唐德渝 ，?；⒗?，薛 龍 ，孫 勃 ，呂 濤

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.北京石油化工學(xué)院，北京 102617）

0 前言

海洋開發(fā)是石油工業(yè)發(fā)展的重要方向。隨著海上油氣資源的開發(fā)利用，海底管線的敷設(shè)將大量增加。并且伴隨運(yùn)行年限的增加，海底管線的水下維修問題也日益突出。因此，提前開展水下焊接方法的研究，自主研發(fā)具有較強(qiáng)工程實(shí)用性和適應(yīng)能力的水下管道焊接與維修技術(shù)，加快該技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程，已是一項(xiàng)日趨迫切的任務(wù)。水下環(huán)境焊接海底管道，其操作條件與陸上完全不同。采用濕法焊接能見度差，焊縫含氫量高，冷卻速度快，焊縫成形差，接頭質(zhì)量不能滿足海洋管道高質(zhì)量的要求。因此，要保證海底管線的焊口質(zhì)量，需采用高壓干法焊接。水下高壓干法焊接，電弧燃燒和熔滴過渡需在高壓氣體環(huán)境中進(jìn)行，另外因操作人員不能進(jìn)入排水罩，需采用自動(dòng)化、智能化的焊接系統(tǒng)，采用遙控方式完成。先期開展的高壓氣體介質(zhì)中的電弧特性、熔滴過渡方式、焊縫成形的組織特征等基礎(chǔ)特性的試驗(yàn)研究是實(shí)現(xiàn)海底管道焊接的基礎(chǔ)。本研究結(jié)合海底管線的焊接條件和質(zhì)量要求，針對(duì)性的開展水下干法高壓氣體環(huán)境下全位置GMAW焊接的電弧物理特性、熔滴過渡、焊縫成形及接頭性能的特點(diǎn)，為海洋石油開發(fā)奠定基礎(chǔ)，具有良好的應(yīng)用前景。

1 試驗(yàn)條件和方法建立

1.1 焊接試驗(yàn)艙設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目工作需有一個(gè)能夠模擬水下焊接條件的干法焊接實(shí)驗(yàn)艙，它包括一個(gè)耐壓殼體、自動(dòng)開啟的艙門、焊接設(shè)備和實(shí)驗(yàn)儀器線纜的進(jìn)出孔、觀察孔以及保持壓力平衡的排煙裝置，如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)用設(shè)備、儀器

試驗(yàn)過程配備專用焊接試驗(yàn)臺(tái)架、空氣壓縮機(jī)、焊接設(shè)備、觀測(cè)和檢測(cè)儀器等。焊接試驗(yàn)臺(tái)架、送絲機(jī)及焊炬部分放置在壓力艙內(nèi)，焊接電源為福尼斯CMT4000，和控制系統(tǒng)一起放置在壓力艙外。其設(shè)備、儀器如圖2、圖3所示。

圖1 高壓焊接實(shí)驗(yàn)艙

2 電弧穩(wěn)定性試驗(yàn)

2.1 空氣壓力環(huán)境下的焊接燃爆試驗(yàn)

在水下干式壓力環(huán)境里進(jìn)行弧焊作業(yè)需要往干式艙內(nèi)通入高壓氣體，以驅(qū)除海水形成干式環(huán)境。充入的氣體可以是空氣、惰性氣體或含惰性氣體的混合氣。焊接過程中，焊接區(qū)還需送保護(hù)氣進(jìn)行保護(hù)。顯然隔水高壓氣體采用空氣經(jīng)濟(jì)效益最好，環(huán)境氣氛控制也最簡(jiǎn)單。但采用空氣加壓后作為隔水氣體有可能燃弧后會(huì)發(fā)生燃爆現(xiàn)象。國內(nèi)前期針對(duì)GTAM方法進(jìn)行過壓縮空氣燃爆試驗(yàn)，在淺水范圍內(nèi)是安全的[1]。由于GMAW焊與氬弧焊差異較大，使用的測(cè)試、觀察儀器較多，本研究針對(duì)試驗(yàn)和應(yīng)用條件，首先進(jìn)行了高壓空氣環(huán)境的燃爆試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖2 艙內(nèi)設(shè)備布置

圖3 采用的焊接電源

表1 空氣壓力環(huán)境下焊接保護(hù)氣燃爆實(shí)驗(yàn)

由表 1 可知，在 0.1～0.6 MPa 空氣壓力范圍內(nèi)，適用于GMAW的焊接保護(hù)氣φ（Ar）82%+φ（CO2）18%，在焊接電流140～180 A時(shí)燃弧，未發(fā)生明火燃燒或爆炸現(xiàn)象，不具備引燃周圍試驗(yàn)裝置的條件，能夠保證試驗(yàn)的安全性。

