湯海東

中石化勝利油建工程有限公司 山東東營(yíng) 257064

1 序言

在油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，地下采集的天然氣含有大量的H2S、SO2等腐蝕介質(zhì)，造成輸氣管道使用過(guò)程中內(nèi)部嚴(yán)重腐蝕，導(dǎo)致管道使用壽命短，同時(shí)存在非常大的安全隱患。我公司承建的井口集輸管網(wǎng)工程選用316L+L360內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管，有效提高了管道抗腐蝕性，降低了安全隱患風(fēng)險(xiǎn)。該管道規(guī)格為φ273mm×10mm，其中覆層厚度2mm。

針對(duì)此復(fù)合鋼管焊接質(zhì)量控制難度大和對(duì)焊工操作技術(shù)要求高等問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)焊接工藝的不斷完善及焊接操作技術(shù)的提升，保證了焊接一次合格率，為公司今后復(fù)合鋼管焊接積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

2 L360和316L內(nèi)襯復(fù)合管焊接性分析

內(nèi)襯不銹鋼復(fù)合管是由基層L360低合金鋼管和覆層316L不銹鋼管組成。基層L360低合金鋼管具有良好的塑性和較高的強(qiáng)度，焊接性良好；覆層316L不銹鋼管具有較強(qiáng)的耐蝕性[1]。兩種材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1、表2。

表1 316L不銹鋼和L360低合金鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 316L不銹鋼和L360低合金鋼力學(xué)性能

3 焊前準(zhǔn)備

（1）焊接設(shè)備與機(jī)具 選用具有陡降外特性的直流逆變電源ZX7-400、角向磨光機(jī)、不銹鋼專用砂輪片、測(cè)溫儀、溫度計(jì)及內(nèi)部充氬裝置等。

（2）焊接方法和焊接材料 不同焊層選用不同的焊接方法和焊接材料。

1）由于覆層316L不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)小、線膨脹系數(shù)大，焊接過(guò)程中熔池流動(dòng)性差，且覆層厚度只有2mm，所以選用電弧熱量集中且焊接質(zhì)量好的手工鎢極氬弧焊，焊接材料選用ER316L。

2）為防止過(guò)渡層焊接時(shí)熔池過(guò)大，造成覆層焊縫燒穿氧化，過(guò)渡層焊接也采用手工鎢極氬弧焊，焊接材料選用ER309L[1]。

3）基層為常見(jiàn)的L360低合金鋼，焊接工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，因此基層采用焊條電弧焊，可提高焊接質(zhì)量和效率。焊接材料選用E4315焊條，使用前要求烘干溫度為350～400℃，恒溫2h，使用時(shí)存放于保溫桶內(nèi)，隨用隨取。以上所用焊接材料化學(xué)成分見(jiàn)表3，力學(xué)性能見(jiàn)表4。

表3 焊接材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 焊接材料力學(xué)性能

（3）焊接接頭設(shè)計(jì)要求 坡口形式：V 形，如圖1所示；鈍邊：0.5～1.0mm；對(duì)口間隙：2.5～3.5mm；焊層分布如圖2所示。

圖1 坡口形式

圖2 焊層分布

（4）保護(hù)氣體 手工鎢極氬弧焊保護(hù)氣體選用純度≥99.99%的氬氣。同時(shí)，為防止覆層焊接時(shí)焊縫背面氧化，需要對(duì)管內(nèi)進(jìn)行充氬氣，以保護(hù)根部焊縫及母材[1]。管內(nèi)充氬裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 管內(nèi)充氬裝置結(jié)構(gòu)

（5）焊接參數(shù) 為保證焊后能得到良好的焊縫成形和接頭性能，必須采用合適的焊接參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)的焊接參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 施工時(shí)焊接參數(shù)

4 焊接操作要點(diǎn)

施焊時(shí)從6點(diǎn)引燃電弧，分別沿6點(diǎn)→3點(diǎn)→0點(diǎn)和6點(diǎn)→9點(diǎn)→0點(diǎn)方向，分別從兩側(cè)向上焊接，焊槍和焊絲角度如圖4所示。

圖4 焊槍、焊絲角度示意

4.1 坡口清理

焊前使用不銹鋼專用砂輪片認(rèn)真清理坡口兩側(cè)各25mm內(nèi)的油、銹等污物，清理時(shí)應(yīng)注意不要傷及覆層，管端內(nèi)壁用內(nèi)磨機(jī)打磨，直至露出金屬光澤。

4.2 封焊層焊接要點(diǎn)

