金屬粉芯氣體保護(hù)焊在LNG陸地終端模塊上的應(yīng)用實(shí)踐

王強(qiáng)，陳峰，孫玉敬，王振華，劉家富

海洋石油工程（青島）有限公司 山東青島 266520

1 序言

LNG陸地終端模塊的主結(jié)構(gòu)存在大量圓管型節(jié)點(diǎn)、半圓管型節(jié)點(diǎn)和組合型節(jié)點(diǎn)（見圖1），這些節(jié)點(diǎn)焊縫數(shù)量多，空間受限，多數(shù)焊縫只能設(shè)計(jì)為單面坡口，打底焊道需要背面成形光滑無缺陷，且力學(xué)性能良好，施工工期長，對整個(gè)模塊的施工進(jìn)度影響較大。同時(shí)，這些節(jié)點(diǎn)也是模塊結(jié)構(gòu)的主要受力點(diǎn)，其施工質(zhì)量對整個(gè)模塊的質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用，而打底焊道又是節(jié)點(diǎn)每條焊縫的重中之重。目前，廣泛應(yīng)用焊條電弧焊工藝進(jìn)行打底焊道焊接，但其施工效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此應(yīng)用更加高質(zhì)高效的打底焊接技術(shù)勢在必行。

圖1 陸地LNG終端模塊各類節(jié)點(diǎn)

金屬粉芯型藥芯焊絲因其具有焊接質(zhì)量高、工藝性能好、熔敷效率高及綜合成本等特點(diǎn)逐漸為大家所關(guān)注[1]。使用金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊代替焊條電弧焊作為打底工藝，可大幅提高施工效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，且力學(xué)性能優(yōu)良。本文對金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝進(jìn)行了簡單介紹，同時(shí)根據(jù)多年的節(jié)點(diǎn)施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝在LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)上的施工要點(diǎn)，最后總結(jié)了LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)焊接變形控制要點(diǎn)。

2 金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊介紹

金屬粉芯型藥芯焊絲氣體保護(hù)焊接簡稱金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊，是一種半自動(dòng)氣體保護(hù)焊，其焊絲由薄鋼帶包裹金屬粉制成，電流主要從鋼帶通過，其電流密度大、熔化速度快、填充物的熔點(diǎn)低，使得熔化藥粉的能量降低，從而比實(shí)芯焊絲和熔渣型藥芯焊絲具有更高的熔敷速度；焊芯中的鐵粉都轉(zhuǎn)化成了焊縫金屬，熔敷效率最高可達(dá)到97%；焊接熱輸入低、焊接飛濺小、煙塵量少，具有良好的背面成形效果（見圖2）；焊縫表面渣量很少，不但能夠減少脫渣的時(shí)間，提高勞動(dòng)效率，而且能夠避免夾渣等缺陷[2]。金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊可通過金屬粉芯靈活調(diào)整操作性、成形、力學(xué)性能等特殊要求?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，且性能優(yōu)良，是優(yōu)良的打底焊接工藝。

圖2 金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊現(xiàn)場施焊背面成形效果

同時(shí)，金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊也存在一些缺點(diǎn)，工藝參數(shù)范圍較窄，由于電弧能量同時(shí)熔化焊絲鋼帶和包裹的金屬粉，兩者形態(tài)及熔點(diǎn)不同，容易造成電弧不穩(wěn)定；金屬粉會(huì)導(dǎo)致熔池流動(dòng)性變化，不易控制熔池，焊接過程中氣孔敏感性較大；焊接熱輸入過大時(shí)，容易造成合金元素的過度燒損，降低焊縫的力學(xué)性能。因此需在施工過程中，制定相應(yīng)的施工措施。

3 金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊施工工藝

為了獲得性能合格的焊縫，焊接過程中還需要注意以下幾個(gè)方面。

3.1 焊前準(zhǔn)備

在鋼板內(nèi)外兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行焊接的前提下，焊接前應(yīng)檢查坡口表面，保證坡口良好無缺陷，同時(shí)清除坡口表面及兩側(cè)母材表面至少25mm范圍內(nèi)的氧化物、油污、熔渣及其他有害物質(zhì)，并盡快焊接或采取措施防止清理過的坡口被再次污染。

