白雷杰，安曉軍，鞏忠祿，李樹軍，黎鄭坤

（巨龍鋼管有限公司，河北 青縣 062658）

高壓輸送管道建設(shè)過程中，受限于地區(qū)類型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品鋼級(jí)等因素的差異性，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致管線連接時(shí)存在不等壁厚對(duì)接的情況。尤其是大開孔率三通產(chǎn)品[1-3］。由于其結(jié)構(gòu)型式與鋼管不同，同等承壓能力條件下，大開孔率三通產(chǎn)品的壁厚要比相連接管線的壁厚大很多（通常大開孔率三通產(chǎn)品壁厚是相連接管線壁厚的1.6～2.2倍）。為確保不等壁厚產(chǎn)品之間的有效對(duì)接，目前最常見的方法是對(duì)厚壁產(chǎn)品管端進(jìn)行內(nèi)錐邊、外錐邊坡口加工，內(nèi)錐坡口不等壁厚對(duì)接如圖1所示。該對(duì)接坡口型式?jīng)]有明顯降低不等厚壁產(chǎn)品之間的壁厚差，無法消除或降低此對(duì)接焊縫（環(huán)向焊縫）的應(yīng)力集中，此外該焊縫的施工焊接難度和無損檢測(cè)難度也非常大，甚至?xí)嬖诓糠秩毕莶荒鼙挥行ёR(shí)別的情況。這樣一來，該位置在整個(gè)管道中受力非常集中，質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)極高。

圖1 內(nèi)錐坡口不等壁厚對(duì)接

為有效降低大開孔率三通產(chǎn)品與相連接管線之間對(duì)接焊縫的應(yīng)力集中，提高對(duì)接焊縫的焊接質(zhì)量和安全可靠性，巨龍鋼管有限公司（簡稱巨龍鋼管）研發(fā)了-45℃X80鋼級(jí)Φ1 400 mm×1 200 mm預(yù)制袖管三通產(chǎn)品。現(xiàn)重點(diǎn)介紹其研發(fā)過程及性能。

1 產(chǎn)品研發(fā)背景

目前，管道建設(shè)中大開孔率三通產(chǎn)品與相連接管線之間的對(duì)接環(huán)焊縫，主要是采用V型對(duì)接坡口，焊接方法為手工電弧焊（SMAW）或藥芯焊絲電弧焊（FCAW），管道外側(cè)單面施焊。一方面此焊接工藝方法受現(xiàn)場施工環(huán)境和作業(yè)人員操作水平因素的影響，很難保證焊縫性能質(zhì)量的穩(wěn)定可靠性；另一方面，該對(duì)接環(huán)焊縫在施工現(xiàn)場很難實(shí)現(xiàn)雙面焊接，對(duì)接焊縫內(nèi)側(cè)（焊縫根部）成型質(zhì)量很難控制，且三通與連接管線內(nèi)壁存在較大的壁厚差，導(dǎo)致該部位應(yīng)力集中比較明顯。鑒于這一現(xiàn)狀，常規(guī)的對(duì)接方式很大程度上削弱了對(duì)接焊縫的承壓能力，給管道安全運(yùn)行帶來了極大隱患。

為有效降低大開孔率三通產(chǎn)品與相連接管線之間對(duì)接焊縫的應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)對(duì)接環(huán)焊縫的雙面埋弧自動(dòng)焊接，提高該對(duì)接焊縫的焊接性能和穩(wěn)定可靠性，巨龍鋼管依托中俄東線、西氣東輸?shù)葒鴥?nèi)重點(diǎn)工程需求，開展了-45℃X80鋼級(jí)Φ1 400 mm×1 200 mm預(yù)制袖管三通的研發(fā)。

-45℃X80鋼級(jí)Φ1 400 mm×1 200 mm預(yù)制袖管三通主要由標(biāo)準(zhǔn)三通和袖管預(yù)制組焊而成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)三通件的所有理化性能均滿足油氣輸送管道技術(shù)規(guī)范的要求。袖管由連接管線鋼管切割加工而成，袖管的性能、成分、幾何尺寸等參數(shù)均與連接管線鋼管相同，每端袖管長度為500～2 000 mm[4-10］。

圖2 預(yù)制袖管三通、連接管線結(jié)構(gòu)示意

預(yù)制袖管三通產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)三通產(chǎn)品的用途基本一致，主要用于石油、天然氣及其他輸送介質(zhì)的分支、變向和變徑。但由于預(yù)制袖管三通產(chǎn)品的本體環(huán)向焊縫可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外埋弧自動(dòng)焊接，且環(huán)向焊縫對(duì)接坡口型式與常規(guī)對(duì)接型式不同，很大程度上降低了環(huán)向焊縫的應(yīng)力集中，還有利于實(shí)現(xiàn)預(yù)制袖管三通與連接管線之間的等壁厚連接。因此預(yù)制袖管三通產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)三通產(chǎn)品相比較，無論是在安全可靠性方面，還是在現(xiàn)場施工便利性等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2 主要研究過程

