LNG 不銹鋼管線實(shí)芯焊絲脈沖焊接

蘭慶鵬 潘向龍 王 輝 厲運(yùn)田 劉元棟

（海洋石油工程（青島）有限公司，青島 266520）

海洋油氣管線或者液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）模塊化工廠中管線數(shù)量和種類較多。其中，316 型不銹鋼管線由于耐腐蝕性能較高，應(yīng)用場景較為廣泛[1]。在公司承建的LNG 模塊化工廠項(xiàng)目中（見圖1）存在大量不銹鋼工藝管線，直徑最大可達(dá)2 m。不銹鋼管線在預(yù)制階段可以采取高效的埋弧焊施工，但是在工藝管線的總裝階段受限于施工環(huán)境限制，目前以手工氬弧焊為主，缺少較高效的焊接施工方法，制約了施工效率的提高。

圖1 典型工藝模塊

藥芯焊絲焊接由于焊接效率較高，在模塊化工廠項(xiàng)目建造過程中應(yīng)用廣泛[2]，但用于不銹鋼焊接時(shí)存在局部位置焊接成型不良的問題。為了解決施工問題，公司采用機(jī)械軌道式的自動(dòng)焊接方法，并采用實(shí)芯焊絲和脈沖焊接工藝。文章主要介紹手工半自動(dòng)焊接存在的問題，結(jié)合軌道式自動(dòng)焊，介紹實(shí)芯焊絲脈沖自動(dòng)焊接的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)焊接接頭開展一系列測試和功效分析，為行業(yè)內(nèi)大口徑厚壁的不銹鋼管線施工提供參考。

1 焊接方案

1.1 焊接方法

不銹鋼添加了諸多合金元素，熔點(diǎn)及比熱容較高，因此在焊接過程中焊接接頭溫度升溫快、降溫慢。不銹鋼管線焊接施工中，熔池鐵水流動(dòng)性偏差，全位置焊接在仰焊位置附近鐵水在重力作用下下墜，焊工控制熔池難度極大，在如圖2 所示的仰焊位置極易造成焊接成型不良問題。為改善成型，目前焊工施工中經(jīng)常采用斷弧焊加打磨方式施工，較易出現(xiàn)夾渣和氣孔缺陷。

圖2 藥芯焊絲半自動(dòng)仰焊成型

軌道式機(jī)械焊焊接過程無須人為干預(yù)，焊接過程均勻，因此對(duì)于焊接熱輸入量的控制更優(yōu)良。如圖3所示，相較于圖2 的手工半自動(dòng)，軌道式機(jī)械焊在仰焊位置焊道成型焊道平滑度更高，但存在焊接飛濺偏大、成型較難控制的難題。仰焊位置飛濺極容易堵塞導(dǎo)電嘴，同時(shí)大顆粒的飛濺容易造成自動(dòng)焊接設(shè)備的損壞。因此，藥芯焊絲軌道式機(jī)械焊并非最佳選擇。

圖3 藥芯焊絲機(jī)械焊仰焊成型

選擇熱量集中、熱輸入小的焊接方法是解決不銹鋼焊接成型不良的有效方式。熔化極脈沖氣體保護(hù)焊是一種采取脈沖電流進(jìn)行焊接的方法。電流波形有正弦波、矩形波等。這種焊接方法的電流是在較小的基值電流上疊加周期性的高峰值脈沖電流，使得脈沖焊接的波形可在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)[3]，而熔滴的過渡形式基本為噴射過渡。

雖然脈沖電流的峰值較高，如180 ～320 A，但是整體導(dǎo)電時(shí)間很短，加之基值電流較小，如50 ～60 A，脈沖焊接的平均電流比連續(xù)噴射過渡的電流低很多。例如，不銹鋼1.0 mm 直徑實(shí)芯焊絲，焊接平均電流50 ～60 A 就可以實(shí)現(xiàn)噴射過渡。因此，不銹鋼的實(shí)心焊絲脈沖焊接是一種低電流、噴射過渡的焊接方式。焊接過程熱輸入量基本可以控制在0.5 ～0.8 kJ·mm-1。相較于藥芯焊絲，它的熱輸入量下降2/3 左右。熔滴的噴射過渡可以有效保證熔滴與母材的融合，有效避免未熔合缺陷的產(chǎn)生。整體而言，實(shí)芯焊絲脈沖焊接有利于不銹鋼類的材料焊接。

