袁澤浩，李廣超，解慶生

(北京興油工程項目管理有限公司,北京 100089)

0 前言

隨著京津冀一體化進(jìn)程的快速推進(jìn)及京津冀地區(qū)“煤改氣政策”的實施，京津冀地區(qū)天然氣用量逐年增加。為提高天然氣運輸效率的同時保證管道的安全性，長輸管道工程用管逐步向大口徑、高鋼級和大壁厚發(fā)展[1]。從2000年至今，長輸管道工程歷經(jīng)了設(shè)計壓力從6.4 MPa提升至10 MPa以上；施工用管鋼級從X60逐漸提升至X70和X80；管徑從φ508～φ813 mm提升至φ1 219～φ1 422 mm；壁厚從6～12 mm提升至30 mm以上的過程[2]。管徑和壁厚的提升增大了焊接工程量，手工焊的功效越來越無法適應(yīng)工程進(jìn)度的要求，與此同時自動焊技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，并越來越廣泛的應(yīng)用在長輸管道建設(shè)之中。管道自動焊接施工形成的環(huán)焊縫是管道質(zhì)量控制的重點[3-4]，其受多種因素影響可能會產(chǎn)生層間未熔、未焊透、密集氣孔等缺陷或缺欠[5]，這些缺陷(欠)大多可由AUT(全自動超聲檢測)和RT(射線檢測)等無損檢測方法識別出來[6]。然而，由于熱輸入超標(biāo)等原因造成的焊接接頭晶粒異常長大等組織缺陷則大多只能依靠力學(xué)性能試驗來驗證，所以制定良好的焊接工藝參數(shù)是提高焊接質(zhì)量的重要一環(huán)。

某LNG接收站項目外輸管道工程全長超200 km，設(shè)計壓力10 MPa，主線路涉及X80，X70兩種材質(zhì)鋼管，X80管道外徑為φ1 219 mm，設(shè)計壁厚為27.5 mm和22 mm；X70管道外徑為φ1 016 mm，設(shè)計壁厚為26.2 mm。在該項目主線路焊接過程中運用了CRC-Evans，熊谷、CPP，RMS等多個品牌及型號的自動焊設(shè)備，其中某研究院研制的CPP900-IW48內(nèi)焊機與新開發(fā)的CPP900-W2N雙焊炬自動外焊設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)化的組合應(yīng)用，開工7個月內(nèi)，該項目累積采用CPP900焊接系統(tǒng)完成了1 021道焊口的焊接工作，綜合一次合格率達(dá)到95.4%。文中淺析了CPP900自動焊設(shè)備在本項目采用的部分焊接工藝，并對其焊接得到的環(huán)焊縫開展了力學(xué)性能測試，以期為該型號設(shè)備后續(xù)的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 CPP900-IW48內(nèi)焊機

CPP900-IW48內(nèi)對口器/內(nèi)焊機主要負(fù)責(zé)管道焊接流水作業(yè)的根焊工序，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括了搭載8臺焊槍的焊接單元(如圖2所示)、用于管道組對的漲緊組對單元、供電單元、供氣單元及行進(jìn)控制單元等。該內(nèi)焊機結(jié)合了三點同步定位技術(shù)、智能控制技術(shù)及同步漲緊技術(shù)等管道組對技術(shù)，可保證管道內(nèi)部組對的精準(zhǔn)性及同步性。根焊工序過程穩(wěn)定，搭接合理準(zhǔn)確，可在短時間內(nèi)完成大口徑管道全位置根焊焊接。

圖1 CPP900-IW48內(nèi)對口器/內(nèi)焊機

圖2 內(nèi)對口器/內(nèi)焊機漲緊組對單元和單個焊槍

焊接過程中，內(nèi)焊機將整個環(huán)焊縫劃分為左右兩個半圓各180°，每個半圓部分被進(jìn)一步劃分成角度為45° 的4個分區(qū)域。處在左側(cè)半圓的1～4號焊槍首先起弧，每臺各負(fù)責(zé)45°分區(qū)域的焊接，焊接至相應(yīng)位置收弧停止焊接，5～8號焊炬負(fù)責(zé)焊接右側(cè)半圓的180° 焊口，其工作狀態(tài)與1～4號焊炬一致。

