高云強

(中石化工程造價有限公司，山東 青島 266000)

長輸管道作為一種重要的能源輸送方式，在石油、天然氣輸送領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

X80鋼管道通常管徑和壁厚較大，野外施工作業(yè)難度較高，采用藥芯自保護(hù)焊絲下向焊和手工焊條電弧焊工藝，作業(yè)難度大、焊接效率較低。如采用全位置機(jī)動焊，將傳統(tǒng)的手工焊工轉(zhuǎn)變?yōu)椤昂笝C(jī)操作工”，能大幅度提高勞動效率，減小施工強度，并在一定程度上減少人為因素引起的焊接質(zhì)量問題。

1 母材、焊材成分及性能分析

本次進(jìn)行的全位置焊接工藝試驗及性能分析，采用金屬粉芯根焊、藥芯氣保護(hù)焊絲填充蓋面工藝，焊接方法為GMAW-M(向下)+FCAW-G(向上)。

1.1 母材的選擇

焊接試驗選用的管道材料為X80M雙面埋弧直縫焊管，規(guī)格為φ1 016 mm×15.3 mm，其化學(xué)成分測試結(jié)果見表1，力學(xué)性能測試結(jié)果見表2。

表1 X80 M管材化學(xué)成分 單位：w,%

表2 X80 M管材力學(xué)性能

X80M鋼是一種高強度鋼， 碳當(dāng)量比較低， 淬硬傾向不大， 強度級別較高。一般焊前預(yù)熱并選擇正確的焊接材料和相應(yīng)的工藝措施即可防止冷裂紋的產(chǎn)生。但是隨著管道壁厚的增加、 輸送壓力的提高以及輸送介質(zhì)中腐蝕性氣體(H2S)含量的提高， 也會有氫致裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生。

1.2 焊材的選擇

1.2.1 焊絲的選擇

焊接試驗選擇的根焊焊絲為ACR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲， 規(guī)格為φ1.2 mm； 熱焊、 填充及蓋面焊絲為AFR-91K2M藥芯焊絲，規(guī)格為φ1.2 mm。兩種焊絲的合金成分分別見表3和表4，熔敷金屬機(jī)械性能分別見表5和表6。

表3 ACR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲化學(xué)成分 單位：w,%

表4 AFR-91K2M藥芯焊絲化學(xué)成分 單位：w,%

表5 ACR-81Ni1MP金屬粉芯焊絲熔敷金屬機(jī)械性能

表6 AFR-91K2M藥芯焊絲熔敷金屬機(jī)械性能

1.2.2 保護(hù)氣體的選擇

本次焊接試驗根焊、填充焊、蓋面焊均采用80%Ar+20%CO2氣體保護(hù)， Ar氣體純度≥99.99%，CO2氣體純度≥99.5%，氣體流量20～25 L/min?；旌蠚獾膬?yōu)點是電弧燃燒非常穩(wěn)定、飛濺少。

2 全位置焊接工藝參數(shù)

2.1 坡口的設(shè)計與加工

經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，管道全位置熔化極機(jī)動焊設(shè)備根焊要求坡口角度60°±5°，鈍邊1～1.5 mm，坡口間隙≤3.5 mm。但是，目前長輸管道規(guī)格φ500 mm以上的焊口，特別是管件與管子對接的焊口，由于管材(尤其是我國廣泛使用的螺旋管)管徑差異較大，管徑的橢圓度、坡口加工不規(guī)則，導(dǎo)致現(xiàn)場組對時，往往會出現(xiàn)坡口寬窄不一、錯邊等現(xiàn)象，用規(guī)則坡口設(shè)定的參數(shù)無法完成優(yōu)良的焊道。在這種情況下，焊工必須通過觀察熔池，實時調(diào)節(jié)參數(shù)(尤其是擺幅與焊縫兩側(cè)停留時間)，才能獲得優(yōu)良的焊道。本次試驗盡量模擬現(xiàn)場工況，根焊采取RMD自動焊，填充焊與蓋面焊采取藥芯焊絲管道全位置熔化極機(jī)動焊。

試驗采用60°±5°帶鈍邊V形坡口，具體坡口形式及焊道順序如圖1所示。焊接前采用砂輪機(jī)將焊件的坡口及其兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)的油漬、鐵銹、氧化皮等污物清理干凈。

圖1 坡口形式及焊道順序示意

2.2 主要參數(shù)設(shè)置

2.2.1 焊槍角度的選擇

根焊采用熔化極RMD工藝下向焊接。為了得到根焊縫良好的背面成形，焊接過程中焊槍角度也是十分重要的工藝因素。焊槍與焊縫的角度示意如圖2所示。根焊過程中，將焊槍逆焊接方向傾斜一定角度α(一般取25°≤α≤35°)。仰焊位置熔池受重力作用容易下墜，α大一些，可以采用斷弧根焊，防止形成下塌缺陷。

