和石油也在我國國民經(jīng)濟、工業(yè)生產(chǎn)以及人民生活中應用廣泛。天然氣、石油我國以進口為主，為最安全、可靠的運輸方式為采用管道運輸。以天然氣為例，其管道在工程建設(shè)過程中，尤其是對于長距離輸送的管道保證管道之間的焊接技術(shù)是確保管道運輸安全性的關(guān)鍵[1]。閃光對焊為當前在能源運輸、鐵路建設(shè)方面應用較為廣泛的焊接技術(shù)。本文將以天然氣管道的焊接為背景，探討閃光對焊技術(shù)的應用，并對焊接工藝參數(shù)進行優(yōu)化。

1 閃光對焊技術(shù)概述

閃光對焊屬于電阻焊接技術(shù)，其對應的焊接原理如圖1所示。將焊件的接頭對準并在夾具的作用下夾緊，將焊件接頭不斷靠近并達到局部接觸；對焊接裝置進行通電，并可通過變壓器對電壓進行調(diào)整以對電弧的能量進行調(diào)節(jié)，斷面金屬加熱融化后在頂鍛力的作用下達到焊接的目的[2]。可將閃光對焊劃分為預熱階段、閃光階段、頂鍛階段以及保持和休止階段四部分。其中：在預熱階段后，可保證在焊接過程中更容易達到激發(fā)閃光的目的，從而降低閃光時間、降低金屬損耗；在閃光階段后，在焊件接頭處形成了液態(tài)的金屬層，周圍形成一個可塑性變形的溫度差，為后續(xù)頂鍛階段做準備；在頂鍛階段，主要是在外力的作用下將焊件接頭斷面的液態(tài)金屬層和氧化物雜質(zhì)排出；保持和休止階段是為了保證最終焊接接頭質(zhì)量的關(guān)鍵階段，其中，在保持階段，可避免接頭的快速斷裂，在休止階段，可保證焊接接頭的形貌處于優(yōu)質(zhì)狀態(tài)[3]。

圖1 閃光對焊技術(shù)原理圖

對于閃光對焊技術(shù)而言，影響最終焊接質(zhì)量的工藝參數(shù)包括有伸出長度、閃光電流、閃光留量、閃光速度、頂鍛流量頂鍛速度以及帶點頂鍛時間等。本文將采用試驗方式并以實際焊接工程為例探討閃光對焊技術(shù)的最佳工藝參數(shù)。

2 試驗設(shè)計

簡單的講，閃光對焊技術(shù)實現(xiàn)是在熱力學和機械學聯(lián)合作用下的結(jié)果。對于天然氣管道的焊接而言，為保證天然氣運輸?shù)陌踩院涂煽啃?，選用最佳工藝參數(shù)建立焊件周圍的最佳溫度場，保持焊件的塑性變形的效果等，從而最終保證焊接接頭的質(zhì)量尤為重要[4]。影響焊接接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)較多，本文采用二次回歸正交試驗方法對不同工藝參數(shù)組合下焊接接頭的沖擊、彎曲以及拉伸等力學性能對比，從而得出最佳焊接工藝參數(shù)。

2.1 試驗材料

本實驗的焊接對象為直徑為219 mm的天然氣管道，該管道的壁厚為18 mm。在常溫狀態(tài)下，該天然氣管道的相關(guān)力學參數(shù)如表1所示。

表1 天然氣管道的相關(guān)力學參數(shù)

本試驗所采用的閃光焊機的具體型號為K584Ch，該型閃光焊機的額定電壓為380 V，額定功率為180 kVA；可提供的最大頂鍛速度為30 mm/s，可焊接管道的最大斷面面積為14 000 mm2。

2.2 焊件接頭質(zhì)量檢測方法

對基于不同工藝參數(shù)下焊件接頭的質(zhì)量進行檢測，包括擊、彎曲以及拉伸等力學性能的檢測。焊件接頭拉伸質(zhì)量檢測參照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗室試驗方法》執(zhí)行；焊件接頭彎曲質(zhì)量檢測參照GB/T 2653—008《焊接接頭彎曲試驗方法》執(zhí)行；焊件接頭的沖擊性能檢測參照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》執(zhí)行。