2 CPP900-W2N自動焊設(shè)備

CPP900-W2N管道全位置雙焊炬自動焊設(shè)備是新一代基于數(shù)控系統(tǒng)的自動焊設(shè)備，是中國第三代管道全位置自動焊機的代表。相較于上一代自動焊設(shè)備，CPP900-W2N雙焊槍外焊機系統(tǒng)有效的提升了各種數(shù)字信號處理算法運行速度，在原有器件基礎(chǔ)上增加了門電路數(shù)量，實現(xiàn)系統(tǒng)運動控制與焊縫跟蹤的深度融合，保證焊縫跟蹤精度及跟蹤效果，使其焊接控制的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性及焊接質(zhì)量都有了顯著地提高；同時其體積、質(zhì)量都有所減小，更易搬運和存放。其主要用于長輸油氣管道焊接施工過程中內(nèi)焊機根焊工序后的熱焊、填充及蓋面焊等焊接作業(yè)。

CPP900-W2N自動焊系統(tǒng)包括機械部分、智能控制部分和焊接電源。機械部分包括：焊接小車、導(dǎo)向軌道；智能控制部分主要包括：主控單元、信號處理單元、角度傳感單元、動力單元、手持操作單元、焊接電源控制單元及觸控單元等。其可以配制焊縫跟蹤設(shè)備，實時調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，精準(zhǔn)控制焊接電流、電弧電壓、焊接速度、送絲速度、焊槍擺寬、擺動時間和邊緣停留時間等；其焊接電源為AOTAI Pulse MIG-500，采用混合氣體(Ar+CO2)保護(hù)焊、實芯焊絲下向焊工藝，完成管道全位置自動焊接。

3 CPP900自動焊系統(tǒng)焊接工藝

CPP900雙焊槍自動焊系統(tǒng)包括用于根焊的CPP900-IW48內(nèi)對口器/內(nèi)焊機，以及完成熱焊層焊接和填充蓋面焊的設(shè)備CPP900-W2N。

3.1 坡口形式和焊道設(shè)計

較高的焊接殘余應(yīng)力可能誘發(fā)管道焊縫的應(yīng)力腐蝕開裂等危害[7]，焊道數(shù)量的增加有利于減少峰值殘余應(yīng)力，全自動焊接工藝的使用也減少了可能發(fā)生位錯增加導(dǎo)致的高應(yīng)力區(qū)[8]。以壁厚22 mm的坡口圖樣為例，該工程主線路直管段焊接采用復(fù)合型坡口，焊道設(shè)計為8層9道焊，坡口形式如圖3a所示，焊道順序圖如圖3b所示，坡口參數(shù)見表1。

圖3 焊接接頭圖

表1 焊接接頭坡口參數(shù)

3.2 X80管線鋼的焊接工藝參數(shù)

該章節(jié)以管徑為φ1 219 mm，壁厚為22 mm的X80管線鋼焊接為例，給出CPP900自動焊設(shè)備焊接工藝(GMAW)參數(shù)。焊接用母材的化學(xué)成分見表2，采用圖3的坡口形式進(jìn)行焊接。焊前預(yù)熱溫度為100～150 ℃，預(yù)熱方式為電感應(yīng)加熱或電加熱。層道間溫度為65～150 ℃。其他具體焊接工藝參數(shù)見表3。

表2 該工程所用X80管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 X80管線鋼CPP900自動焊系統(tǒng)焊接工藝(GMAW)參數(shù)

