鎢極氬弧自動焊根焊在中小管徑管道焊接中的應(yīng)用

來海雷 張今明

大慶油田設(shè)計院有限公司

長輸管道焊接經(jīng)歷了手工下向焊[1]、半自動焊、全自動焊三個主要的發(fā)展階段[2]，管道自動焊技術(shù)具有焊接質(zhì)量高、受人為因素干擾少、在大口徑及厚壁管道焊接效率高等優(yōu)點，近年來國內(nèi)在以國家管網(wǎng)公司為代表的高鋼級、大口徑管道建設(shè)過程中得到了廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為了管道建設(shè)中的主流焊接技術(shù)[3]。長輸管道中小管徑通常指D219～711 mm，中薄壁管道指壁厚6.4～12.5 mm，目前在自動焊應(yīng)用方面仍存在一定困難，國家管網(wǎng)廣東省網(wǎng)河源-東源項目線路全長約58.5 km，設(shè)計壓力為6.3 MPa，管徑D610 mm，材質(zhì)L450M，壁厚9/11 mm，為進(jìn)一步推廣自動焊在中小管徑中的應(yīng)用，設(shè)計人員進(jìn)行了相關(guān)的比選，在本項目中開展了中小口徑管道自動焊焊接方式應(yīng)用的探索。

1 自動焊焊接方式比選與設(shè)計

1.1 內(nèi)焊機(jī)根焊自動焊工藝

自動焊采用多焊炬內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行組對和根焊，雙焊炬外焊機(jī)進(jìn)行填充和蓋面，全部焊接過程無須焊機(jī)操作工對電弧或焊絲進(jìn)行操作，焊機(jī)操作工只起引導(dǎo)和調(diào)節(jié)作用[3]。該工藝的配置一般有兩種：

（1）全自動焊大機(jī)組溝上流水焊接。對于地形條件較好時，特別是對于起伏不大且地耐力較好等適合流水作業(yè)的地區(qū)，能滿足全自動焊機(jī)組設(shè)備通行和作業(yè)需要，通常按照1個內(nèi)焊機(jī)根焊工作站加上3～5 個雙焊炬工作站配置。此配置焊接效率最高。

（2）全自動焊小機(jī)組溝上/溝下焊接。對于地耐力較好但由于河流溝渠或道路分隔，連續(xù)作業(yè)面長度較短的地段，或山區(qū)丘陵地形起伏較小地段，可采取全自動焊小機(jī)組溝上/溝下焊接的作業(yè)方案，機(jī)組通常按照1個內(nèi)焊機(jī)根焊工作站加上2～3個雙焊炬工作站配置[4]。

對于大口徑、高鋼級、厚壁管道，自動焊具有施焊速度快、焊接效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定可控、焊縫質(zhì)量高等特點。但是該方式的應(yīng)用仍有一定的局限性，目前成熟應(yīng)用的僅有813 mm 及以上口徑的內(nèi)焊機(jī)，內(nèi)焊機(jī)根焊質(zhì)量比較穩(wěn)定的地形坡度在12°以內(nèi)，國內(nèi)無法通過6D 熱煨彎管，直管和熱煨彎管的焊接無法使用。

1.2 組合自動焊工藝

組合自動焊工藝主要用于局部地形坡度較大地區(qū)以及連頭段，其根焊方式主要為半自動配合STT（表面張力過度）/RMD（控制熔敷金屬過度）專用電源、手工低氫焊條或氬弧焊絲進(jìn)行根焊，氣體保護(hù)藥芯焊絲自動焊填充蓋面[5]。工藝特點：設(shè)備配置簡單靈活，對于不能實現(xiàn)連續(xù)流水焊接有實用意義，特別是連頭焊口（包括直管-直管及直管與熱煨彎管）的焊接。該工藝缺點是相對全自動焊焊接速度慢，制約其在主干線路上的應(yīng)用規(guī)模。