焊接時(shí)需要注意以下4點(diǎn)。

1）由于基層和覆層之間存在間隙且直接組對(duì)焊接時(shí)不易熔合，所以需要對(duì)復(fù)合管坡口一側(cè)的端部進(jìn)行封焊，能夠提高焊接質(zhì)量，減少焊縫稀釋。

2）焊接時(shí)選用較小焊接電流、較快的焊接速度及輕微擺動(dòng)的操作手法，同時(shí)嚴(yán)格控制焊接溫度，沿圓周自下而上焊接，焊層厚度約為2mm。

3）要求封焊層焊縫表面無(wú)氣孔、過(guò)燒及裂紋等缺陷，且過(guò)渡圓滑、成形均勻。

4）封焊后用角向磨機(jī)將封焊層整體沿坡口面修磨成圓滑小倒角，鈍邊厚度為0.5～1.0mm，這樣能夠使坡口面更加均勻，提高根焊層焊接質(zhì)量。

4.3 組對(duì)及定位焊

操作時(shí)需要注意以下5點(diǎn)。

1）封底層焊接完成后進(jìn)行管道組對(duì)，組對(duì)應(yīng)符合焊接工藝要求。

2）組對(duì)時(shí)將背面充氬保護(hù)裝置裝入管內(nèi)坡口位置，組對(duì)完成后用膠帶將坡口密封，僅留出一次連續(xù)定位焊的長(zhǎng)度。

3）定位焊縫分別在10點(diǎn)、2點(diǎn)、6點(diǎn)位置，定位焊長(zhǎng)度30～50mm，如圖5所示。

圖5 定位焊位置示意

4）定位焊縫內(nèi)部成形不能過(guò)高，以免因接頭原因造成焊縫根部產(chǎn)生焊瘤缺陷。

5）為保證根部接頭質(zhì)量，接頭時(shí)應(yīng)將定位焊兩端磨成斜坡?tīng)睢?/p>

4.4 根焊層操作要點(diǎn)

操作時(shí)需要注意以下6點(diǎn)。

1）根焊過(guò)程中始終保持管子內(nèi)部在氬氣保護(hù)狀態(tài)下，管口外端除需要焊接的位置外全部采用錫紙膠帶密封。為防止根部焊縫氧化，焊接時(shí)一般去除熔池前端錫紙膠帶30～50mm。

2）根焊時(shí)從6點(diǎn)位置定位焊縫處引燃電弧，焊接時(shí)盡量采用內(nèi)部連續(xù)送進(jìn)焊絲法或在外部送絲后將熔化的焊絲向坡口內(nèi)部送一下，這樣能夠有效防止內(nèi)部成形凹陷（見(jiàn)圖6）。

圖6 仰焊位置送絲示意

3）根焊過(guò)程中焊絲端部始終處在氬氣保護(hù)中，電弧做小幅鋸齒形快速擺動(dòng)，兩邊稍作停留，讓坡口兩邊充分熔合，同時(shí)焊絲均勻地沿管子的切點(diǎn)送到熔池前端1/3處向上施焊。

4）焊接到平焊位置時(shí)，熔孔不宜過(guò)大，防止背面成形過(guò)高或是產(chǎn)生焊瘤，同時(shí)增加電弧擺動(dòng)寬度和坡口兩邊停留時(shí)間。隨著溫度升高，應(yīng)增加送絲頻率和焊接速度，防止焊縫氧化。

5）焊接過(guò)程中必須做好防風(fēng)措施，防止因氬氣保護(hù)不好而造成的熔池發(fā)泡現(xiàn)象，出現(xiàn)氣孔等缺陷。

6）在熄弧前向熔池連送兩滴填充金屬并快速將熔池移至坡口一側(cè)收弧，熄弧后應(yīng)繼續(xù)送進(jìn)氬氣對(duì)高溫熔池進(jìn)行保護(hù)，待冷卻后才可將保護(hù)氣體移開(kāi)。

4.5 過(guò)渡層焊接操作要點(diǎn)

操作時(shí)需要注意以下2點(diǎn)。

1）過(guò)渡層也采用手工鎢極氬弧焊，為防止焊接過(guò)程中電弧高溫對(duì)根部焊縫造成氧化，必須對(duì)管子內(nèi)部繼續(xù)充氬氣進(jìn)行保護(hù)。

2）在保證焊縫金屬熔合良好的條件下，焊接過(guò)程中盡量減小焊接熱輸入，采用小電流、短電弧、快速焊及窄焊道工藝進(jìn)行焊接。

4.6 填充層、蓋面層操作要點(diǎn)