針對所用鋼材和設(shè)備，根焊焊絲選用BOEHLER SG3-P(AWS A 5.18, ER70S-G)，焊絲直徑φ0.9 mm，所用保護(hù)氣體為80% Ar+20% CO2，采用短路過渡方式；根焊完成后，與熱焊開始間隔時間小于15 min，熱焊焊絲為BOEHLER SG8-P(AWS A 5.28, ER80S-G)，焊絲直徑φ1.0 mm，所用保護(hù)氣體為80% Ar+20% CO2，采用滴狀過渡方式；填充焊及蓋面焊焊絲為BOEHLER SG8-P(AWS A 5.28, ER80S-G)，焊絲直徑φ1.0 mm，所用保護(hù)氣體為80% Ar+20% CO2，采用滴狀過渡方式。進(jìn)行前幾道填充焊時，外焊機兩個焊槍一前一后分布并先后起弧，一次焊接可完成兩層焊道，前一道焊接的余熱可作為下一道焊接的預(yù)熱，最后一道填充焊則采用單焊槍填充。蓋面焊時外焊機兩個焊槍呈左右分布，一次完成單層兩道焊。

4 CPP900自動焊系統(tǒng)X80管線鋼焊接接頭性能

對采用CPP900自動焊設(shè)備焊接的環(huán)焊縫，經(jīng)無損檢測合格后，根據(jù)GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》及項目相關(guān)設(shè)計文件開展力學(xué)性能和宏觀金相試驗。試驗內(nèi)容及試樣數(shù)量包含拉伸試樣4個、刻槽錘斷試樣4個、背彎試樣4個、側(cè)彎試樣8個、-10 ℃夏比沖擊試樣36個、全焊縫拉伸試樣2個、硬度試樣1個及宏觀金相試樣3個。

4個拉伸試樣均為橫向矩形試樣，斷裂位置都處于母材區(qū)，抗拉強度分別為690 MPa，705 MPa，709 MPa和716 MPa。全焊縫拉伸試驗采用棒狀試樣，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線得到2個試樣屈服強度分別為667 MPa和656 MPa、抗拉強度分別為720 MPa和713 MPa、斷后伸長率分別為21.5 %和22.5 %。以上兩類試驗結(jié)果均滿足驗收標(biāo)準(zhǔn)。

在-10 ℃夏比沖擊試驗中，缺口位置分別開在焊縫中心(WZ)和熔合線(FZ)上，缺口類型為V形，取樣位置分別為平焊位置、立焊位置及仰焊位置的內(nèi)外兩個表面，沖擊試驗溫度為-10 ℃，沖擊吸收能量驗收標(biāo)準(zhǔn)為單值不小于38 J，平均值不小于50 J。試驗結(jié)果見表4，沖擊吸收能量結(jié)果如圖4所示，試驗結(jié)果表明試樣抗沖擊性能合格。

圖4 各取樣位置沖擊吸收能量

表4 X80管線鋼焊接接頭-10 ℃夏比沖擊試驗結(jié)果

刻槽錘斷試驗采用三面刻槽形式，4個試樣試驗結(jié)果均為未見明顯缺欠；在側(cè)彎和背彎試驗中，彎心直徑均為90 mm，彎曲角度均為180°，試驗結(jié)果顯示均未見明顯裂紋和缺欠；將平焊位置、立焊位置及仰焊位置的3段焊接接頭截面打磨、拋光及浸蝕后觀察宏觀金相，其結(jié)果清晰顯示8層9道焊，通過宏觀金相觀察未見明顯缺欠。

維氏硬度試驗(HV10)的試驗結(jié)果見表5，即使是硬度最大的焊縫區(qū)，最大硬度也未超過270 HV10，根據(jù)驗收標(biāo)準(zhǔn)“焊縫根焊道不小于300 HV10，其他位置不小于325 HV10”，試樣硬度滿足要求。

表5 X80管線鋼焊接接頭維氏硬度試驗結(jié)果 HV10

5 結(jié)論

采用CPP900自動焊設(shè)備焊接高鋼級、大管徑、大壁厚的管線鋼，環(huán)焊縫成形良好，接頭的力學(xué)性能指標(biāo)均滿足驗收規(guī)范要求，刻槽錘斷、彎曲及宏觀金相試驗均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋及缺欠。