2.2 高壓環(huán)境電弧特性

2.2.1 環(huán)境壓力影響

為了驗(yàn)證高壓環(huán)境中GMAW焊焊接電弧的穩(wěn)定性，采用了兩種焊接模式進(jìn)行試驗(yàn)：一種為CMT（冷金屬過渡）方法；另一種為協(xié)同控制的常規(guī)GMAW焊接方法。

試驗(yàn)用母材為φ168×8的鋼管（材質(zhì)X65），焊絲為JM-56，直徑φ1.0 mm，干伸長(zhǎng)10 mm，保護(hù)氣為Ar+CO2，氣體流量20 L/min。試驗(yàn)結(jié)果如下。

（1）CMT模式。

在不同焊接電流情況下，隨著環(huán)境壓力的增加，電弧電壓呈上升趨勢(shì)，且隨著電流的增加，電弧電壓也呈增加趨勢(shì)。整個(gè)焊接過程中，焊接電弧穩(wěn)定，如圖4a所示。

圖4 環(huán)境壓力與電弧電壓的關(guān)系

（2）一元化協(xié)同MAG模式。

由圖4b可知，在不同焊接電流下，隨著電流的增加，電弧電壓也呈增加趨勢(shì)。隨著環(huán)境壓力的增加，電弧電壓上升趨勢(shì)不明顯，可能與電弧電壓動(dòng)態(tài)波動(dòng)較大有關(guān)。整個(gè)焊接過程中，焊接電弧基本穩(wěn)定，相對(duì)CMT模式，協(xié)同控制方法有較多飛濺。

隨著環(huán)境壓力的升高，電弧電壓有增加的趨勢(shì)，所以，要獲得較為穩(wěn)定的焊接過程，隨著壓力升高，應(yīng)相應(yīng)提高電源的輸出電壓[2]，或者采用外特性為下降特性的焊接電源。

2.2.2 焊接電流影響

采用同樣的焊接材料和模式，試驗(yàn)了在不同壓力情況，獲得穩(wěn)定的焊接過程，焊接電流和焊接電壓的變化關(guān)系，如圖5所示。無論是CMT模式還是一元化MAG模式，隨著電流的增加，電弧電壓都呈增加趨勢(shì)，即電弧具有上升特性。整個(gè)焊接過程中，焊接電弧穩(wěn)定。

圖5 環(huán)境壓力變化時(shí)焊接電流與電弧電壓的關(guān)系

2.2.3 高壓環(huán)境電弧形貌

實(shí)驗(yàn)采用高速攝像記錄焊接過程，攝像速度為1000 f/s。主要研究不同焊接模式、不同保護(hù)氣體、不同環(huán)境壓力以及不同焊接電流對(duì)應(yīng)的電弧形貌。通過圖像處理，對(duì)比在同一參數(shù)下電弧的最大直徑和高度，進(jìn)而得出相關(guān)的規(guī)律。

不同環(huán)境壓力下的電弧形貌照片如圖6所示，隨著環(huán)境壓力的增加，電弧的高度也略微增加?？傮w上來說，電弧隨環(huán)境壓力的增大而增大，因?yàn)楹附与娏飨嗤?，環(huán)境壓力增加后，電弧電壓也相應(yīng)增加（見電弧靜態(tài)特性的研究），這時(shí)電弧的能量增加，電弧爍亮區(qū)域也更大一些。

3 焊接接頭的組織和性能

圖6 焊接電流200 A時(shí)不同環(huán)境壓力下的電弧照片（CMT模式，保護(hù)氣體Ar+CO2）

采用CMT焊接模式，待焊管件在工作臺(tái)的帶動(dòng)下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，焊槍固定于特定位置不動(dòng)，特定位置分別有：平焊、立向下、仰焊位置。試件為φ168 mm×12 mm的X65管線鋼，焊材為JM-68（GB/ER55-G），保護(hù)氣體φ（Ar）80%+φ（CO2）20%，環(huán)境壓力分別為0 MPa（常壓下）和0.4 MPa兩種。試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

