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        中俄天然氣管道工程全自動不等壁厚焊接工藝研究

        2020-01-02 08:45:22亮,許強(qiáng)
        石油工程建設(shè) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:焊絲坡口氣孔

        張 亮,許 強(qiáng)

        遼河油田建設(shè)有限公司,遼寧盤錦 124012

        中俄天然氣管道工程采用φ1 422/1 219 mm 管徑焊接,為國內(nèi)采用的最大管徑施工工程,連頭作業(yè)有自由口連頭、固定口連頭、不等壁厚連頭三種焊接形式,之前均采用焊條電弧焊或RMD 根焊,全自動單槍向上填、蓋焊接的組合形式,無損檢測方式為RT 和PAUT(手動超聲波檢測) 雙檢[1]。不等壁厚連頭焊接時,由于壁厚不同,易導(dǎo)致根焊高度不同;焊條電弧焊或RMD 根焊時,厚壁側(cè)極易產(chǎn)生咬邊或未熔合;或因焊接停留時間控制不當(dāng)出現(xiàn)埋藏性氣孔缺陷;同時內(nèi)焊道也會與厚壁側(cè)內(nèi)壁母材產(chǎn)生夾角,形成假未熔合現(xiàn)象。無損檢測經(jīng)常發(fā)現(xiàn)根焊RT 檢測氣孔超標(biāo)、PAUT檢測未熔合超標(biāo)、層間未熔合超標(biāo)。由于工程規(guī)定根部檢測不合格的不予返修,直接割口處理。為了保證根部焊接一次合格,經(jīng)不斷實(shí)踐發(fā)現(xiàn),氬弧根焊能夠很好地彌補(bǔ)以上缺陷,能得到致密、無飛濺、質(zhì)量高的焊縫,單側(cè)熔合性優(yōu)于原有工藝。連頭焊接一次合格率由之前的45%提高到目前的96%。固定口連頭不等壁厚焊接采用氬弧打底、全自動填充、蓋面焊接工藝。

        1 焊接設(shè)備材料

        1.1 焊材

        表1 填充材料

        1.2 焊接設(shè)備

        焊接設(shè)備見表2。

        表2 焊接設(shè)備

        1.3 氣體

        根焊焊接保護(hù)氣為Ar 氣,純度≥99.99%。熱焊、填充、蓋面(以下簡稱“外焊”) 焊接保護(hù)氣體為混合氣,配比為:80%Ar + 20%CO2,CO2氣體純度>99.5%,Ar 氣純度≥99.96%。

        2 焊接工藝

        2.1 坡口形式

        以管壁厚25.7 mm 和30.8 mm 的不等壁厚連頭焊接為例,其不等壁厚的對接形式如圖1 所示。坡口面角度:β=14°~30°,α=22°~25°;鈍邊p:(1.6±0.4) mm;坡口型式:V 型坡口,對接接頭形式;對口間隙b:3.5~4.5 mm;對口錯邊:≤2.5 mm;余高:宜為0~2.0 mm,局部不大于3.0 mm 且長度≤50 mm;蓋面焊縫寬:坡口上口每側(cè)增寬0.5 ~2.0 mm;焊接層數(shù)(φ1 422 mm×25.7 mm 管道):根焊1 層、熱焊1 層、填充焊7層、蓋面焊2 道排焊。

        圖1 不等壁厚對接形式

        2.2 焊前準(zhǔn)備

        采用外對口器組對,錯邊量不大于管壁厚的1/8,且小于2.0 mm。電感應(yīng)或電加熱預(yù)熱,預(yù)熱溫度100~150 ℃,加熱寬度為坡口兩側(cè)各75 mm,層間溫度60~150 ℃,在距管口25 mm 處均勻選取圓周上4 點(diǎn)進(jìn)行測溫。施工環(huán)境:溫度≥30 ℃,相對濕度≤90%,根焊風(fēng)速≤2 m/s,外焊風(fēng)速≤2 m/s。

        2.3 焊接工藝參數(shù)(見表3)

        2.4 根焊程序要求

        2.4.1 焊前準(zhǔn)備

        (1) 檢查焊接設(shè)備所有的接頭是否牢固。氣體及冷卻系統(tǒng)等的接頭必須牢固,螺紋部位要鎖緊,以防漏電、漏氣或漏水,造成觸電及機(jī)件損壞。為防止觸電,必須安裝接地線。檢查焊接極性是否為直流正接。

        表3 焊接工藝參數(shù)

        (2) 由于屬于野外施工,為了減少成本,方便施工,氬弧焊根焊用土把焊接。焊接時,為降低氬氣的消耗量,依接頭形狀選用適用瓷嘴,一般選4#或者6#直徑開口的槍嘴,降低氣體流失。焊接時需要搖槍,由于管徑壁厚較大,前端加長的氬弧瓷嘴不宜太粗,以免造成搖擺焊槍不便,形成未熔、內(nèi)凹、塌陷、咬邊等缺陷。土把焊接起弧采用鎢極與焊絲之間劃擦引弧,以防止夾鎢。不用焊槍時,應(yīng)將其懸掛于吊架上,以防瓷嘴摔壞,同時將氣閥關(guān)閉,減少氣體浪費(fèi)。

