陸 陽 邵 強(qiáng) 隋永莉 馮大勇

1.曹妃甸新天液化天然氣有限公司 2. 中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司·油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室

1 工程概況

唐山LNG外輸管道工程采用D1 422、X80鋼管，設(shè)計(jì)壓力為10.0 MPa，線路全長288 km。工程起自唐山LNG項(xiàng)目接收站，途經(jīng)曹妃甸濱海鎮(zhèn)、寶坻分輸站，終至永清末站，是與規(guī)劃建設(shè)中的中俄東線天然氣管道、涿州—永清天然氣管道等項(xiàng)目的互聯(lián)互通工程。工程用X80鋼管分別為壁厚21.4 mm的螺旋縫埋弧焊鋼管，壁厚為21.4 mm、25.7 mm、30.8 mm的3種規(guī)格直縫埋弧焊鋼管，以及壁厚為25.7 mm、28.2 mm和33.8 mm的熱煨彎管。對接環(huán)焊縫的組對種類如表1所示。

表1 對接環(huán)焊縫的組對種類表

唐山LNG外輸管道工程及沿線特點(diǎn)如下。

1）工程用鋼管的管徑和壁厚最大、鋼級最高，單根鋼管自重超過10 t，焊接施工難度大大增加，同時(shí)對環(huán)焊縫焊接技術(shù)和質(zhì)量管控的要求提高，以往的半自動(dòng)、手工焊等焊接工藝不能完全滿足工程需要[1-3]。

2）管道沿線主要地貌為沿海灘涂、水網(wǎng)和平原，其中沿海灘涂和水網(wǎng)這兩種地形約占線路總長的32%。沿海灘涂常年有水，水網(wǎng)為網(wǎng)格狀分布的連續(xù)魚塘，這些地段的水深為1.0～1.5 m，水下淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度為0.5～1.0 m，地基承載力較差，大型施工設(shè)備通過性差，不適宜作業(yè)機(jī)組流水施工。

3）管道沿線穿越工程較多，其中水域大型穿越5處，水域中型穿越6處，鐵路穿越15處，等級公路穿越33處，焊接施工段落分散，不能進(jìn)行連續(xù)施工作業(yè)。

4）管道沿線地質(zhì)災(zāi)害主要為地面沉降、砂土液化，及近場區(qū)內(nèi)有8條斷裂與設(shè)計(jì)線路相交。設(shè)計(jì)文件針對相應(yīng)地段分別采取了運(yùn)行期監(jiān)測和定期水準(zhǔn)復(fù)測、柔性配重壓載等措施，還通過抗拉伸、抗壓縮校核明確工程無需采取抗震措施，同時(shí)要求環(huán)焊接頭應(yīng)實(shí)現(xiàn)與母材的等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配。

2 環(huán)焊接頭性能要求

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程技術(shù)要求[4-7]，評價(jià)環(huán)焊接頭性能的試驗(yàn)方法包括橫向拉伸試驗(yàn)、夏比沖擊韌性試驗(yàn)、10 kg載荷維氏硬度試驗(yàn)、導(dǎo)向彎曲試驗(yàn)、刻槽錘斷試驗(yàn)和宏觀金相試驗(yàn)等，具體的環(huán)焊接頭性能驗(yàn)收要求如表2所示。

表2 環(huán)焊接頭性能評價(jià)及驗(yàn)收要求表

此外，還針對典型環(huán)焊工藝的接頭進(jìn)行了環(huán)焊縫縱向拉伸試驗(yàn)、焊縫和熱影響區(qū)的斷裂韌性試驗(yàn)（CTOD）等，獲得的試驗(yàn)結(jié)果將作為管道運(yùn)行期的完整性管理工作的輸入條件和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 環(huán)焊工藝方案設(shè)計(jì)

根據(jù)管道沿線地表形貌、焊口特點(diǎn)等，選擇適用的焊接方法形成線路焊接工藝、自由口連頭焊接工藝、固定口連頭焊接工藝、返修焊工藝、不等壁厚對接焊工藝等。這些焊接工藝的自動(dòng)化程度、環(huán)焊工藝分為全自動(dòng)焊工藝、組合自動(dòng)焊工藝、手工焊工藝等[8-9]。焊接材料和焊接設(shè)備的選擇，是依據(jù)與焊接方法相適應(yīng)，并遵循環(huán)焊接頭等強(qiáng)或高強(qiáng)匹配、經(jīng)焊接工藝評定合格、焊接工藝性能優(yōu)良和對施工環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等原則而確定的[10-11]。