3 天然氣管道焊接工藝研究

3.1 正交試驗方案設(shè)計

結(jié)合相關(guān)理論和實踐經(jīng)驗，本次試驗重點對閃光第1階段距離、閃光第1階段電流、閃光第2階段距離、帶電頂鍛時間和加速閃光末速度5項參數(shù)的最優(yōu)化展開研究，各參數(shù)的取值參照如表2所示。

表2 影響管道接頭焊接質(zhì)量關(guān)鍵參數(shù)取值

根據(jù)回歸正交試驗的設(shè)計原則，在保證試驗全面性的基礎(chǔ)上，避免重復性的試驗次數(shù)和不必要的試驗，本次試驗結(jié)合表2中關(guān)鍵參數(shù)的取值設(shè)計30組焊接工藝參數(shù)組合。對不同焊接工藝組合下天然氣管道焊接接頭處的沖擊韌性進行對比。

3.2 試驗結(jié)果分析

對不同閃光第1階段距離下（其余參數(shù)設(shè)置如下：閃光第1階段電流為280 A、閃光第2階段距離為23 mm、帶電頂鍛時間為0.4 s、加速閃光末速度為1.0 mm/s）焊接接頭沖擊韌性進行對比，包括對焊接接頭的焊縫中心和熱影響兩個區(qū)域的沖擊功進行對比，對比結(jié)果如圖2所示。隨著閃光第1階段距離的增加，焊縫中心和熱影響區(qū)的沖擊功先增大后減??；其中，對焊縫中心沖擊功的影響較小，在12～26 mm的范圍之內(nèi)，沖擊功僅從5 kVA變化至零，當閃光第1階段距離為16～18 mm時，對應的接頭的沖擊功越大；對熱影響區(qū)沖擊功的影響明顯，而且當閃光第1階段距離為22～24 mm時，對應的接頭的沖擊功越大，即對應的沖擊性能越好。

圖2 不同閃光第1階段距離對焊接接頭沖擊性能的影響

綜上所述，當閃光第1階段距離為17 mm，閃光對焊焊縫中心接頭沖擊性能越好；當閃光第1階段距離為23 mm，閃光對焊熱影響區(qū)接頭沖擊性能越好。同理，分別得出天然氣管道焊縫中心和熱影響區(qū)的最佳工藝參數(shù)，分別如表3、表4所示。

表3 天然氣管道焊縫中心最佳焊接工藝參數(shù)

表4 天然氣管道熱影響區(qū)最佳焊接工藝參數(shù)

4 結(jié)論

天然氣、石油為當前的主要能源之一，我國主要以進口為主。對于天然氣和石油而言，以管道運輸方式最為安全、可靠性。隨著天然氣、石油運輸量的增加，對管道的運輸距離、口徑以及壓力的要求越大[5]。為保障管道運輸?shù)陌踩?、可靠性，對管道接頭焊接質(zhì)量的要求越高。本文以天然氣管道焊接接頭沖擊能力為主要考核目標，分別得出了天然氣管道焊縫中心和熱影響區(qū)的最佳焊接工藝參數(shù)。具體總結(jié)如下：

1）天然氣管道焊縫中心最佳焊接工藝參數(shù)，閃光第1階段距離為17 mm、閃光第1階段電流為310 A、閃光第2階段距離為25 mm、帶電頂鍛時間為1.0 s、加速閃光末速度為1.1 mm/s。

2）天然氣管道熱影響區(qū)最佳焊接工藝參數(shù)，閃光第1階段距離為23 mm、閃光第1階段電流為310 A、閃光第2階段距離為27 mm、帶電頂鍛時間為0.6 s、加速閃光末速度為1.0 mm/s。