吳正林

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300459）

海上油氣田工藝系統(tǒng)種類多，不僅包括原油處理系統(tǒng)、天然氣處理系統(tǒng)等主要工藝系統(tǒng)，還包括輔助工藝系統(tǒng)、公用系統(tǒng)等。各個(gè)工藝系統(tǒng)中管道的占比極大，管道的規(guī)格和種類較多[1]。隨著焊接技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)焊技術(shù)逐步應(yīng)用于海上油氣管道的焊接。常見(jiàn)的如埋弧焊，用于大直徑、大壁厚的管道等的焊接，但受焊接位置、焊接適用厚度等的影響，部分管道的自動(dòng)焊接無(wú)法滿足，尤其是全位置的焊接。本文以海上油氣管道中常用的ASTM A106 GR.B 和ASTM A105管道，選取Φ273mm×15.1mm 的管道，開(kāi)展基于爬壁機(jī)器人為平臺(tái)的自動(dòng)焊接技術(shù)，開(kāi)展全位置的自動(dòng)焊接技術(shù)研究，探索可行性，并確定適用的焊接工藝參數(shù)。

1 焊接材料

1.1 母材

本項(xiàng)目選用的母材為ASTM A106 GR.B，ASTM A105。表1為ASTM A106 GR.B 鋼材的主要化學(xué)成分，A106B 鋼材的抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)分別為≥500MPa，≥285MPa，伸長(zhǎng)率大于等于34%。表2為ASTM A105鋼材的主要化學(xué)成分。A105鋼材的抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)分別為≥470MPa，≥305MPa 伸長(zhǎng)率大于等于26%。

表1 ASTM A106 GR.B 鋼材的主要化學(xué)成分（%）

表2 ASTM A15 鋼材的主要化學(xué)成分

1.2 焊接材料

鑒于首次開(kāi)展基于爬壁機(jī)器人全位置自動(dòng)焊的技術(shù)研究，為保證焊接質(zhì)量，本項(xiàng)目根據(jù)母材的焊接特點(diǎn)、等強(qiáng)匹配原則等，優(yōu)選焊接材料。打底焊接GTAW焊接方法選用焊接材料為ER70S-G（林肯焊絲JG-50），填充蓋面焊接FCAW 焊接方法選用E71T-1C（林肯焊絲PRIMACORE? V-71），化學(xué)成分詳見(jiàn)表3、表4。

表3 ER70S-G（林肯焊絲JG-50）的主要化學(xué)成分（%）

表4 E71T-1C（林肯焊絲PRlMACORE? V-71）的主要化學(xué)成分（%）

2 焊接設(shè)備及工藝參數(shù)設(shè)定

2.1 焊接設(shè)備

本試驗(yàn)采用的全位置自動(dòng)焊爬壁機(jī)器人由焊接電源、全封閉送絲機(jī)構(gòu)、磁吸附無(wú)軌爬壁小車（含控制系統(tǒng)）等組成。具體詳見(jiàn)圖1。

圖1 全位置自動(dòng)焊爬壁機(jī)器人

（1）焊接電源：MIG/MAG 焊接中一個(gè)重要的原理是恒壓，應(yīng)用恒壓特性，最重要的是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)電弧。在自動(dòng)焊接時(shí)，各方面的要求相對(duì)人工焊接，要求更加嚴(yán)苛。例如對(duì)外形尺寸的控制，在坡口準(zhǔn)備和修補(bǔ)工作中都會(huì)有不同程度的變形，焊接過(guò)程中，焊接熱輸入會(huì)引起變形，然而外形尺寸的變化會(huì)影響干伸長(zhǎng)，從而影響焊接質(zhì)量。綜合以上因素，選用了芬蘭進(jìn)口的KEMPPI 焊機(jī)，其具備WisePenetration ?調(diào)節(jié)功能，能夠保證焊弧集中，電弧密度集中在狹窄的區(qū)域中。實(shí)現(xiàn)更好的熔深，更快的焊接速度，更少的熱輸入，減少焊接缺陷的風(fēng)險(xiǎn)，如咬邊或未融合，且能夠穩(wěn)定電弧。特有的自適應(yīng)弧長(zhǎng)控制，可以使電弧始終保持在短路邊界以內(nèi)，無(wú)需對(duì)弧長(zhǎng)進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)。

焊接電源型號(hào)為FastMig X 450，電流、電壓的可調(diào)區(qū)間為15A/12V ～450A/46V，空載功率：100W，暫載率：60%。按下起弧按鈕即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接。

（2）全封閉的送絲機(jī)構(gòu)：送絲機(jī)構(gòu)采用封閉式設(shè)計(jì)，內(nèi)部配備自動(dòng)恒溫加熱裝置，實(shí)現(xiàn)送絲機(jī)箱內(nèi)部的溫度恒定，能夠保證焊絲不會(huì)出現(xiàn)凝露現(xiàn)象。根據(jù)設(shè)定的焊接工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)送絲，與焊接電源、磁吸附無(wú)軌爬壁小車項(xiàng)匹配。其中較為關(guān)鍵的是送絲速度的設(shè)定，要保障設(shè)定好送絲速度，與焊接電源設(shè)定的電流、電壓等、爬壁小車的行走速度相匹配。