3.1 線路焊接

工程管道沿線的平原段長度超過60%，地表狀況多為耕地、林地、果園等，適合采用焊接機(jī)組流水作業(yè)的施工方式。為提高焊接質(zhì)量，保證施工效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，選擇全自動(dòng)焊的焊接工藝。

3.1.1 工藝方案

全自動(dòng)焊工藝的工藝特點(diǎn)是使用內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行根焊，使用單焊炬外焊機(jī)進(jìn)行熱焊，再使用雙焊炬外焊機(jī)進(jìn)行填充焊和蓋面焊，自動(dòng)化程度屬于機(jī)動(dòng)焊。焊材為實(shí)心焊絲，保護(hù)氣體為80%氬氣與20%二氧化碳的混合氣體[12-14]。

該焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是：環(huán)焊接頭的強(qiáng)度和韌性表現(xiàn)優(yōu)良，焊縫金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可低至－60 ℃及以下。但由于該工藝的電弧特性限制，獲得焊道的熔寬窄、熔深淺，使得其對于管口組對偏差的容錯(cuò)性較差，一些微小的坡口尺寸偏差、組對間隙變化、焊口錯(cuò)邊量等，都易導(dǎo)致坡口壁未熔合缺欠。因此，該焊接工藝要求必須在施工現(xiàn)場采用坡口機(jī)完成加工坡口，并嚴(yán)格管控坡口加工尺寸、管口組對精度和錯(cuò)邊量等偏差范圍在允許的范圍內(nèi)[15]。

3.1.2 焊接坡口

全自動(dòng)焊的坡口如圖1所示，該坡口的參數(shù)分別是壁厚（δ）、鈍邊高度（P）、拐點(diǎn)至內(nèi)壁高度（H）、坡口表面寬度（W/2）、內(nèi)坡口高度（h）、下坡口角度（α）、上坡口角度（β）、內(nèi)坡口角度（γ），其取值范圍如表3所示。設(shè)計(jì)的鈍邊高度應(yīng)能保證熱焊道完全熔透，并與內(nèi)焊機(jī)完成的根焊道良好熔合。選擇的拐點(diǎn)至內(nèi)壁高度應(yīng)確保熱焊道完成后其表面能剛好超過變坡口的拐點(diǎn)高度，并將拐點(diǎn)處良好熔合。確定的坡口表面寬度應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)雙焊炬焊接時(shí)一次性完成蓋面焊道成型。

圖1 全自動(dòng)焊焊接坡口形式圖

表3 全自動(dòng)焊焊接坡口參數(shù)取值范圍表

3.1.3 焊接材料

全自動(dòng)焊工藝的焊接材料包括內(nèi)焊機(jī)用實(shí)心焊絲和雙焊炬外焊機(jī)用實(shí)心焊絲。由于實(shí)心焊絲與母材熔合后共同形成的焊接接頭，其強(qiáng)度比焊絲自身的熔敷金屬強(qiáng)度高出120～150 MPa，因此，選取實(shí)心焊絲時(shí)可選擇強(qiáng)度等級較低的材料。內(nèi)焊機(jī)根焊用焊材選擇使用了強(qiáng)度等級較低、擴(kuò)散氫含量很低的實(shí)心焊絲，焊絲型號為AWS A5.18 ER70S-G，焊絲直徑為0.9 mm，焊絲包裝規(guī)格為1.5 kg絲盤。根焊時(shí)選用ER70S-G焊絲，其塑性和延展性好，可防止X80M鋼管在根焊過程中因鋼管強(qiáng)度太高、焊接過程承受應(yīng)力太大或焊縫金屬擴(kuò)散氫含量較高等因素影響而造成根部冷裂紋或延遲開裂。雙焊炬外焊機(jī)填充焊和蓋面焊選擇使用了強(qiáng)度等級相同、擴(kuò)散氫含量很低的實(shí)心焊絲，焊絲型號為AWS A5.28 ER80S-G，焊絲直徑為1.0 mm，焊絲包裝規(guī)格為15 kg絲盤。填充焊和蓋面焊選擇使用ER80S-G實(shí)心焊絲，可實(shí)現(xiàn)環(huán)焊接頭與X80鋼管的高強(qiáng)度和高韌性匹配，同時(shí)具有優(yōu)良的焊接工藝性能，保證焊接合格率。