3.1 焊接接頭金相分析

（1）常壓下焊接接頭金相分析。

典型的金相組織照片如圖7～圖10所示。

由圖7～圖10可知，熱影響區(qū)的組織分為過熱區(qū)（粗晶區(qū)）、完全重結(jié)晶區(qū)（細(xì)晶區(qū)）和不完全重結(jié)晶區(qū)。粗晶區(qū)晶粒較粗大，塊狀先共析鐵素體沿原奧氏體晶界析出，晶粒內(nèi)部為針狀鐵素體和少量的珠光體，細(xì)晶區(qū)組織為較小的鐵素體和珠光體。焊縫顯微組織為鐵素體、珠光體和少量的碳化物。這是因?yàn)閄65含碳量低，并且通過C、Mn元素的固溶強(qiáng)化，所以焊縫凝固所形成的奧氏體主要向鐵素體和珠光體相變。相變后的組織主要是鐵素體和少量的珠光體。這些鐵素體通常沿原奧氏體邊界析出。根部焊縫和中間焊縫以等軸晶粒為主，且晶粒較上層焊縫的小，這是因?yàn)楦亢缚p和中間焊縫承受了上層焊縫的熱處理，其組織為晶粒較小的鐵素體和少量珠光體。而蓋面焊縫呈柱狀晶，鐵素體組織晶粒較粗大，且出現(xiàn)了粗大的魏氏組織。

表2 焊接試驗(yàn)參數(shù)

圖7 HAZ金相照片

圖8 根部焊縫

圖9 中間焊縫

圖10 蓋面焊縫

（2）0.4 MPa環(huán)境壓力下焊接接頭金相分析。

典型的金相組織照片如圖11～圖14所示。

圖11 HAZ金相照片

由圖11～圖14可知，與常壓下焊接接頭金相組織相比，0.4 MPa壓力下中間焊縫和蓋面焊縫出現(xiàn)大量上貝氏體組織（圖中大量羽毛狀組織即為上貝氏體組織）。上貝氏體組織的形成必須進(jìn)行碳的重新分布和鐵的晶格改組，碳原子以一定速度在奧氏體中擴(kuò)散和重新分布，鐵和合金原子幾乎不擴(kuò)散，在γ→α轉(zhuǎn)變的同時(shí)，碳自鐵素體中脫落，碳原子穿過鐵素體相界擴(kuò)散到奧氏體中，形成上貝氏體。由于焊接過程在0.4 MPa的壓力下進(jìn)行，影響碳原子的擴(kuò)散速度，從而在中間焊縫和蓋面焊縫出現(xiàn)了大量上貝氏體組織。上貝氏體組織的形成勢(shì)必降低焊接接頭的韌性。另外，與常壓焊接相比，晶內(nèi)碳化物分布集中性差，比較分散，這也是由高壓下碳原子擴(kuò)散速度變化引起的。

圖12 根部焊縫

圖13 中間焊縫

圖14 蓋面焊縫

3.2 焊接接頭力學(xué)性能分析[3]

按照AWS D3.6標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)后加工試樣，進(jìn)行力學(xué)及其他性能測(cè)試，典型結(jié)果如表3、表 4、圖 15 所示。

經(jīng)手持10倍放大鏡宏觀金相檢驗(yàn)，未見明顯缺欠；導(dǎo)向彎曲測(cè)試合格。檢驗(yàn)結(jié)果證明，各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，依此規(guī)范進(jìn)行水下高壓干法GMAW焊接可得到合格的焊接接頭。

表3 焊縫橫向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 低溫夏比沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)（－20℃）

圖15 焊接接頭HV10硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)高壓艙的改造和特殊部件的有效防護(hù)，利用空氣加壓進(jìn)行燃爆實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在0.1～0.6 MPa壓力范圍內(nèi)，壓力艙內(nèi)未發(fā)生明火燃燒或爆炸現(xiàn)象。

（2）在高壓下要得到較為穩(wěn)定的焊接過程，須相應(yīng)提高電源的輸出電壓，干伸長(zhǎng)可取在常壓焊接時(shí)的下限，保護(hù)氣體流量大于15 L/min。在不同的環(huán)境壓力下，CMT模式與一元化模式相比，焊接過程穩(wěn)定，可以作為高壓焊接方法首選。

（3）根據(jù)AWS D3.6標(biāo)準(zhǔn)要求，開展了焊接工藝技術(shù)研究，經(jīng)對(duì)焊接接頭進(jìn)行各種力學(xué)性能測(cè)試，其結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）本研究成果為海洋管道的維搶修施工中的水下焊接開辟了一條新路，隨著海洋石油工程及相關(guān)配套技術(shù)的發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用前景良好。

[1]蔣力培，王中輝，焦向東，等.水下焊接高壓空氣環(huán)境下GTAW 電弧特性[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（6）：1-4.

[2]史耀武，張新平，雷永平.嚴(yán)酷條件下的焊接技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999：1-120.

[3]AWS D3.6M:Specification for underwater welding[S]，1999.