1.2 焊絲及焊接保護(hù)氣體

對(duì)于不銹鋼熔化極氣體保護(hù)焊而言，實(shí)芯焊絲一般采用單一的氬氣（純度不低于99.99%）作為焊接保護(hù)氣。為了增加熔池的流動(dòng)性，可以選擇增加一定比例的氧化性氣體。通?？梢栽诩儦鍤庵性黾?%～2%的O2或者CO2[4]。氧化性氣體的加入可以有效穩(wěn)定陰極斑點(diǎn)，增強(qiáng)電子的發(fā)射能力，降低熔滴和熔池的表面張力，增加熔池的流動(dòng)性，提高焊縫的潤濕性，使脈沖噴射過渡過程更加穩(wěn)定。一般應(yīng)用2%的O2或者5%CO2氣體就可以獲得非常美觀的焊縫成型。

但是，隨著氧化性氣體的增加，熔池表面的輕微氧化現(xiàn)象加劇，元素?zé)龘p增加，焊縫的性能存在下降的可能。因此，匹配的實(shí)心焊絲中需要至少增加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的硅（Si）元素。硅元素的添加可以有效脫氧，焊接時(shí)熔池清晰，飛濺少，同時(shí)流動(dòng)性和潤濕性較好。

在工藝開發(fā)中選取廣泰生產(chǎn)的KMS-316LSi 焊絲，硅元素添加量為0.65%～1.00%，具體化學(xué)成分見表1，焊接保護(hù)氣體最終選擇了98%Ar+2%CO2。

表1 焊絲化學(xué)成分 單位：%

2 工藝試驗(yàn)

2.1 焊接試件的坡口、組對(duì)

工藝試驗(yàn)中選取制造標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A358 GR.316/316L 的不銹鋼鋼管，鋼管中碳含量低于0.035%，符合TP316L 等級(jí)鋼種，同時(shí)拉伸強(qiáng)度符合316 類型鋼種最低515 MPa 的標(biāo)準(zhǔn)。鋼管外徑為457 mm，壁厚為29 mm，工藝開發(fā)依據(jù)ASME IX-2020 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其中坡口設(shè)計(jì)采用ASME B31.3—2020 標(biāo)準(zhǔn)中的復(fù)合坡口，并采用冷機(jī)加工對(duì)試件進(jìn)行坡口制備。工藝開發(fā)所使用的坡口形式如圖4 所示。

圖4 坡口形式及制備

由于自動(dòng)焊封底對(duì)于組對(duì)的公差要求高，組對(duì)誤差需控制在0.5 ～1.5 mm，組對(duì)間隙控制在1.0 ～1.5 mm。車間內(nèi)部管線預(yù)制階段可以通過一定的修復(fù)和調(diào)整手段達(dá)到精度要求，但對(duì)于管線安裝階段達(dá)到自動(dòng)焊封底精度難度較高，一旦出現(xiàn)缺陷，返修工作量較大。因此，工藝開發(fā)中封底焊接使用手工氬弧焊。熱焊道及填充、蓋面焊道均采用熔化極脈沖氣保護(hù)焊施工。