操作時(shí)需要注意以下3點(diǎn)。

1）填充層、蓋面層焊接選用E4315焊條，使用前應(yīng)嚴(yán)格按照說(shuō)明書要求進(jìn)行烘干、存放和使用。焊前對(duì)焊條外觀進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)有銹蝕、受潮、藥皮不均勻或脫落的現(xiàn)象，不得使用。

2）焊接過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照焊接參數(shù)調(diào)節(jié)，應(yīng)采用月牙形或鋸齒形運(yùn)條法短弧操作，坡口兩邊停頓時(shí)間稍長(zhǎng)，避免焊道中心溫度過(guò)高；焊縫接頭時(shí)起弧點(diǎn)應(yīng)在接頭前方30～40mm處引燃電弧，并將電弧向下快速帶到接頭處，這樣能有效防止產(chǎn)生接頭密集性氣孔。

3）蓋面焊縫表面應(yīng)光滑過(guò)渡到母材，焊縫外觀成形高低寬窄均勻一致，表面無(wú)飛濺、焊渣等缺陷。

5 復(fù)合管焊接注意事項(xiàng)

焊接時(shí)需要注意以下6點(diǎn)。

1）封焊層焊接時(shí)應(yīng)做好防風(fēng)措施，焊槍噴嘴型號(hào)選用12號(hào)或14號(hào)，能有效減少氣孔生成，避免焊縫金屬氧化。

2）定位焊縫為正式焊縫的一部分，焊接前應(yīng)確定管口內(nèi)部空氣排空情況；焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程要求，防止產(chǎn)生根部未熔合、內(nèi)咬邊、氣孔及凹陷等缺陷。

3）焊接5點(diǎn)至7點(diǎn)位置時(shí)，電弧熱量盡量集中在坡口兩側(cè)，防止焊縫中心因溫度過(guò)高而造成根部焊道下塌。

4）焊接過(guò)程中如不慎出現(xiàn)鎢極與熔池或鎢極與焊絲發(fā)生瞬間短路現(xiàn)象，造成焊縫污染或產(chǎn)生夾鎢缺陷，應(yīng)立即停止焊接，將被污染處使用角向磨光機(jī)清理干凈，同時(shí)應(yīng)更換鎢極后才能繼續(xù)焊接。

5）焊條填充、蓋面時(shí)，由于熔池形狀大、溫度高，直接熄弧容易造成收弧縮孔和裂紋，故收弧時(shí)應(yīng)采用2～3次斷續(xù)熄滅操作，避免產(chǎn)生焊接缺陷。

6）焊接操作過(guò)程中嚴(yán)格控制層間溫度，選用小電流、快速焊等降低焊接熱輸入的操作方法。

6 常見(jiàn)焊接缺陷防止措施

（1）氣孔的防止措施 ①焊前將焊件坡口內(nèi)外表面25mm內(nèi)的鐵銹、氧化皮及其他污物雜質(zhì)認(rèn)真清理干凈，如有油污可采用丙酮或酒精進(jìn)行擦拭清除。②氬弧焊焊前檢查供氣系統(tǒng)是否存在漏氣現(xiàn)象，焊接過(guò)程中保持正確的焊槍、焊絲角度，并調(diào)整合適的噴嘴與熔池的距離。③堿性低氫焊條使用前嚴(yán)格按照要求進(jìn)行烘干保溫，使用時(shí)存放于焊條桶內(nèi)，做到隨用隨取[1]。

（2）咬邊的防止措施 ①焊接時(shí)根據(jù)焊接位置、焊條直徑及母材厚度選擇合適的焊接電流和相應(yīng)的焊接速度。②運(yùn)弧時(shí)適當(dāng)壓低電弧保持短弧操作并適當(dāng)增加坡口邊緣電弧停留時(shí)間，同時(shí)根據(jù)焊接位置及時(shí)調(diào)整焊槍、焊條角度。

（3）凹陷的防止措施 ①嚴(yán)格按照規(guī)范要求修磨坡口角度和打磨鈍邊厚度，組對(duì)間隙控制在2.5～3.5mm。②選擇適合的焊接參數(shù)，防止熔池溫度過(guò)高造成仰位凹陷。③仰焊部位焊接盡量采用短弧操作，利用電弧推力將熔化的鐵液送入焊縫根部。

7 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用手工氬弧焊和焊條電弧焊組合焊接工藝操作，縮短了316L+L360內(nèi)襯復(fù)合管的焊接施工周期，并且將射線檢測(cè)合格率提升到96.3%。不僅使焊接質(zhì)量得到了有效控制，而且為以后同類復(fù)合管的焊接操作提供了可借鑒性的經(jīng)驗(yàn)。