（1）坡口準(zhǔn)備及組對 金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝的熔深較淺，鈍邊不宜過大，容易造成熔合不良，鈍邊取1～2mm。金屬粉芯焊接材料對間隙的大小較為敏感，當(dāng)間隙為1mm時(shí)，打底焊道容易起溝槽，不利于下一道焊接，當(dāng)間隙為2～4mm時(shí)大大好轉(zhuǎn)。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)，間隙4mm時(shí)背面成形尚可，但根部間隙達(dá)到6mm以上則較難控制，因此應(yīng)將根部間隙嚴(yán)格控制在2～4mm（見圖3）。

圖3 坡口設(shè)計(jì)

（2）防風(fēng)防雨 金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊對防風(fēng)要求高，應(yīng)將焊接區(qū)域的風(fēng)速或空氣流動(dòng)速度降低到8km/h以下，最好采用防風(fēng)防雨棚，以降低氣孔和冷裂紋缺陷出現(xiàn)的概率。

（3）設(shè)備材料準(zhǔn)備 焊前需檢驗(yàn)調(diào)試設(shè)備工機(jī)具，保證運(yùn)轉(zhuǎn)良好。按焊接工藝和控制程序的規(guī)定準(zhǔn)備及領(lǐng)取焊材。金屬粉芯焊絲要注意防潮，超過12h或夜間直接暴露在潮濕環(huán)境中的焊絲禁止使用。進(jìn)行焊接操作時(shí)，焊絲送絲機(jī)要蓋好遮蓋板，以防雨天焊絲被雨水淋濕。

待焊母材為工程材料，一般為歐標(biāo)E N10225 S355 G8，該材料具有良好的焊接性和延展性，具體化學(xué)成分見表1。

表1 EN 10225 S355 G8化學(xué)成分與特性 （%）

焊接材料的選擇需要與母材保持盡量匹配，其自身的性能和成分也會(huì)對接頭的最終性能以及工藝的穩(wěn)定性造成重要影響[3]。通過比選，選擇焊接材料型號(hào)為AWS A5.18 ER70C-6M，該種焊接材料的成分和性能與母材相近，且具有良好的抗氣孔性能以及低溫韌性。

（4）人員準(zhǔn)備 由于金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊需要電弧能量同時(shí)熔化焊絲鋼帶和包裹的金屬粉，兩者形態(tài)及熔點(diǎn)不同，容易造成電弧不穩(wěn)定，并需要施焊人員手法穩(wěn)定，適應(yīng)金屬粉芯焊絲操作性特點(diǎn)，因此最好制作試板試焊，以提高熟練度。

3.2 焊接過程控制

（1）起弧與熄弧 金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊自動(dòng)送絲可實(shí)現(xiàn)長焊縫不息弧焊接，因此起弧后無特殊情況盡量不要熄弧，如果焊工調(diào)整姿勢造成中斷，重新起弧前，要將接頭打磨至平滑過渡。

（2）合適的焊接參數(shù) 焊接電流、電弧電壓、焊接速度以及送絲速度構(gòu)成了主要的焊接參數(shù)。通過參數(shù)的匹配試驗(yàn)，獲得穩(wěn)定的參數(shù)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接過程。最終的工藝參數(shù)見表2 。

表2 金屬粉芯氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)

由于金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊焊接參數(shù)范圍較窄，因此應(yīng)嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程的要求調(diào)整好焊接電流、電弧電壓、氣體流速等焊接參數(shù)。在保證熔透和焊縫無缺陷的前提下，應(yīng)在WPS允許的范圍內(nèi)選用小的焊接電流、電弧電壓和熱輸入，尤其是熱輸入，為防止金屬粉合金元素的過度燒損，焊縫每層厚度不應(yīng)超過4mm，焊接過程中特別注意根據(jù)所焊接位置適量調(diào)整焊接電流、電弧電壓，及時(shí)調(diào)整焊槍角度，盡量保證每道焊接參數(shù)變化波動(dòng)小。

（3）缺陷預(yù)防 LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)的單邊V形坡口打底焊接時(shí)容易引起直邊處的未熔合，尤其是仰焊時(shí)，由于焊槍角度太斜，焊絲干伸長過大，導(dǎo)致熔池下流，形成溝槽。這時(shí)如果不做任何處理就進(jìn)行下一道焊接時(shí)，會(huì)在上部的直邊位置出現(xiàn)連續(xù)的未熔合，并且長度較長。因此在焊接時(shí)要注意焊槍角度的控制，不能過大也不能過小，且不能讓干伸長太長，預(yù)制階段能夠翻轉(zhuǎn)的節(jié)點(diǎn)盡量將仰焊調(diào)整為平焊。焊接過程中時(shí)刻觀察側(cè)邊熔合和根部背透，出現(xiàn)熔合不良時(shí)應(yīng)及時(shí)停止并進(jìn)行修正。根部焊道完成后，要仔細(xì)觀察焊道的熔合情況，用砂輪機(jī)將熔合處的尖角、溝槽等打磨平緩。