試驗(yàn)中采取的焊接參數(shù)如表2 所示，采取的脈沖波形為正弦波，焊接方法為鎢極氣體保護(hù)電弧焊（Gas Tungsten Arc Welding，GTAW）和GMAW-P。脈沖電弧中基值電流起維持電弧燃燒、預(yù)熱焊絲與母材的作用。基值電流不能取得過大，否則脈沖焊的特點(diǎn)不明顯，通常50 ～80 A 比較合適。脈沖峰值電流是決定脈沖能量的重要參數(shù)，影響著熔滴的尺寸、過渡力和母材的熔深，可根據(jù)工藝需要調(diào)節(jié)脈沖電流幅值來調(diào)節(jié)熔深。噴射過渡的特征隨著脈沖能量參數(shù)明細(xì)不同，焊接過程可以選擇較大的脈沖電流，如峰值電流選擇270 ～320 A，此時(shí)熔滴過渡頻率大于脈沖，過渡有力，過程穩(wěn)定，但焊接速度相對(duì)較快，對(duì)焊工要求偏高。焊接也可以選擇中等程度電流，如峰值電流選擇180 ～220 A，此時(shí)脈沖基本與熔滴過渡同步，過渡穩(wěn)定無飛濺。

表2 焊接參數(shù)

如圖5 所示，焊道表面成型對(duì)比的不銹鋼藥芯焊絲有了極大改觀，焊接焊道成型美觀均勻細(xì)膩，焊道呈金黃色，基本無飛濺。

圖5 熔化極脈沖氣保護(hù)焊焊道成型

2.2 焊接工藝要點(diǎn)

第一，以往項(xiàng)目工藝管線施工過程中，焊接接頭一般采用V 形60°坡口形式，焊材熔敷量大，焊接功效較低。采用圖4 的復(fù)合坡口可以有效降低熔敷金屬量，縮短施工時(shí)間。由于上側(cè)坡口夾角變小，常規(guī)的焊槍導(dǎo)電嘴尺寸偏大，焊接過程極容易造成未熔合缺陷，施工中需要設(shè)計(jì)小尺寸的導(dǎo)電嘴，保證焊槍擺動(dòng)過程中不會(huì)與坡口直邊側(cè)發(fā)生干涉。

第二，不銹鋼焊縫熔池流動(dòng)性差，電弧在兩側(cè)停頓，無法有效帶動(dòng)熔池，因此擺動(dòng)頻率不能過快。采用大擺頻的情況下可以采用更大電流，同時(shí)匹配更高的行走速度。此外，焊槍擺動(dòng)幅度、頻率、行走速度以及兩側(cè)邊緣停留時(shí)間必須合理匹配。

第三，自動(dòng)焊焊槍角度一般保證垂直90°，無須前傾或后傾。

第四，施工中隨時(shí)觀察熔池融合情況，對(duì)于焊道中出現(xiàn)的溝槽較大等問題需要提前打磨處理。坡口兩側(cè)的焊道無須追求過大焊肉厚度，建議采用薄焊道快速多道焊接，以有效避免未熔合缺陷。

2.3 無損檢驗(yàn)和理化試驗(yàn)

焊接完成后對(duì)焊接接頭開展?jié)B透檢測（Penetrant Testing，PT）和射線檢測（Radiographic Testing，RT）。測試顯示，焊道內(nèi)部無任何缺陷，特別是并未出現(xiàn)未熔合、氣孔等缺陷，射線探傷為1 級(jí)片。隨后對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試、彎曲塑性測試、沖擊韌性測試、宏觀測試、硬度測試、鐵素體含量測試以及晶間腐蝕測試。

2.3.1 機(jī)械性能測試

機(jī)械性能試驗(yàn)按照鍋爐及壓力容器規(guī)范《焊接和釬焊評(píng)定》（ASME IX 2007）開展，分別機(jī)加工2 組減截面拉伸試樣、4 組表面彎曲試樣、2 組硬度試樣及6 組（每組3 個(gè)試樣）低溫沖擊韌性試樣進(jìn)行試驗(yàn)。表3 ～表6 為焊接接頭機(jī)械性能測試數(shù)據(jù)，其中表6中接受標(biāo)準(zhǔn)為不高于248 HV。圖6 為焊接接頭的測試點(diǎn)示意圖。

表3 焊接接頭拉伸強(qiáng)度測試結(jié)果

表4 焊接接頭彎曲塑性測試結(jié)果

表5 沖擊韌性測試（測試溫度-196 ℃）

表6 焊接接頭硬度（HV10） 單位：HV

圖6 焊接接頭硬度測試點(diǎn)示意圖

測試結(jié)果表明：使用實(shí)芯焊絲脈沖氣保護(hù)焊接完成的焊接接頭機(jī)械性能測試結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，性能優(yōu)良。