        (3) 鎢棒尖端的加工形狀如圖2 所示。磨削鎢棒應(yīng)順縱長方向研磨,不可沿圓周方向研磨,否則會造成研磨痕跡,易染污焊道。

        圖2 鎢極打磨形狀

        (4) 氬氣瓶、壓力表、流量計及氬弧焊機(jī)禁止沾上機(jī)油,以防止燃燒而引起爆炸。將氬氣壓力調(diào)到5~10 MPa 后,為防止氣表不準(zhǔn)或者氣路有漏氣,將瓷嘴側(cè)對著臉或者手背清拂感受氣流大小,最終確定其流量大小。

        2.4.2 焊接操作要點(diǎn)

        (1) 對口間隙為3.5~4.5 mm,外焊設(shè)備的穿透力較強(qiáng),為防止熱焊時產(chǎn)生燒穿、燒熔現(xiàn)象,根焊的厚度控制在6~8 mm。

        (2) 焊接時,鎢極伸出長度為8~12 mm,以保持電弧的穩(wěn)定性。仰位焊接時容易形成背面咬邊或凹陷,焊接時往根部多送絲。立位焊到平焊時容易產(chǎn)生過瘤,焊接時控制焊絲的位置,保證熔合不出問題的情況下多往外送一些。同時也可以擺到坡口壁上分散熔池的熱量,以防止過瘤。

        (3) 焊接時,壁厚較大的一側(cè)可稍多停留并多送點(diǎn)焊絲,防止咬邊或焊縫低于母材。

        (4) 土槍收弧沒有電流衰減功能,收弧極易產(chǎn)生縮孔。收弧時,將電弧帶到坡口壁上,等熔池的熱量完全到達(dá)坡口壁時再收弧。

        2.5 外焊程序要求

        2.5.1 外焊參數(shù) (見表4)

        表4 外焊參數(shù)

        2.5.2 焊前檢查

        (1) 外焊前需檢查設(shè)備。檢查焊絲盤是否能夠正常出絲;將氣帶里的空氣排凈;檢查氣表是否加熱,防止氣瓶中流出的CO2氣體在氣化和減壓過程中由于溫度降低使內(nèi)含水分結(jié)冰而凍結(jié)氣路,氣瓶出口處加預(yù)熱器(與流量計一體)。

        (2) 設(shè)備啟動前,應(yīng)檢查指示儀表、開關(guān)和電源極性。

        (3) 焊接前需試焊接,將信號反饋到控制箱的同時,觀察焊接速度、擺寬、擺頻、邊緣停留是否與該層焊道相匹配。

        2.5.3 焊接操作要點(diǎn)

        (1) 各層焊接需注意電弧到坡口兩側(cè)的熔合、電弧的高低。外焊焊接層數(shù)具體由坡口寬度決定,一般為熱焊和7 層填充,蓋面為雙排道焊接,若焊口過寬則用填充6 和填充7 反復(fù)雙排道焊接。

        (2) 焊絲干伸長度為10~15 mm,由于軌道的接縫處沒有墊片,該位置比垂直方向最高點(diǎn)低15~20 mm,焊接時注意調(diào)整焊絲的高低,以免因?yàn)楹笜屵^低燒導(dǎo)電嘴,使導(dǎo)電嘴材料熔于母材,出現(xiàn)滲銅、氣孔缺陷。若抬槍過高,氣體保護(hù)不到位出現(xiàn)氣孔,同時電流、電壓變小出現(xiàn)未熔夾渣缺陷。

        (3) 焊接地線放置在坡口內(nèi),宜用卡具使地線與被焊鋼管牢固接觸,避免產(chǎn)生電弧灼傷母材。焊接地線末端必須露出金屬光澤,保證其導(dǎo)電性,避免因電流、電壓不足產(chǎn)生大的飛濺或熔合不好。

        (4) 為防止延時送氣造成的氣孔缺陷,起弧前宜將焊絲端部去除約10 mm。

        (5) 焊接過程中發(fā)現(xiàn)層(道) 間焊接缺陷,應(yīng)采用打磨、焊接等方式立即進(jìn)行修補(bǔ),修補(bǔ)焊接時,應(yīng)將缺陷完全去除,并采用原焊接工藝進(jìn)行修補(bǔ)。修補(bǔ)焊接過程中應(yīng)保證層(道) 間滿足焊接工藝規(guī)程要求。當(dāng)焊接所用保護(hù)氣體瓶內(nèi)壓力低于0.98 MPa 時,應(yīng)及時更換,以防止因氣壓不足產(chǎn)生氣孔。

