深海臍帶纜內(nèi)套鋼管全位置脈沖TIG對接焊研究*

杜興吉，夏正文，王 坤

（浙江久立特材科技股份有限公司，湖州313012）

0 引 言

臍帶纜一般由電纜、光纖、輸送化學(xué)制劑和液壓流體的鋼管、外部保護(hù)層（鋼管和復(fù)合材料）等組成，長度為幾百至上萬米。其主要作用為輸送化學(xué)制劑、液壓流體、電及信號，是海洋油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的生命線。臍帶纜內(nèi)部部件的損壞將會使通信中斷并且影響整個生產(chǎn)系統(tǒng)的控制[1]。

深海臍帶纜中的鋼管一般采用S32750（SAF2507）超級雙相不銹鋼管，直徑6.3～50.8 mm，壁厚0.5～3 mm。S32750中Cr和Mo的含量都很高，因此具有極好的抗點腐蝕、縫隙腐蝕和均勻腐蝕的能力，最小屈服強(qiáng)度是550 MPa，抗拉強(qiáng)度 800～1 000 MPa。

深海臍帶纜由多管件結(jié)構(gòu)組成。通常最里面的管（內(nèi)管）為液壓流體輸送管，內(nèi)管和外部保護(hù)層（外管）之間為電纜和光纖。在制造臍帶纜前首先需要將每根約10 m的無縫鋼管對焊后盤成一卷，最長可達(dá)20 km。

由于臍帶纜用鋼管在深海（有時深達(dá)2 000多米）下使用，且工作條件復(fù)雜、惡劣，難以維修，因此對其焊接接頭質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。但在實際生產(chǎn)中，其焊接缺陷嚴(yán)重影響了盤管性能，尤其是降低了疲勞壽命。

管-管對接時，由于兩端的鋼管長度較長，且一側(cè)鋼管的一端已與盤卷在盤管機(jī)的鋼管相連接，所以焊接過程中管子不能轉(zhuǎn)動，無法旋轉(zhuǎn)，須靠焊頭帶動鎢極的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)全位置焊接。全位置焊接對兩管端校直、管口整圓以及對中等焊接前的工作要求很高，同時在焊接過程中，也要求其具有較高的焊接精度和焊接操作技術(shù)。目前，國內(nèi)應(yīng)用于此類焊接的焊管設(shè)備基本都是從德國、法國和美國等國家進(jìn)口的[3]。

本研究針對管-管焊接的特殊性，通過大量試驗，找出了焊接工藝參數(shù)的最佳數(shù)值。

1 焊前準(zhǔn)備

生產(chǎn)臍帶纜內(nèi)套鋼管所用的超級雙相不銹鋼無縫管越長，所需要的對接焊也就越少，因此鋼管自然是越長越好，但是這受到無縫管生產(chǎn)設(shè)備等條件的限制，因此一般長度為12～40 m。由于鋼管比較長，這給對接焊前的精密對頭造成了困難。其不銹鋼鋼管本身的質(zhì)量也對對接焊質(zhì)量有很大的影響，因此，需做好以下工作：

（1）校直。將準(zhǔn)備焊接的兩個管端處完全校直，每個管端校直長度大于400 mm，以保證管管對接時的對口裝夾，使得完全校直端的兩端軸線在同一條直線上。

（2）整圓。將校直好的準(zhǔn)備對接焊的兩個管端采用冷整圓方法進(jìn)行整圓，使不小于50 mm的管端消除橢圓。

（3）管子切割后去除管口毛刺。并對管口兩側(cè)適當(dāng)范圍內(nèi)的管壁內(nèi)外表面清理。

2 管-管精密組對

2.1 影響管-管精密組對的因素

從工藝角度看，對焊焊件的要求通常以沿軸線全長的直線度、焊縫處的圓度、錯邊等要素來評價。焊件軸線的直線度是最基本的要求，由對焊兩管件的同軸度來實現(xiàn)。裝配所能達(dá)到的同軸度決定了焊件軸線所能達(dá)到的直線度和焊前加工尺寸在焊后的同軸度。因此裝夾系統(tǒng)必須在定位夾緊時保證相應(yīng)的位置公差—同軸度[6]。

對于全位置焊接而言，工件的組對精度對焊縫的質(zhì)量穩(wěn)定性起著決定性作用。全位置鋼管自動焊要保證焊接工藝的重現(xiàn)性，焊接組對是焊前準(zhǔn)備工作中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。影響鋼管組對精度的幾個主要因素有以下幾點：