3.1.4 焊接設(shè)備

全自動(dòng)焊工藝的焊接設(shè)備包括坡口機(jī)、內(nèi)焊機(jī)、單焊炬外焊機(jī)和雙焊炬外焊機(jī)，以及小車軌道。本工程的具體自動(dòng)焊設(shè)備配置如表4所示。

3.2 沿海灘涂、水網(wǎng)等不連續(xù)段的焊接

本工程管道沿線分布著沿海灘涂、連片魚塘等水域地段，不適合流水作業(yè)的施工方式。另外，不同焊接機(jī)組完成的管道段進(jìn)行連接作業(yè)時(shí)，由于地形條件往往較差，焊口數(shù)量少，不利于大型設(shè)備往復(fù)調(diào)遷。這些焊口的共同特點(diǎn)是施工作業(yè)帶面積受限，不具備使用內(nèi)焊機(jī)或內(nèi)對口器的條件，適合小機(jī)組或單機(jī)組焊接作業(yè)。為保證焊接質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，選擇組合自動(dòng)焊的焊接工藝。

表4 全自動(dòng)焊工藝的焊接設(shè)備表

3.2.1 工藝方案

組合自動(dòng)焊工藝的工藝特點(diǎn)是使用手工或半自動(dòng)的方法完成根焊后，使用單焊炬外焊機(jī)自動(dòng)焊方法進(jìn)行填充焊和蓋面焊，是手工焊與機(jī)動(dòng)焊的組合工藝。可使用的根焊方法包括STT半自動(dòng)焊根焊和低氫焊條手工根焊。單焊炬外焊機(jī)填充蓋面焊的焊材為氣保護(hù)藥芯焊絲，保護(hù)氣體為80%氬氣與20%二氧化碳的混合氣體。

該焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備投資少，環(huán)焊接頭的強(qiáng)度和韌性良好，焊縫金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)－30 ℃及以下。由于電弧熱量高，焊接熔池的深、寬比例好，使得其對于管口組對偏差的容錯(cuò)性非常強(qiáng)，適合于坡口尺寸精度難以控制的工況條件。該焊接工藝的不足是對環(huán)境濕度、風(fēng)速敏感，易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，焊接效率低于全自動(dòng)焊。該焊接工藝通常要求在施工現(xiàn)場采用坡口機(jī)完成加工坡口。

3.2.2 焊接坡口

圖2 組合自動(dòng)焊焊接坡口形式示意圖

組合自動(dòng)焊的坡口如圖2所示，該坡口的關(guān)鍵參數(shù)分別是坡口面角度（α）和組對間隙（b）。設(shè)計(jì)的坡口面角度約為22°，坡口面角度不宜過小，否則焊接過程中產(chǎn)生的熔渣和一氧化碳?xì)怏w不能完全翻滾、浮出，將導(dǎo)致氣孔、夾渣缺欠發(fā)生率增加。設(shè)計(jì)的組對間隙宜介于2.5～3.5 mm，焊接施工過程中應(yīng)確保每道焊口組對間隙的一致性，保證填充、蓋面焊過程中自動(dòng)焊系統(tǒng)預(yù)置的焊槍擺動(dòng)寬度、邊緣停留時(shí)間等參數(shù)能夠完全覆蓋坡口。

3.2.3 焊接材料

組合自動(dòng)焊工藝的焊接材料包括根焊用焊材和單焊炬外焊機(jī)用氣保護(hù)藥芯焊絲。根焊用焊材選擇參照了以往管道工程的通用做法，使用強(qiáng)度等級較低、擴(kuò)散氫含量很低的實(shí)心焊絲或低氫型焊條。實(shí)心焊絲型號為AWS A5.18 ER70S-G，焊絲直徑為1.2 mm，焊絲包裝規(guī)格為15 kg絲盤。低氫型焊條型號為AWS A5.1 E7016，焊條直徑為3.2 mm，焊條包裝規(guī)格為5 kg。這些焊接材料能夠使根焊焊縫具有良好的塑性和延展性，防止根部冷裂紋或延遲開裂。