2.3.2 鐵素體數(shù)測試

鐵素體數(shù)（Ferrite Number，F(xiàn)N）是用磁性技術(shù)定量測定鐵素體含量的相對(duì)指標(biāo)。研究表明，一定數(shù)量的鐵素體的存在，如鐵素體數(shù)介于3 ～8，可以有效避免熱裂紋[5]。試驗(yàn)中按照設(shè)計(jì)規(guī)格書要求，測量并統(tǒng)計(jì)焊縫根部和填充焊縫的鐵素體數(shù)，每個(gè)測量位置測量3 次。如表7 所示，測試結(jié)果顯示，整個(gè)焊接接頭鐵素體數(shù)均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，說明接頭具備良好的抗熱裂紋能力。

表7 鐵素體數(shù)測試數(shù)據(jù)

2.3.3 晶間腐蝕

晶間腐蝕采用《奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏感性檢測方法》方法E，測試溶液為700 mL 蒸餾水中溶解100 g CO4?5H2O，隨后添加100 mL 濃硫酸，使用蒸餾水稀釋至1 000 mL。試樣尺寸為10 mm×25 mm×75 mm（厚×寬×長），減薄試樣，從焊接試驗(yàn)件的內(nèi)表面向外表面保留厚度為10 mm，試樣包含根部焊道和填充焊道。試驗(yàn)時(shí)間為15 h，整個(gè)試驗(yàn)期間溶液保持沸騰，沸騰后開始計(jì)時(shí)。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試樣進(jìn)行180°彎曲試驗(yàn)，10 倍放大鏡下檢查試樣是否出現(xiàn)裂縫或裂紋。通過觀察圖7 試樣可以發(fā)現(xiàn)，試樣出現(xiàn)了變形線但未出現(xiàn)任何裂紋，符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，證明焊接接頭抗晶間腐蝕能力較強(qiáng)。

2.3.4 微觀金相分析

焊接接頭使用10%草酸電解并按照《金屬材料的破壞性試驗(yàn)-焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行微觀金相分析。圖8 為焊縫金屬區(qū)域放大500 倍后的圖像，經(jīng)分析組織為奧氏體及枝晶狀鐵素體，呈柱狀晶分布。圖9 為熱影響區(qū)域放大500 倍后的圖像，經(jīng)分析組織為奧氏體基體上分布著條狀、串鏈狀鐵素體，接頭不存在有害組織。測試結(jié)果表明，316 型不銹鋼實(shí)心焊絲脈沖焊接可以獲得組織優(yōu)異的焊接接頭。

圖8 焊縫金屬（500×）

圖9 熱影響區(qū)熔合線（500×）

測試表明，采用含硅元素的316 型不銹鋼實(shí)芯焊絲使用脈沖氣保護(hù)焊接可以獲得外觀成型優(yōu)異、力學(xué)性能優(yōu)良、抗熱裂能力強(qiáng)、抗晶間腐蝕能力強(qiáng)、微觀組織優(yōu)異的焊接接頭。

3 結(jié)語

不銹鋼管線焊口采用含有硅元素的實(shí)芯焊絲利用用脈沖氣保焊自動(dòng)焊工藝，焊接過程飛濺小，焊接接頭成型美觀、均勻、細(xì)膩，可以明顯改善以往使用藥芯焊絲出現(xiàn)的外觀成型差的現(xiàn)象。不銹鋼實(shí)芯焊絲脈沖氣保護(hù)自動(dòng)焊，焊接過程中過渡形式為噴射過渡，可以有效保證熔透深度，獲得高質(zhì)量的焊接接頭。同時(shí)，焊接接頭較為純凈，整體機(jī)械性能、抗熱裂能力、抗晶間腐蝕能力較強(qiáng)，微觀組織優(yōu)異，是一種適用于不銹鋼管線安裝階段施工的焊接方式。