圖2 根焊焊槍角度示意

為防止平焊位置出現(xiàn)“夾渣”缺陷，應(yīng)在焊接之前調(diào)節(jié)好焊槍角度，焊槍順焊接方向傾斜約15°即可。

2.2.2 焊槍擺動參數(shù)的選擇

焊槍采用直擺或角擺均能保證坡口兩側(cè)熔合良好，但采用角擺可以使焊縫成形更加平整，同時減小兩側(cè)夾溝?？紤]到工程應(yīng)用中如果選擇窄間隙復(fù)合坡口，直擺難以保證坡口兩側(cè)邊緣良好熔合，所以焊槍擺動方式為角擺。

2.3 RMD下向根焊工藝

根焊采用具備RMD根焊功能的山大奧太Pulse MIG-500型焊機(jī)，焊前預(yù)熱，將焊縫加熱到100～200 ℃。其焊接參數(shù)見表7，根焊焊縫成形如圖3(a)～圖3(b)所示。

表7 RMD下向根焊工藝參數(shù)

圖3 根焊焊縫成形

2.4 全位置機(jī)動焊熱焊工藝參數(shù)

根焊完成后，熱焊的工藝要求最為嚴(yán)格。熱焊采用藥芯焊絲熔化極FCAW向上焊接。

焊接線能量如果過大可能導(dǎo)致根層重熔，影響焊接質(zhì)量。因此熱焊焊接電流、電弧電壓不能太大，在保證焊縫里沒有裂紋、氣孔以及焊層之間沒有未熔合的基礎(chǔ)上，盡量提高焊接效率。

將管口按圖4進(jìn)行分段，以鐘點12點位置作為0°，6點位置作為180°，0°到180°之間分為3個大段。

圖4 管口的空間分段

2.4.1 機(jī)動焊仰焊位置熱焊工藝參數(shù)

焊接過程中，從180°到130°的焊接具有仰縫焊接的特點，鐵水受重力作用下墜，選擇較低的電弧電壓、較小的焊接電流為宜，焊接速度不宜過快。仰焊位置熱焊層的焊接參數(shù)見表8。

表8 仰焊位置熱焊層焊接參數(shù)

2.4.2 機(jī)動焊立焊位置熱焊工藝參數(shù)

從130°到60°的上坡焊具有立縫焊接的特點，由于重力作用，熔池不易穩(wěn)定，鐵水下墜，焊接速度相對仰焊位置快一些。立焊位置熱焊層的焊接參數(shù)見表9。

表9 立焊位置熱焊層焊接參數(shù)

2.4.3 機(jī)動焊平焊位置熱焊工藝參數(shù)

從60°到0°的焊接具有平縫焊接的特點，熔池相對穩(wěn)定，同時為了保證焊接效率，可以采用較大的電弧電壓與焊接電流。平焊位置熱焊層的焊接參數(shù)見表10。

表10 平焊位置熱焊層焊接參數(shù)

2.5 全位置機(jī)動焊填充、蓋面焊工藝參數(shù)

填充、蓋面焊采用藥芯焊絲熔化極FCAW向上焊接。

2.5.1 機(jī)動焊180°位置填充、蓋面工藝參數(shù)

180°處于仰焊位置，熔滴受到重力作用向下，阻礙其過渡。因此該焊接位置需要合理的焊接工藝參數(shù)以確保熔滴順利過渡。

180°位置填充、蓋面焊焊接參數(shù)見表11，蓋面層焊縫成形如圖5所示。由于開始焊接時采用的CO2保護(hù)氣體流量不夠，保護(hù)效果不好，可能導(dǎo)致了周圍空氣入侵；此外，CO2氣體具有較強的冷卻作用，氣體來不及從焊縫中及時逸出，因此在圖5所示的焊縫表面出現(xiàn)了雞爪形氣孔-蟲孔，若忽略這一點，則焊縫成形仍十分平直、美觀、光滑。

圖5 180°位置蓋面層焊縫成形

表11 180°位置填充、蓋面焊接參數(shù)

2.5.2 機(jī)動焊90°位置填充、蓋面焊工藝參數(shù)

90°基本處于立焊位置，熔滴受到重力作用向下，阻礙其過渡，因此需要通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)克服重力對熔滴過渡的不利影響。90°位置填充、蓋面焊焊接參數(shù)見表12，填充、蓋面層焊縫成形如圖6所示。

表12 90°位置填充、蓋面焊接參數(shù)

圖6 90°位置填充、蓋面層焊縫成形

2.5.3 機(jī)動焊45°位置填充、蓋面焊工藝參數(shù)