由于氣保護(hù)藥芯焊絲與母材熔合后共同形成的焊接接頭，其強(qiáng)度比焊絲自身的熔敷金屬強(qiáng)度高出0～50 MPa。因此選取藥芯焊絲時(shí)可選擇強(qiáng)度等級稍高的材料，同時(shí)考慮擴(kuò)散氫含量、焊接工藝性能等因素，工程使用的藥芯焊絲型號為AWS A5.36 E91T1，焊絲直徑為1.2 mm，焊絲包裝規(guī)格為15 kg絲盤，可實(shí)現(xiàn)環(huán)焊接頭與X80鋼管的高強(qiáng)度和高韌性匹配，同時(shí)具有優(yōu)良的焊接工藝性能，保證焊接合格率。

3.2.4 焊接設(shè)備

組合自動(dòng)焊工藝的焊接設(shè)備包括坡口機(jī)、內(nèi)對口器或外對口器、單焊炬外焊機(jī)，以及小車軌道等。本工程的具體焊接設(shè)備配置如表5所示。其中的根焊設(shè)備選用STT電源或陡降外特性的直流電源。

3.3 固定口連頭的焊接

固定口連頭，俗稱碰死口，受兩側(cè)未回填管段熱脹冷縮的影響，在焊接過程中也會(huì)發(fā)生坡口形狀的較大變化。這類焊口在焊接過程中均承受著較大的拘束應(yīng)力，同時(shí)由于坡口參數(shù)發(fā)生較大變化，將誘使全自動(dòng)焊工藝大概率地出現(xiàn)未熔合缺欠，焊接合格率大幅度下降。

固定口連頭的焊接應(yīng)選擇氬弧焊手工根焊與氣保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊的組合自動(dòng)焊工藝。該組合自動(dòng)焊工藝的根焊是采用鎢極氬弧焊手工上向焊方法，填充焊和蓋面焊與自由口連頭焊的組合自動(dòng)焊工藝相同，使用單焊炬外焊機(jī)自動(dòng)焊，是手工焊與機(jī)動(dòng)焊的組合工藝。根焊使用氬弧焊焊絲，采用氬氣保護(hù)，且背面無需通氬。該焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是，根焊質(zhì)量可靠，焊接合格率較高。該焊接工藝的不足是受環(huán)境風(fēng)速影響大，根焊勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接效率低下。經(jīng)過批準(zhǔn)，該焊接工藝可采用管廠出廠坡口或機(jī)械式氧乙炔火焰切割焊口，坡口如圖2所示，組對間隙（b）宜介于3.0～5.0 mm。

表5 組合自動(dòng)焊工藝的焊接設(shè)備表

固定口連頭焊的組合自動(dòng)焊工藝，根焊焊材為氬弧焊焊絲，焊絲型號為AWS A5.18 ER70S-G，焊絲直徑為2.5 mm，焊絲包裝規(guī)格為2 m填充絲。填充焊和蓋面焊用焊絲為氣保護(hù)藥芯焊絲，與自由口連頭焊的組合自動(dòng)焊工藝相同。

固定口連頭焊的組合自動(dòng)焊工藝所使用的自動(dòng)焊設(shè)備如表4所示，其中根焊設(shè)備選用鎢極氬弧焊機(jī)。

3.4 返修口的焊接

對于無損檢測不合格的焊口進(jìn)行返修焊時(shí)，采用低氫型焊條上向焊的方法，自動(dòng)化程度為手工焊。該焊接工藝的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，操作靈活，焊縫質(zhì)量可靠，焊縫金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度可達(dá)－45 ℃及以下。不足是根焊勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接效率低下，對焊工的操作技能要求高。返修口焊接時(shí)，焊接坡口是采用角向磨光機(jī)修磨得到的，坡口深寬比應(yīng)小于等于1.45。

根焊焊材為低氫焊條，焊條型號為AWS A5.1 E7016，焊條直徑為3.2 mm，焊條包裝規(guī)格為5 kg。填充焊和蓋面焊焊材為低氫焊條，焊條型號為AWS A5.5 E10018，焊條直徑為3.2 mm，焊條包裝規(guī)格為10 kg真空鐵筒。