1.3 帶襯墊根焊自動焊工藝

襯墊+外焊自動焊技術(shù)是利用襯墊技術(shù)實現(xiàn)根焊單面焊接雙面成形的一種技術(shù)手段[6]。在進(jìn)行單面焊接時，在焊縫背面貼附一種襯墊，封堵焊件對接處的坡口縫隙，從而約束焊接熔池形態(tài)，形成良好的焊縫質(zhì)量，可以避免焊縫出現(xiàn)未焊透等缺陷。該工藝具備外焊機(jī)根焊+單焊炬外焊機(jī)填充蓋面工藝優(yōu)點，同時也克服了可調(diào)間隙自動外焊完成根焊工藝的缺點。缺點是如果控制不當(dāng)會存在滲銅、粘銅風(fēng)險，目前在應(yīng)用上存在一定的爭議，因此在輸氣管道工程中暫不考慮。

根據(jù)河源-東源項目的特點，可選擇的自動焊方式是組合自動焊，由于組合自動焊根焊采取的是半自動/手工焊+外焊機(jī)自動焊的焊接技術(shù)，在本質(zhì)上仍是人工/半自動焊+自動焊的焊接方式，因此，項目組提出了應(yīng)用鎢極氬弧自動焊根焊+外焊機(jī)自動焊的焊接方式。主要設(shè)計情況如下：

焊絲采用實心焊絲，焊接接頭要求等強(qiáng)或高強(qiáng)設(shè)計，等壁厚焊接坡口采用復(fù)合型U型坡口，對于不等壁厚焊接采用內(nèi)錐孔性坡口，為滿足AUT（全自動超聲波檢測）需求，同時考慮現(xiàn)場加工坡口打磨余量，內(nèi)鏜孔長度≥110 mm[7]。焊接力學(xué)性能符合GB 31032—2014 及DEC（國家管網(wǎng)集團(tuán)設(shè)計與工程建設(shè)準(zhǔn)則）文件要求，無損檢測采用AUT技術(shù)，由于是新工藝首次應(yīng)用，因此考慮采用AUT+RT（射線檢測）雙百檢測，各檢測方法按各自驗收規(guī)范進(jìn)行評判。

2 鎢極氬弧自動焊根焊技術(shù)

鎢極氬弧自動焊根焊+外焊自動焊技術(shù)是使用鎢極氬弧自動焊工藝實現(xiàn)根焊單面焊雙面成形，使用熔化極單絲氣保下向焊填充蓋面的一種工藝[8]，焊接設(shè)備連接見圖1。該工藝適用于各種地形，內(nèi)外對口器均可。與內(nèi)焊機(jī)自動焊相比，不需要每種管徑單獨(dú)配置內(nèi)焊機(jī)，所采用的焊接軌道可以與外焊機(jī)通用，節(jié)約了現(xiàn)場安裝時間。

圖1 焊接設(shè)備連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of welding equipment connection

根焊采用鎢極脈沖氬弧焊工藝，焊接工藝參數(shù)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)，充分發(fā)揮氬弧焊抗風(fēng)能力強(qiáng)、熔透可靠、缺陷少的優(yōu)勢，有效避免管道根焊焊接常見的未焊透、氣孔和內(nèi)凹等缺陷，實現(xiàn)了高質(zhì)量的根焊焊接。焊接速度一般為100～150 mm/min，目前D610 mm 管道氬弧焊打底和熱焊的時間總共約25 min。

填蓋使用單絲脈沖熔化極氣體保護(hù)下向焊，最大熔敷速度可以達(dá)到4.7 kg/h，脈沖電弧穩(wěn)定、熔寬大，可以有效避免未熔和夾渣等缺陷。對于D610 mm×11 mm的管道，焊接時間約90 min。