2.1 產(chǎn)品總體技術(shù)工藝方案

為保證三通預(yù)制袖管環(huán)向焊縫的各項(xiàng)性能滿足技術(shù)規(guī)范要求，同時(shí)還要考慮焊接效率和焊縫外觀質(zhì)量要求，依據(jù)目前焊接工藝及裝備水平，三通預(yù)制袖管總體技術(shù)方案為：三通產(chǎn)品和袖管的制作→環(huán)向焊縫組對(duì)→SMAW環(huán)向焊縫外焊預(yù)焊→埋弧自動(dòng)焊接SAW環(huán)向焊縫外焊填充、蓋面→環(huán)向焊縫內(nèi)焊清理、修磨→SAW環(huán)向焊縫內(nèi)焊蓋面→回火熱處理→管端坡口加工→表面除銹→尺寸檢測(cè)→超聲波檢測(cè)→X射線檢測(cè)→磁粉檢測(cè)→表面除銹→防腐、標(biāo)志→包裝、入庫。

以上技術(shù)方案中，三通產(chǎn)品的研制嚴(yán)格按照國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求執(zhí)行，三通產(chǎn)品的各項(xiàng)性能均按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范來驗(yàn)收。袖管研制按照GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》、API Spec 5L—2012《管線鋼管規(guī)范》或其他鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行。預(yù)制袖管三通本體環(huán)向焊縫的焊接主要采用埋弧自動(dòng)焊接的工藝方式來實(shí)現(xiàn)，該焊接工藝可有效保證焊縫理化性能的穩(wěn)定可靠性，且生產(chǎn)效率高，焊縫外觀質(zhì)量美觀。

考慮預(yù)制袖管三通本體環(huán)向焊縫焊接完成后，其自身存在一定的焊接應(yīng)力。因此制造工藝流程中設(shè)計(jì)了“回火熱處理”工序。該工序可消除環(huán)向焊縫焊接應(yīng)力，提高焊縫性能穩(wěn)定性，同時(shí)操作難度也不大。

2.2 對(duì)接環(huán)焊縫焊接工藝研究

預(yù)制袖管三通產(chǎn)品服役環(huán)境溫度低（-45℃）、鋼級(jí)高（X80）、壁厚厚（57 mm），要求焊縫-45℃低溫沖擊韌性≥50 J，抗拉強(qiáng)度≥625 MPa，這一技術(shù)指標(biāo)具有極大的挑戰(zhàn)。為確保預(yù)制袖管三通環(huán)向焊縫的各項(xiàng)性能能夠滿足技術(shù)規(guī)范要求，同時(shí)考慮環(huán)向焊縫焊接工藝的可行性、安全性，三通預(yù)制袖管環(huán)向焊縫的對(duì)接坡口型式最終確定為“非對(duì)稱X性坡口”，如圖3所示。該對(duì)接坡口型式一方面實(shí)現(xiàn)了環(huán)向焊縫的內(nèi)外埋弧自動(dòng)焊接，有效降低了對(duì)接坡口處的壁厚差；另一方面將環(huán)向焊縫位置的應(yīng)力集中分散轉(zhuǎn)移到了三通本體母材位置，大幅度提高了環(huán)向焊縫的承壓能力和安全可靠性。該對(duì)接坡口面的相關(guān)角度和尺寸也可依據(jù)GB/T 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、SY/T 0609—2016《優(yōu)質(zhì)鋼制對(duì)接焊管件規(guī)范》、DEC-OGP-S-NE-006-2020-1《油氣管道工程用DN400及以上管件技術(shù)規(guī)格書》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 環(huán)向焊縫對(duì)接坡口型式示意

-45℃X80鋼級(jí)Φ1 400 mm×1 200 mm預(yù)制袖管三通產(chǎn)品環(huán)向焊縫的焊接，是預(yù)制袖管三通的關(guān)鍵技術(shù)研究內(nèi)容之一，也是研究的主要難點(diǎn)之一。為有效解決環(huán)向焊縫的強(qiáng)度、低溫韌性等性能指標(biāo)，巨龍鋼管依據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評(píng)定》規(guī)范要求，先后進(jìn)行了大量的焊接工藝試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過程中，由于-45℃X80鋼級(jí)Φ1 400 mm×1 200 mm預(yù)制袖管三通產(chǎn)品鋼級(jí)高，在保證焊縫強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的前提下，焊縫低溫沖擊韌性非常不穩(wěn)定，常規(guī)焊接方法無法保證焊縫-45℃低溫沖擊韌性。焊接線能量偏高，則會(huì)導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)金相組織惡化，熱影響區(qū)沖擊韌性急劇降低；焊接線能量過小，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度偏低。