該焊接工藝對于焊接設(shè)備的要求不高，通常的陡降外特性的直流焊接電源即可滿足使用要求。

3.5 不等壁厚焊口焊接

管道地區(qū)等級變化時(shí)的直管對接、管道轉(zhuǎn)彎時(shí)直管與熱煨彎管的對接等，都會(huì)形成不等壁厚焊口。不等壁厚焊口的焊接，主要存在如下問題：①焊口兩側(cè)的鋼管厚度不同，單面焊雙面成型的操作難度大，需要具有非常熟練的操作技巧才能保證薄壁側(cè)和厚壁側(cè)同時(shí)滿意成型；②熱煨彎管與直管的管端尺寸要求不同，這類不等壁厚焊口往往伴隨著較大的焊口錯(cuò)邊，此時(shí)的根焊縫內(nèi)表面成形更差，在薄壁鋼管側(cè)形成銳角的焊趾或內(nèi)表面開口未熔合等；③薄壁鋼管側(cè)的射線檢測底片黑度大，往往掩蓋了焊趾處的缺欠，造成漏檢或誤判；④在薄壁鋼管側(cè)的焊趾部位，由于幾何形成突變而具有較大的應(yīng)力集中。

當(dāng)焊工操作技能沒有達(dá)到足夠的熟練、焊趾處存在有較大的應(yīng)力集中、焊縫內(nèi)表面含有開口缺欠等不利因素疊加時(shí)，若管道因各種外界因素影響而承受了較大外載荷，這些不等壁厚焊口就成為管道的薄弱環(huán)節(jié)，裂紋會(huì)從變壁厚焊口的內(nèi)表面焊趾部位開始發(fā)源，逐漸擴(kuò)展，并最終演變?yōu)榄h(huán)焊縫上的泄露、斷裂等失效事故。

本工程給出了兩種不等壁厚焊接的坡口形式，如圖3所示。這些坡口形式不同于以往的管道設(shè)計(jì)文件和工程經(jīng)驗(yàn)[16]。圖3-a是內(nèi)削薄的坡口形式，可在管件廠完成坡口加工或在施工現(xiàn)場打磨加工，內(nèi)削薄坡口角度（β）應(yīng)不大于15°。圖3-b是內(nèi)鏜孔的坡口形式，應(yīng)在管件廠出廠前完成坡口加工，內(nèi)鏜孔長度不小于42 mm，削薄坡口角度（β）為14°～30°。這兩種坡口都有利于改善單面焊雙面成型的內(nèi)表面焊縫成型，降低薄壁鋼管側(cè)的銳角焊趾或內(nèi)表面開口未熔合等缺欠的發(fā)生概率。

采用圖3-a的坡口形式時(shí)，規(guī)定采用鎢極氬弧焊或低氫型焊條電弧焊進(jìn)行根焊焊接，這兩種焊接方法的焊接熱輸入量較大，有利于根焊縫成型。采用圖3-a的坡口形式時(shí)，可采用STT、鎢極氬弧焊或低氫型焊條電弧焊進(jìn)行根焊焊接。不等壁厚焊口的填充焊和蓋面焊，與自由口連頭焊的組合自動(dòng)焊工藝相同，使用氣保護(hù)藥芯焊絲的單焊炬外焊機(jī)自動(dòng)焊。

圖3 不等壁厚焊口的坡口形式示意圖

4 焊接工藝評定結(jié)果

4.1 環(huán)焊接頭橫向拉伸性能

按照上述的焊接工藝方案分別進(jìn)行環(huán)焊縫焊件的焊接，對外觀檢查、射線檢測和相控陣超聲波檢測合格的對接環(huán)焊縫進(jìn)行力學(xué)性能測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)焊、組合自動(dòng)焊和手工焊的環(huán)焊工藝，其環(huán)焊接頭的抗拉強(qiáng)度值、低溫沖擊韌性值、HV10硬度值和低倍金相均滿足工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)文件的要求。