4 LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)焊接變形控制要點(diǎn)

焊接過程是一個(gè)不均勻加熱的過程，焊件受熱越多，金屬受熱的體積越大，焊接變形的趨勢就越嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)焊縫越多，變形規(guī)律越復(fù)雜。而LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)不僅壁厚較好，而且焊縫數(shù)量多，也就造成了節(jié)點(diǎn)易變形且變形不規(guī)律。因此，必須制定相應(yīng)措施，嚴(yán)格控制LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)焊接變形，其要點(diǎn)如下。

（1）采用小熱輸入焊接 打底焊道作為第一道焊縫對結(jié)構(gòu)變形的影響是最大的，金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊熱輸入小，性能佳，采用金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊打底工藝代替焊條電弧焊可很好地控制焊接變形。在實(shí)際施工中，搭配熱輸入小的藥芯焊絲氣體保護(hù)焊進(jìn)行填充焊接，非常有利于控制節(jié)點(diǎn)變形。

（2）減少焊接材料填充量 坡口角度可選取設(shè)計(jì)文件允許的最小值45°，根部間隙選取2～3mm，以減少焊接材料填充量，從而達(dá)到減少焊接變形的效果。

（3）剛性固定 LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)具有結(jié)構(gòu)截面對稱、焊縫分布對稱的特點(diǎn)，可先裝配成整體，在節(jié)點(diǎn)兩側(cè)分別用加強(qiáng)筋進(jìn)行固定，加強(qiáng)筋板對稱均布，根據(jù)焊縫長度適當(dāng)增加或減少加強(qiáng)筋板（見圖4）。組對時(shí)的輔助工裝應(yīng)避免對施焊產(chǎn)生影響，在焊接冷卻后及時(shí)將其去掉。加強(qiáng)筋剛性固定與自由狀態(tài)相比，可大幅降低焊接變形。

圖4 加強(qiáng)筋剛性固定示意

LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)截面對稱、焊縫分布對稱，非常適合對稱焊接，這也有利于減小結(jié)構(gòu)焊接變形。圓管型節(jié)點(diǎn)可將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)對稱剛性固定，然后兩邊對稱施焊（見圖5），通過節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2焊縫的同時(shí)施工，這樣可以利用對側(cè)節(jié)點(diǎn)的約束來減少自身翼緣板焊接時(shí)的翹曲變形。

圖5 圓管型兩節(jié)點(diǎn)對稱剛性固定示意

半圓管型節(jié)點(diǎn)焊接時(shí)，先焊接管軸向焊縫，然后再焊接管周向焊縫，同類的焊縫要對稱焊接，例如腹板兩側(cè)的半圓管要對稱焊接，半圓管上下兩側(cè)焊縫對稱焊接。復(fù)合型節(jié)點(diǎn)形式多樣，需根據(jù)具體結(jié)構(gòu)形式確定焊接順序，但總體原則是盡量對稱施焊（見圖6）。

圖6 半圓管型節(jié)點(diǎn)焊接順序示意

5 結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用分析，通過合理安排焊接順序，現(xiàn)場采用自動(dòng)焊，焊接所產(chǎn)生的熱輸入和熱變形可控制在合理范圍之內(nèi)，LNG陸地終端模塊的主結(jié)構(gòu)存在大量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，焊縫數(shù)量多，空間受限，且為主要受力結(jié)構(gòu)，對整個(gè)模塊的施工進(jìn)度和質(zhì)量影響極大。金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊應(yīng)用于LNG陸地終端模塊，可實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的高質(zhì)高效焊接，尤其是通過本文總結(jié)的金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊施工要點(diǎn)，可充分發(fā)揮金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)減少金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊缺點(diǎn)的影響，保障LNG陸地終端模塊項(xiàng)目的順利推進(jìn)。

金屬粉芯焊絲氣體保護(hù)焊對于LNG陸地終端模塊節(jié)點(diǎn)的焊接變形控制也十分有利，同時(shí)配合采用小的焊接熱輸入、減少焊接材料填充量、剛性固定和選取合理的焊接順序等一系列的措施，使節(jié)點(diǎn)的焊接變形得到了有效控制，達(dá)到了項(xiàng)目的尺寸精度要求。一系列問題的解決，不僅提升了施工水平，也為公司承擔(dān)類似項(xiàng)目奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。