        3 焊接性能評定

        通過進(jìn)行焊接工藝評定試驗(yàn),確認(rèn)該種焊接工藝能夠確保焊接質(zhì)量,焊接接頭的使用性能符合設(shè)計要求。

        3.1 環(huán)焊焊口檢測項(xiàng)目

        環(huán)焊焊口檢測項(xiàng)目包括:室溫拉伸試驗(yàn)[2](Rm、斷裂位置)、-20℃夏比沖擊試驗(yàn)[3](KV2)、刻槽錘斷試驗(yàn)[4]、彎曲試驗(yàn)[5]、金相檢驗(yàn)[6]和硬度試驗(yàn)[7]。

        3.2 取樣

        取樣位置示意如圖3 所示。

        圖3 取樣位置示意

        3.3 檢測結(jié)果

        3.3.1 拉伸試驗(yàn) (室溫)

        拉伸試驗(yàn)(室溫) 評判依據(jù)為:每個帶焊縫的拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度應(yīng)大于或等于管材規(guī)定的最小抗拉強(qiáng)度(Rm≥625 MPa),但不需要大于或等于管材的實(shí)際抗拉強(qiáng)度[2]。拉伸試驗(yàn)所用試樣規(guī)格為25.7 mm×25 mm,結(jié)果見表5,拉伸試驗(yàn)斷后試樣照片見圖4。

        表5 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

        圖4 拉伸試驗(yàn)斷后試樣照片

        3.3.2 夏比沖擊試驗(yàn) (-20 ℃)

        夏比沖擊試驗(yàn)評判依據(jù)為:吸收能量KV2(單值) ≥38 J[3],吸收能量KV2(平均值) ≥50 J。夏比沖擊試驗(yàn)所用試樣的規(guī)格為10 mm×10 mm×55 mm(V 型),結(jié)果見表6,沖擊試驗(yàn)斷后試樣照片見圖5。

        表6 夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

        圖5 沖擊試驗(yàn)斷后試樣照片

        3.3.3 彎曲試驗(yàn)

        彎曲試驗(yàn)評判依據(jù)為:試樣拉伸彎曲表面上的焊縫和熱影響區(qū)所發(fā)現(xiàn)的任何方向上的任一裂紋或其他缺陷尺寸不應(yīng)大于鋼管公稱壁厚的1/2,且不大于3 mm。除非發(fā)現(xiàn)其他缺陷,由試樣邊緣上產(chǎn)生的裂紋長度在任何方向不應(yīng)大于6 mm[4]。彎曲試驗(yàn)所用試樣規(guī)格為25.7 mm×13 mm,結(jié)果見表7,彎曲試驗(yàn)后試樣照片見圖6。

        表7 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

        圖6 彎曲試驗(yàn)后試樣照片

        3.3.4 刻槽錘斷試驗(yàn)

        刻槽錘斷試驗(yàn)的評判依據(jù)為:每個刻槽錘斷試樣的斷裂面應(yīng)完全焊透和熔合;任何氣孔的最大尺寸應(yīng)不大于1.6 mm,且所有氣孔的累計面積應(yīng)不大于斷裂面積的2%;夾渣深度應(yīng)不超過0.8 mm,長度應(yīng)不大于鋼管公稱壁厚的1/2,且小于3 mm;相鄰?qiáng)A渣之間至少應(yīng)有13 mm 無缺陷的焊縫金屬[4]??滩坼N斷試驗(yàn)所用試樣規(guī)格為25.7 mm×25 mm。試驗(yàn)結(jié)果見表8,試驗(yàn)后試樣照片見圖7。

        表8 刻槽錘斷試驗(yàn)結(jié)果

        圖7 刻槽錘斷試驗(yàn)后試樣照片

        3.3.5 金相試驗(yàn)

        金相試驗(yàn)評判依據(jù)為:試樣的焊縫截面不應(yīng)有裂紋和未熔合,并應(yīng)滿足“刻槽錘斷試驗(yàn)”的要求,且實(shí)際焊接層數(shù)和道數(shù)滿足焊接工藝規(guī)程(最少10 層11 道) 的要求[6]。金相試驗(yàn)結(jié)果見表11。

        表9 金相試驗(yàn)結(jié)果

        3.3.6 硬度試驗(yàn)

        硬度試驗(yàn)評判依據(jù)為:維氏硬度值≤300[7]。硬度試驗(yàn)結(jié)果見表10。

        表10 硬度試驗(yàn)結(jié)果

        4 結(jié)束語

        該工藝已在中俄天然氣東線管道工程連頭施工中得到較好應(yīng)用。本文設(shè)定的焊接工藝參數(shù)僅針對固定規(guī)格管口的焊接,其他規(guī)格管徑施焊需根據(jù)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

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