（1）鋼管壁厚誤差和管徑誤差。壁厚誤差和管徑誤差的大小會嚴(yán)重影響到管子的組對精度，誤差過大，管子組對時的錯邊量也大，從而影響焊接質(zhì)量[5]。

（2）鋼管的直線度。鋼管的直線度特別是管端的直線度對對接的精度有著很大的影響。試驗時的鋼管管端的直線度有時達(dá)到500 mm偏差4～5 mm。

（3）組對夾具的加工精度。雖然用來定位兩端鋼管的左右側(cè)夾具的圓槽是一次定位加工出來的，但實際上還是有一定的誤差的。

（4）左右夾具之間安裝焊接機(jī)頭的軸向空隙大小。用來定位兩端鋼管的左右夾具之間安裝焊接機(jī)頭的軸向空隙越短，越能保證焊件焊接處的直線度。如封閉式焊接機(jī)頭其軸向距離約50 mm，鋼管左右側(cè)都只要伸出25 mm即可。在實際作業(yè)過程中，大多數(shù)需加絲的開放式焊接機(jī)頭軸向距離在140 mm左右，安裝焊接機(jī)頭的一側(cè)鋼管至少得伸出110 mm左右。因此選購焊接機(jī)頭時軸向尺寸也是一個得考慮重要的因素。

對于鋼管組對采用一端固定，另一端采用十字滑臺進(jìn)行高低位置、前后位置的微調(diào)的方法（或一端進(jìn)行高低位置微調(diào)，另一端采用前后位置的微調(diào)），存在著一定的不足： 焊接后鋼管的直線度、同軸度無法保證。可調(diào)整的定位裝置，沒有了現(xiàn)有定位裝置的直線度保證。左右定位裝置的安裝誤差、滑臺的加工和安裝誤差、滑臺手工調(diào)整誤差等都會對焊接后鋼管的直線度產(chǎn)生一定的影響。焊接后前后鋼管的直線度可能較差，前后二根鋼管的軸心也有可能不在同一條軸線上。

2.2 保證管-管精密組對的工裝設(shè)備

全位置自動焊接機(jī)頭通過其自身固有的夾塊固定在一側(cè)的不銹鋼管子上，并將鋼管快速裝夾在對焊工裝上。

管-管對接組對時，兩端應(yīng)齊平，無間隙，錯邊量不宜超過管壁厚度10%，且控制在±0.2 mm。為降低應(yīng)力，對中時應(yīng)盡可能使對焊兩管處于自由狀態(tài)，嚴(yán)禁在管子拉應(yīng)力狀態(tài)時對中固定。

在試驗中，主要出現(xiàn)的缺陷有焊偏、錯邊及未融合等。究其原因，主要是組對裝夾的問題。由于管子壁薄、外徑小，接口處很窄，對中很難保證。所以，設(shè)計了一種在焊接小管徑鋼管時的高精度工裝夾具以保證對中，該組對工裝，主要由左、右、中三套夾具，三維微調(diào)裝置和快速夾鉗等組成，可實現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的組對，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，中夾具下面有三維微調(diào)裝置，主要解決兩端鋼管的準(zhǔn)確組對問題，保證組對的準(zhǔn)確性，其三個方向的調(diào)節(jié)精度可達(dá)到0.03 mm。同時為了滿足焊接后鋼管的直線度，左、右夾具上的V形槽 （半圓槽）是在一次定位同時加工出來的，并將安裝焊接機(jī)頭的位置減少到盡可能短，以盡可能減少鋼管彎曲帶來的錯邊。

圖1 小管對接精密組對工裝示意圖

3 全位置焊接

焊接時須保證在整個焊縫周圍具有連續(xù)不斷的無紊流氬氣保護(hù)。通常根據(jù)情況采用純氬或高純氬進(jìn)行正面/背面的保護(hù)，焊接之前和焊接結(jié)束后應(yīng)保證足夠的提前充氣和滯后停氣；對于背面氣體保護(hù)應(yīng)控制其流量和規(guī)則性，避免管內(nèi)產(chǎn)生高壓；對于正面保護(hù)氣體，氣體流量不宜過大，否則會影響電弧的穩(wěn)定性，造成電弧偏轉(zhuǎn)[5]。