環(huán)焊接頭橫向拉伸試驗(yàn)的試樣斷裂位置全部在母材上，抗拉試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，表現(xiàn)出的環(huán)焊接頭抗拉強(qiáng)度實(shí)際上是鋼管管體的縱向抗拉強(qiáng)度值，其數(shù)值介于599～710 MPa，管體縱向抗拉強(qiáng)度的變化范圍約110 MPa，說明鋼管管體的強(qiáng)度穩(wěn)定性好。

圖4 環(huán)焊接頭橫向拉伸試驗(yàn)結(jié)果圖

圖5 環(huán)焊接頭低溫沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果圖

4.2 環(huán)焊接頭低溫韌性

環(huán)焊接頭－10 ℃夏比沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，無論采用哪種焊接工藝，環(huán)焊接頭均具有優(yōu)良的沖擊韌性表現(xiàn)。圖5-a是焊縫金屬的試驗(yàn)結(jié)果，全自動(dòng)焊的焊縫金屬韌性值相對較高，而組合自動(dòng)焊和手工焊的焊縫金屬韌性值數(shù)據(jù)則更為集中、穩(wěn)定。圖5-b是熔合線的試驗(yàn)結(jié)果，所有的環(huán)焊工藝均在熔合線位置表現(xiàn)出了比焊縫金屬更為離散的沖擊韌性數(shù)值，說明X80鋼管的熱影響區(qū)存在著一定程度的脆化現(xiàn)象。

4.3 環(huán)焊接頭硬度

環(huán)焊接頭HV10硬度試驗(yàn)示意圖及試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。多數(shù)根焊焊縫和熱影響區(qū)的硬度值與母材相當(dāng)，而部分根焊焊縫和熱影響區(qū)的硬度值比母材略低。多數(shù)蓋面焊縫和熱影響區(qū)的硬度值與母材相當(dāng)，部分蓋面焊縫的硬度值比母材高。這一現(xiàn)象符合環(huán)焊接頭與母材等強(qiáng)或稍高強(qiáng)匹配的規(guī)律，也表明X80鋼管的熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象不明顯。另外，全自動(dòng)焊和焊條電弧焊的焊縫金屬具有相對較高的硬度值表現(xiàn)，組合自動(dòng)焊的焊縫金屬硬度值表現(xiàn)與不同產(chǎn)地的焊接材料具有相關(guān)性。

圖6 環(huán)焊接頭HV10硬度試驗(yàn)結(jié)果圖

4.4 環(huán)焊接頭低倍金相

環(huán)焊接頭宏觀金相試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，無論全自動(dòng)焊還是組合自動(dòng)焊，其斷面檢驗(yàn)面的焊縫形貌良好，無未熔合、未焊透、焊偏等缺欠，焊接道數(shù)和層數(shù)符合焊接工藝要求。

圖7 環(huán)焊接頭低倍金相實(shí)物圖

4.5 環(huán)焊接頭縱向拉伸性能

針對工程全線焊口數(shù)量最多的全自動(dòng)焊環(huán)焊接頭，進(jìn)行了環(huán)焊縫縱向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，環(huán)焊縫的全焊縫金屬抗拉強(qiáng)度達(dá)800 MPa，比工程用X80鋼管的管體強(qiáng)度高（100～170 MPa），實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)匹配。

表6 環(huán)焊縫縱向拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表

5 焊接質(zhì)量管控的主要措施

5.1 全自動(dòng)焊的坡口質(zhì)量控制

全自動(dòng)焊工藝由于采用富氬混合氣體保護(hù)，電弧吹力較小，熔深較淺，主要焊接缺欠是未熔合和氣孔。未熔合產(chǎn)生的主要原因在于坡口加工精度誤差、管口組對偏差和焊接操作不當(dāng)?shù)?，其中焊接坡口加工精度往往在質(zhì)量管控過程中是容易被忽略的環(huán)節(jié)。焊接坡口尺寸和形狀保持嚴(yán)格的一致性，這是全自動(dòng)焊工藝實(shí)現(xiàn)高目標(biāo)的一次合格率的基石。