通過不斷改變焊絲和焊劑的匹配，調(diào)整焊絲的成分設(shè)計(jì)，焊接電壓、電流和速度等工藝參數(shù)，最終發(fā)現(xiàn)，在焊材品牌（1號(hào)焊條、2號(hào)焊絲和A焊劑）不變的情況下，通過交替改變每層焊道的焊接電流和焊接電壓，可有效改善焊縫熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性匹配，確保焊縫熱影響區(qū)強(qiáng)度和韌性均能夠滿足技術(shù)規(guī)范要求。最終通過大量試驗(yàn)，成功開發(fā)出了預(yù)制袖管三通產(chǎn)品環(huán)向焊縫專用焊材和焊接工藝。焊絲化學(xué)成分設(shè)計(jì)見表1。環(huán)向焊縫焊接工藝參數(shù)見表2。

表1 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）設(shè)計(jì)%

表2 環(huán)向焊縫焊接工藝參數(shù)

2.3 環(huán)向焊縫專用焊接設(shè)備研究

三通預(yù)制袖管產(chǎn)品由于其結(jié)構(gòu)尺寸的特殊性，導(dǎo)致產(chǎn)品對(duì)焊接設(shè)備的要求高。表現(xiàn)在以下方面：

（1）三通與袖管自身存在一定的尺寸偏差，且三通與袖管組對(duì)時(shí)也存在偏差，因此三通兩端的袖管存在一定程度的不同心，采用常規(guī)輥輪焊接設(shè)備焊接時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致工件運(yùn)行軌跡跳動(dòng)大；

（2）由于三通分支管的存在，導(dǎo)致三通袖管整體會(huì)存在很大偏重（偏重大約為自身質(zhì)量的30%），采用常規(guī)輥輪焊接設(shè)備焊接時(shí)，會(huì)有速度突變的現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。

為此，巨龍鋼管充分分析工件的結(jié)構(gòu)型式，反復(fù)模擬工件運(yùn)轉(zhuǎn)工況，通過進(jìn)行大量的現(xiàn)場驗(yàn)證試驗(yàn)，逐步優(yōu)化、完善三通預(yù)制袖管焊接設(shè)備的設(shè)計(jì)方案。最終方案為：雙卡盤結(jié)構(gòu)焊接旋轉(zhuǎn)設(shè)備。雙卡盤結(jié)構(gòu)焊接旋轉(zhuǎn)設(shè)備如圖4所示。

圖4 雙卡盤結(jié)構(gòu)焊接旋轉(zhuǎn)設(shè)備

雙卡盤結(jié)構(gòu)焊接旋轉(zhuǎn)設(shè)備主要由焊接變位機(jī)構(gòu)、可調(diào)節(jié)式卡盤和位置自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置組成?？烧{(diào)節(jié)式卡盤底座通過配置一套調(diào)心軸承，來實(shí)現(xiàn)工件旋轉(zhuǎn)過程的自動(dòng)調(diào)節(jié)。位置自動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置用于實(shí)時(shí)跟蹤焊接坡口的位置變化，并實(shí)時(shí)調(diào)整焊接機(jī)頭，確保焊接過程中焊絲與焊接坡口的相對(duì)位置能夠滿足工藝規(guī)范要求，保證焊接質(zhì)量性能的穩(wěn)定可靠性。

為進(jìn)一步保證預(yù)制袖管三通產(chǎn)品環(huán)向焊縫焊接旋轉(zhuǎn)過程中的速度穩(wěn)定性，巨龍鋼管對(duì)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)精度提出了更高的要求，通過選用高精密減速機(jī)，從而大幅度消除減速機(jī)內(nèi)齒輪傳動(dòng)的回程間隙，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)工件焊接旋轉(zhuǎn)過程中速度的穩(wěn)定性，消除工件自身偏載的影響。

圖5 齒輪傳動(dòng)回程間隙示意

3 試驗(yàn)和研究

通過進(jìn)行焊接設(shè)備設(shè)計(jì)改造和大量的焊接工藝試驗(yàn)等研究工作，巨龍鋼管完成了首批預(yù)制袖管三通產(chǎn)品的生產(chǎn)制造，并依據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對(duì)三通預(yù)制袖管環(huán)向焊縫進(jìn)行了無損檢測(cè)和理化性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范要求。預(yù)制袖管三通產(chǎn)品環(huán)向焊縫性能檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 預(yù)制袖管三通產(chǎn)品環(huán)向焊縫性能檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語

-45℃X80鋼級(jí)Φ1 400 mm×1 200 mm預(yù)制袖管三通產(chǎn)品的成功研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了三通與連接管線對(duì)接環(huán)向焊縫的內(nèi)外埋弧自動(dòng)焊接，提高了對(duì)接環(huán)向焊縫的成型質(zhì)量和性能穩(wěn)定性；其次，預(yù)制袖管三通對(duì)接坡口型式有了改進(jìn)和創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了兩者之間的等內(nèi)徑連接，大幅度地將環(huán)向焊縫的應(yīng)力轉(zhuǎn)移到了三通母材，提高了焊縫的承壓能力；此外，最重要的是，預(yù)制袖管三通的環(huán)向焊接工藝有了本質(zhì)改變，通過交替改變每層焊道的焊接電流和焊接電壓，有效保證了焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度和韌性匹配。