45°位置熔滴受到的重力在焊絲軸線方向的分力與熔滴過渡方向一致，對熔滴過渡起促進(jìn)作用；等離子流力促使熔滴脫離焊絲，并使其加快通過電弧空間進(jìn)入熔池，也可促進(jìn)熔滴過渡。

45°位置填充、蓋面焊焊接參數(shù)見表13，填充、蓋面層焊縫成形如圖7所示。由圖7可見：該處焊縫成形光滑飽滿，魚鱗紋均勻；焊接接頭的熱影響區(qū)很窄。從焊縫右側(cè)完整脫下的渣殼可以看出所采用的藥芯焊絲AFR-91K2M的脫渣性很好。

表13 45°位置填充、蓋面焊接參數(shù)

圖7 45°位置填充、蓋面層焊縫成形

2.5.4 機(jī)動焊0°位置填充、蓋面焊工藝參數(shù)

管道全位置熔化極機(jī)動焊填充、蓋面焊過程中焊槍角度與熱焊時一致(見圖5)，順焊接方向傾斜10°左右。下面進(jìn)行各焊接位置熔滴受力分析時忽略焊槍角度，認(rèn)為焊槍角度與母材近似垂直。

在平焊位置的情況下，重力是使熔滴脫離焊絲的主要作用力；表面張力保持熔滴，阻礙其離開焊絲端頭；在熔滴與弧柱之間的電磁收縮力軸向合力向上，形成斑點壓力的一部分阻礙熔滴過渡；等離子流力促進(jìn)熔滴過渡。

0°位置填充、 蓋面焊采用的焊接參數(shù)見表14，填充、蓋面層焊縫成形如圖8所示。由圖8可見，焊縫成形光滑飽滿。

表14 0°位置填充、蓋面焊接參數(shù)

圖8 0°位置填充、蓋面層焊縫成形

3 理化試驗結(jié)果分析

本次全位置機(jī)動焊試驗根據(jù)GB/T 31032中的要求進(jìn)行了理化試驗，并與我公司前期進(jìn)行的同材質(zhì)、同規(guī)格、同焊材、同焊接方法的手工電弧焊理化試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。為方便區(qū)分試驗結(jié)果并進(jìn)行對比分析，將手工電弧焊標(biāo)記為X80M-SG，全位置機(jī)動焊標(biāo)注為X80M-QWZ。

3.1 無損檢測

兩組試驗焊后均對焊接接頭區(qū)進(jìn)行了100%射線檢測，按照NB/T 47013.2—2015標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。兩組各拍攝了7張底片，均沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，射線檢測經(jīng)評定為Ⅰ級，合格。

3.2 拉伸試驗結(jié)果對比

拉伸試驗結(jié)果見表15，拉斷后的試樣如圖9所示。拉伸試樣均在母材處被拉斷，說明焊縫的抗拉強度高于母材。在母材位置斷裂主要原因是焊接熱循環(huán)導(dǎo)致靠近焊縫兩側(cè)的母材性能降低。此外，試樣的抗拉強度值均高于標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的母材X80 M的抗拉強度最低值555 MPa，焊接接頭的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。拉伸試樣斷面色澤灰暗，在斷口附近可以觀察到頸縮現(xiàn)象，由此可以判斷該斷裂為韌性斷裂。由表15的試驗結(jié)果可知，采用全位置機(jī)動焊焊接的焊縫抗拉強度略低于手工焊。

圖9 拉斷后的試樣

表15 拉伸試驗結(jié)果

3.3 彎曲試驗結(jié)果與分析

彎曲試驗結(jié)果見表16，彎曲試驗結(jié)束后的試樣如圖10所示。8個彎曲試樣都沒有出現(xiàn)裂紋或其他缺陷，說明焊縫金屬在焊接過程中沒有出現(xiàn)大幅度的塑性、韌性下降，焊接接頭的彎曲性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表16 彎曲試驗結(jié)果

圖10 彎曲試驗結(jié)束后的試樣

3.4 沖擊試驗結(jié)果與分析

沖擊試驗的結(jié)果見表17，沖擊試驗完成后的試樣如圖11所示。由表17可見，焊縫區(qū)及熱影響區(qū)沖擊韌性值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材，且全位置機(jī)動焊試樣的沖擊值略高于手工焊。

表17 沖擊試驗結(jié)果

圖11 沖擊試驗完成后的試樣

4 結(jié)論

X80鋼全位置機(jī)動焊工藝，應(yīng)根據(jù)不同焊接位置設(shè)置相應(yīng)的焊接工藝參數(shù)，以保證焊接接頭的強度、沖擊韌性等指標(biāo)要求。

采用X80鋼全位置機(jī)動焊工藝進(jìn)行焊接的接頭，其理化性能可以滿足施工需求，且與手工焊工藝相比，機(jī)械性能差異不大，在長輸管道施工過程中推廣具有一定可行性。