（3）磁吸附無(wú)軌爬壁小車（含控制系統(tǒng)）：爬壁小車采用磁力吸附的方式，焊接不銹鋼管道時(shí)需配置軌道，因本項(xiàng)目焊接用母材材質(zhì)為碳鋼，故無(wú)需采用軌道。小車自重10kg，控制系統(tǒng)型號(hào)為YX-150 型，可控制擺速、擺寬、行走速度、焊槍上下移動(dòng)、角度調(diào)節(jié)等，擺速在1mm ～100mm 內(nèi)連續(xù)可調(diào)，焊槍位置的移動(dòng)上下在0mm ～30mm 內(nèi)可調(diào)，左右在0mm ～70mm 內(nèi)可調(diào)，焊槍角度在0°～10°內(nèi)可調(diào)，擺動(dòng)寬度控制在0mm ～30mm，可實(shí)現(xiàn)焊接行走速度控制在0mm/min ～750mm/min。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)左、右定時(shí)控制在0s ～2s 內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

表5 確定的焊接工藝參數(shù)

2.2 焊接工藝參數(shù)確定及焊接控制

（1）坡口形式及焊接順序。母材焊接形式為管-管對(duì)接，尺寸為Φ273mm×15.1mm。為保證焊槍的可達(dá)性、爬壁小車擺速、擺寬等因素，預(yù)留鈍邊控制在0mm ～2mm，坡口間隙控制在0mm ～4mm。本項(xiàng)目為全位置自動(dòng)焊接，對(duì)坡口加工精度要求較高，采用機(jī)械加工的方式，嚴(yán)格控制外形尺寸，不允許存在變形。組對(duì)后不能存在錯(cuò)邊。圖2、圖3為坡口形式、焊接順序布置。

圖2 焊接坡口形式及尺寸

圖3 自動(dòng)焊順序布置

（2）焊接工藝參數(shù)。焊接工藝參數(shù)確定，不僅要考慮各參數(shù)間的匹配，同時(shí)要考慮焊接電流、焊接速度對(duì)駝峰的影響。具體的參數(shù)設(shè)定詳見(jiàn)表5。

（3）焊接實(shí)施注意要點(diǎn)。①第一層打底焊接的質(zhì)量要保證，采用GTAW 方法，保證足夠的熔敷厚度。焊層表面若有雜質(zhì)，要打磨清除。②自動(dòng)焊接實(shí)施前，首先要保證焊槍上下、左右的位置，重要的是調(diào)節(jié)好焊槍的傾角；確定好擺動(dòng)參數(shù)，爬壁小車的轉(zhuǎn)速等，匹配一致后方可施焊，同時(shí)觀察焊接電弧情況，如有問(wèn)題停止施焊，調(diào)整后再進(jìn)行。③自動(dòng)焊接首層焊接，考慮焊槍可達(dá)性，坡口寬度較小，要降低擺動(dòng)速度和寬度，采用較小的線能量進(jìn)行焊接。④關(guān)注層間溫度，層間清理可采用鋼絲刷清理，祛除雜質(zhì)，不能用尖銳的物體大力敲擊。

3 性能測(cè)試及結(jié)果分析

設(shè)計(jì)和工藝評(píng)定的要求為ASME 標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試件進(jìn)行了射線探傷。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)截取試樣，并進(jìn)行了拉伸、沖擊、彎曲、宏觀測(cè)試等測(cè)試。

（1）射線探傷（RT）：射線探傷結(jié)果詳見(jiàn)表6，存在氣孔等，長(zhǎng)度分別為1mm，2mm。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，合格標(biāo)準(zhǔn)為“圓形指示的最大允許尺寸為20%t 或者3mm，兩者取較小值”，故射線探傷結(jié)果合格。

表6 射線探傷結(jié)果

（2）彎曲試驗(yàn)：彎曲試驗(yàn)的結(jié)果詳見(jiàn)表7。選取4 個(gè)樣品進(jìn)行側(cè)彎試驗(yàn)，經(jīng)測(cè)定，測(cè)試合格。

表7 彎曲試驗(yàn)結(jié)果

（3）拉伸試驗(yàn)：取兩個(gè)橫向拉伸試樣，斷裂位置位于母材，結(jié)果分別為531MPa，535MPa，大于母材500MPa 的抗拉強(qiáng)度要求，拉伸測(cè)試合格。

（4）沖擊試驗(yàn)：取樣位置和數(shù)量分別為焊縫中心取3 個(gè)，間隔熔合線2mm 的區(qū)域取3 個(gè)，熔合區(qū)取3 個(gè)。試驗(yàn)溫度為0°，三個(gè)位置吸收功均值為138J、47J、28J，測(cè)試結(jié)果均合格。

（5）宏觀測(cè)試：宏觀測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)圖4。觀察焊縫區(qū)域，無(wú)缺陷存在，宏觀測(cè)試合格。

圖4 宏觀測(cè)試結(jié)果

雖然上述工藝經(jīng)過(guò)測(cè)試合格，但存在氣孔等缺陷。針對(duì)此情況，分析產(chǎn)生氣孔的原因?yàn)楸Ｗo(hù)氣體選用問(wèn)題，故進(jìn)行了工藝的優(yōu)化，保護(hù)氣體使用80%Ar+20%CO2代替純CO2作為進(jìn)行焊接，經(jīng)過(guò)再次檢測(cè)，氣孔等缺陷已消除，同時(shí)力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果合格。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以海上油氣管道中常用的ASTM A106 GR.B 和ASTM A105 管道，選取Φ273mm×15.1mm 的管道，開(kāi)展基于爬壁機(jī)器人為平臺(tái)的自動(dòng)焊接技術(shù)，開(kāi)展全位置的焊接技術(shù)研究，總結(jié)如下：選用合適的焊接電源、全封閉送絲機(jī)構(gòu)、磁吸附無(wú)軌爬壁小車（含控制系統(tǒng)）等，要確保匹配；要控制坡口加工誤差、焊接變形等，滿足自動(dòng)焊接的要求；保護(hù)氣體采用純CO2進(jìn)行自動(dòng)焊接，容易導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，建議采用80%Ar+20%CO2代替。