坡口加工前，應(yīng)先由專業(yè)技術(shù)人員將坡口機(jī)的刀具位置調(diào)整合適，再由經(jīng)過培訓(xùn)的操作人員開始坡口加工操作。加工完成的坡口應(yīng)經(jīng)專職質(zhì)檢員使用游標(biāo)卡尺和拐尺對坡口尺寸進(jìn)行復(fù)查，合格后方可進(jìn)行焊接作業(yè)。為保證坡口質(zhì)量，加工時(shí)應(yīng)確保“三個(gè)水平”原則，即操作平臺(tái)水平、鋼管水平和管內(nèi)坡口機(jī)的水平。否則會(huì)導(dǎo)致坡口的尺寸不準(zhǔn)、鈍邊不均、斷面有毛刺及刀片崩刃等現(xiàn)象。有些坡口機(jī)具有定位夾緊和矯正功能，如CPP900-FM56坡口機(jī)，能夠確保坡口機(jī)自身軸心與管軸心重合，這樣只需保持鋼管、坡口機(jī)和操作平臺(tái)的相對水平即可，降低了操作難度?，F(xiàn)場坡口加工中，部分鋼管端面垂直度不好，導(dǎo)致坡口加工時(shí)間增加，降低效率；個(gè)別坡口機(jī)的大盤垂直度不好，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)坡口對角間隙。

5.2 全自動(dòng)焊的焊接質(zhì)量控制

內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行根焊焊接時(shí)，需關(guān)注因焊接速度較低導(dǎo)致的鐵水下淌而造成的內(nèi)坡口的側(cè)壁未熔合及焊縫內(nèi)表面邊緣假熔現(xiàn)象。內(nèi)焊機(jī)的焊接參數(shù)是影響根焊質(zhì)量的重要因素之一，焊前應(yīng)按焊接工藝規(guī)程給定的參數(shù)對每一個(gè)焊炬（內(nèi)焊機(jī)通常有8個(gè)或10個(gè)焊炬）的送絲速度、焊接電壓、焊接速度等進(jìn)行調(diào)節(jié)并試焊，并觀察焊縫成型和接頭搭接長度是否符合要求。內(nèi)焊機(jī)調(diào)試好后，方可由經(jīng)過培訓(xùn)的內(nèi)焊機(jī)操作工進(jìn)行根焊道的焊接作業(yè)。針對無損檢測發(fā)現(xiàn)的焊接缺陷，應(yīng)定期召開質(zhì)量分析會(huì)，通過針對性的實(shí)際案例討論糾正操作工在認(rèn)識(shí)和操作上的錯(cuò)誤，提高質(zhì)量意識(shí)。

外焊機(jī)自動(dòng)焊過程受施焊環(huán)境影響較大，在風(fēng)速較大，防風(fēng)措施不好，管體潮濕等情況下易產(chǎn)生氣孔。加強(qiáng)防風(fēng)措施，如在防風(fēng)棚內(nèi)進(jìn)行焊接操作、接頭打磨時(shí)避開對面小車焊接，以及焊接過程中注意焊接參數(shù)，如電流、電弧電壓和焊接速度的匹配等，能夠有效地減少氣孔的產(chǎn)生。另外，外焊機(jī)自動(dòng)焊時(shí)需關(guān)注焊接過程中的異?，F(xiàn)象，如送絲不穩(wěn)、電弧飛濺、焊偏、接頭打磨坡度等，及時(shí)糾正可避免出現(xiàn)側(cè)壁未熔合。

焊接過程中如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電嘴與坡口碰觸，或?qū)щ娮鞜鄣稳肴鄢?，?yīng)立即停止焊接，打磨干凈接觸點(diǎn)和環(huán)焊內(nèi)的銅污染，必要時(shí)需切割焊口重新進(jìn)行坡口加工，否則會(huì)引發(fā)熱裂紋。

5.3 無損檢測方法的確定

全自動(dòng)焊的環(huán)焊縫采用全自動(dòng)超聲波檢測（AUT），執(zhí)行《石油天然氣管道工程全自動(dòng)超聲波檢測技術(shù)規(guī)范：GB/T 50818ü2013》[17]。AUT檢測完成的環(huán)焊縫，再抽取20%的焊口采用射線檢測（RT）方法對AUT檢測效果進(jìn)行監(jiān)測，幫助質(zhì)量管理人員管控AUT檢測過程，糾正AUT檢測出現(xiàn)的偏差。