該工藝具有如下優(yōu)勢：

（1）采用鎢極氬弧自動焊外根焊與組合自動焊相比，根焊實現(xiàn)自動焊，焊接質(zhì)量穩(wěn)定且易管控。

（2）管斜位置焊接質(zhì)量好，管道組對比組合自動焊時間短，可以用于山區(qū)施工；采用鎢極氬弧自動外根焊，相比手工焊接或半自動焊接，焊工更容易掌握。

（3）采用AUT 技術(shù)，檢測更及時、效率高、可靠性更高。

（4）采用實心焊絲代替藥芯焊絲填蓋焊接，能有效保證焊接質(zhì)量[9]。

（5）采用U 型坡口無間隙組對，節(jié)約填蓋量40%以上，焊接接頭綜合性能更好。

3 焊接工藝評定情況

焊接評定單位根據(jù)本工程設(shè)計文件開展了焊接評定工作，根焊采用MCT-400Pro 焊機(jī)，保護(hù)氣體為100%Ar，采用搭橋過渡；填充/蓋面采用DPS-500A 焊機(jī)，保護(hù)氣體為100%Ar，采用滴狀過渡（GMAW），焊接材料均采用直徑1.0 mm 國產(chǎn)金橋JQX70焊絲，不同焊道具體的焊接工藝參數(shù)見表1。

表1 焊接工藝參數(shù)Tab.1 Welding process parameters

鎢極氬弧自動焊根焊焊接接頭與全自動焊一樣，采用U 型坡口，設(shè)計詳見圖2，焊層順序見圖3，主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 焊接接頭設(shè)計主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of welding joint design

圖2 焊接接頭設(shè)計詳圖Fig.2 Welding joint design details

圖3 焊層（道）順序示意圖Fig.3 Schematic diagram of welding layer(pass)sequence

經(jīng)過焊接及相應(yīng)的環(huán)焊縫的力學(xué)性能試驗，最終完成了5G 位的焊接工藝參數(shù)的確定及相應(yīng)的焊接工藝評定工作，分別進(jìn)行了拉伸、刻槽錘斷、彎曲、夏比沖擊、宏觀金相、硬度等試驗檢驗，結(jié)果均能滿足相關(guān)規(guī)范要求，證明該工藝焊縫理化性能良好。由于是新的焊接工藝，沒有合適的AUT 試塊，焊接評定過程中采用了加強(qiáng)級即RT 和PAUT（相控陣超聲波檢測）一級合格的檢測，結(jié)果合格。

通過現(xiàn)場組對、焊接時間記錄，鎢極氬弧自動焊的焊接時間約為不到傳統(tǒng)組合自動焊的一半，鎢極氬弧自動焊焊接效率為傳統(tǒng)組合自動焊的2倍以上，而人員及配備的設(shè)備情況與組合自動焊基本相同。

4 結(jié)束語

目前鎢極氬弧自動焊根焊+外焊機(jī)自動焊技術(shù)經(jīng)初步設(shè)計比選后，在河源-東源項目中確定了2 km的試驗段，在已開展河源-東源項目的焊接工藝評定中，檢驗情況非常良好，符合標(biāo)準(zhǔn)及國家管網(wǎng)DEC 技術(shù)文件的要求。該焊接工藝在質(zhì)量和效率方面優(yōu)于組合自動焊工藝，鎢極氬弧自動外根焊可以實現(xiàn)根焊的自動化，且該工藝在焊接質(zhì)量、檢測方式、施工成本、勞動強(qiáng)度等方面有較多的優(yōu)勢，可以在山區(qū)、丘陵、水網(wǎng)及連頭焊接中進(jìn)行推廣，特別是山區(qū)地段，可以逐步推廣為主流工藝，具有廣闊的應(yīng)用前景。

河源-東源項目是首次將鎢極氬弧自動焊根焊+外焊機(jī)自動焊技術(shù)應(yīng)用在D610 mm 管道建設(shè)中，本次應(yīng)用為中小管徑管道自動焊的應(yīng)用提供了技術(shù)儲備和支持，也為高壓力、小管徑的二氧化碳管道、重要的集氣管道提升焊接質(zhì)量指明了方向。