組合自動(dòng)焊和返修焊的環(huán)焊縫采用RT檢測，并同時(shí)采用含有衍射時(shí)差功能的相控陣超聲波檢測方法（PAUT+TOFD）進(jìn)行檢測。RT檢測執(zhí)行《石油天然氣鋼質(zhì)管道無損檢測：SY/T 4109ü2013》[18]要求，合格標(biāo)準(zhǔn)為Ⅱ級及以上。PAUT檢測執(zhí)行《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法：GB/T 32563ü2016》[19]。

5.4 固定口連頭焊口的質(zhì)量控制

固定口連頭地點(diǎn)宜選擇在地勢平坦的直管段上，不允許設(shè)置在熱煨彎管、冷彎管及不等壁厚焊縫處，固定口連頭施工前，應(yīng)預(yù)留足夠的兩側(cè)未回填長度，避免強(qiáng)力組對、附加外載荷等因素增加焊接拘束應(yīng)力。

因各種原因需要切割管道上的焊口時(shí)，應(yīng)根據(jù)切割后所形成新焊口的特性，選擇確定將使用的焊接工藝，最終的選擇結(jié)果應(yīng)經(jīng)過質(zhì)量管理人員確定。如切割后形成的焊口是自由口，即環(huán)焊縫焊接過程中能夠自由伸縮，可根據(jù)實(shí)際工況選擇全自動(dòng)焊、自由口連頭自動(dòng)焊等工藝。如切割后形成的焊口是固定口，即環(huán)焊縫焊接過程中不自由伸縮，則必須采用固定口連頭的焊接工藝。

5.5 軟土地基段焊口的質(zhì)量控制

管道沿線的部分地段是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，地基承載力較差。在焊接施工過程中，受周邊施工機(jī)具設(shè)備、過往通行車輛等因素影響所產(chǎn)生的土壤振動(dòng)較為明顯，組對好的焊口會(huì)隨著管道的緩慢沉降而發(fā)生坡口形狀的變化，尤其是在環(huán)焊縫下半圈的仰焊位置，會(huì)產(chǎn)生坡口寬度、組對間隙等參數(shù)的明顯增加。這些軟土地基段零散地分布在管道沿海灘涂的線路段中，長度從幾十米至幾百米不等，在施工初期造成了全自動(dòng)焊合格率的顯著波動(dòng)。

為保證該地段的焊接質(zhì)量穩(wěn)定，提出了選擇使用固定口連頭焊焊接工藝的建議，即采用手工鎢極氬弧焊根焊、自動(dòng)氣保護(hù)藥芯焊絲填充和蓋面焊的組合自動(dòng)焊方法，利用了鎢極氬弧焊的單面焊雙面成型質(zhì)量可靠、氣保護(hù)藥芯焊絲上向焊對焊接坡口和組對精度容錯(cuò)性好的優(yōu)勢，提高了軟土地基段焊口的合格率，保證了自動(dòng)焊施工的質(zhì)量穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

唐山LNG外輸管道工程采用D1 422、X80鋼管，單根鋼管自重超過了10 t，且管道沿線主要地貌為沿海灘涂、連片魚塘和耕地、果園等，焊接施工難度大，質(zhì)量管控要求高。工程項(xiàng)目采用了以內(nèi)焊機(jī)、雙焊炬外焊機(jī)和單焊炬外焊機(jī)等自動(dòng)焊為主的焊接施工方式，完成的環(huán)焊接頭力學(xué)性能優(yōu)良，焊接施工一次合格率良好，滿足工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)文件的要求和規(guī)定，標(biāo)志著油氣管道建設(shè)水平再次上升至一個(gè)新高度。

為保證管道的順利建設(shè)，工程前期借鑒了大量的以往管道焊接施工成果經(jīng)驗(yàn)和高鋼級管道焊接科研成果，同時(shí)也針對性地結(jié)合本工程的地形地貌特點(diǎn)，及施工承包商技術(shù)能力、水平，提出了適用的環(huán)焊縫焊接工藝方案和無損檢測方法。

工程建設(shè)過程中，針對發(fā)現(xiàn)的焊接施工質(zhì)量問題和技術(shù)爭議，召開定期和不定期的質(zhì)量分析會(huì)，積累了大量的焊接施工和質(zhì)量管理經(jīng)驗(yàn)，可為后續(xù)油氣管道工程建設(shè)的焊接施工管理提供經(jīng)驗(yàn)。