3.1 焊接機(jī)頭的選擇

對于直徑5～58 mm，壁厚≤1.5 mm的薄壁鋼管之間的對焊，一般采用密封式機(jī)頭就可以了，被焊母材加熱熔化后直接連接起來，由于采用密封式設(shè)計，氣保護(hù)效果更加充分，并帶有可保證被焊件精確定位的復(fù)式夾具。但密封式管焊接頭不能進(jìn)行填絲焊，只能用于3 mm以下的不銹鋼管管焊。

深海臍帶纜中的超級雙相不銹鋼管，其壁厚一般0.5～3 mm，基本也是在3 mm以下的。但是臍帶纜所用鋼管在深海下使用，且工作條件復(fù)雜、惡劣，對抗腐蝕等性能要求非常高，需要加填充焊絲改變焊縫成分以提高焊縫接頭的質(zhì)量。由于保護(hù)氣體為純氬，無氧化性，焊絲熔化后成分基本不發(fā)生變化，所以焊絲成分即為焊縫成分。所以臍帶纜鋼管對接焊中一般采用了加絲的開放式全位置TIG焊機(jī)。但開放式全位置TIG焊機(jī)也給鋼管的精密組對帶來了困難，更何況對接的是十多米、甚至數(shù)十米長的鋼管。

焊接試驗設(shè)備為法國寶利蘇迪全位置焊管機(jī)，主要組成部分包括：PS164-2便攜式電源、MUIV8/38P焊接機(jī)頭 （適用范圍為準(zhǔn)8～38 mm）和Polyfil-3送絲機(jī)等。內(nèi)置60個預(yù)置程序，基本涵蓋了常用的多種不同材料，不同管徑和厚度的焊接應(yīng)用。可通過內(nèi)置打印機(jī)打印出焊接實時參數(shù)，通過內(nèi)部存儲器或存儲卡存儲程序，直接調(diào)用內(nèi)存中的16個程序。從而大大降低了對操作人員的技術(shù)要求，并保證了焊縫質(zhì)量。

全位置自動焊接機(jī)頭上的鎢極在齒條的驅(qū)動下沿管子外壁連續(xù)旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)全位置自動焊接。

通過對各焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化配置，可獲得非常理想的薄壁不銹鋼管件焊縫質(zhì)量和外觀成形。

3.2 對焊試驗

試驗用的是S32750（SAF2507）超級雙相不銹鋼無縫管，規(guī)格準(zhǔn)14.7 mm×1 mm，長度12 m。

雙相不銹鋼管的焊接材料或填充材料通常采用比母材含鎳高的材料，對于含氮的雙相不銹鋼要求焊材和母材的含氮量相同，以保證焊縫金屬有足夠的奧氏體量。所以焊絲采用了25.10.4 L，直徑為1.0 mm。

鎢極直徑為 2.4 mm，噴嘴直徑為10 mm，外保護(hù)氣體為99.99%的氬氣，噴嘴氣體流量約為6～10 L/min，內(nèi)保護(hù)氣體為純氮氣，氣體流量約為10～15 L/min。

管-管對接不留間隙，組對時也不能使用點焊，以免降低焊縫的抗腐蝕性能，在精密組對工裝上組對后，鎢極與管壁間距1.2～1.5 mm，并使鎢極位于對接口中央，起弧位置5點，一次焊接成形。焊接速度為90～110 mm/min，脈沖持續(xù)時間0.2 s。焊接電流68～74 A，電壓12～14 V。

對盤管前經(jīng)X射線平板檢測系統(tǒng)檢測合格后的部分接頭分別進(jìn)行了拉伸、彎曲、壓扁等力學(xué)性能試驗。

拉伸試驗按照ASTM A1016/A1016M，ASTM E8/E8M和ASTM A370執(zhí)行，測試的試樣數(shù)量符合ASTM A789/A789M要求。拉伸試驗斷裂處均在母材上，試驗結(jié)果見表1。

表1 拉伸試驗結(jié)果

硬度試驗表明，母材和帶焊接接頭的管材洛氏硬度平均值約為30。

壓扁試驗按照ASTM A1016/A1016M和ASTM A370執(zhí)行，每一批管。下壓量100%時，均無裂紋現(xiàn)象，焊縫處也完好。

彎曲試驗采用半管冷壓彎曲，焊縫對準(zhǔn)上壓頭，冷彎半徑15 mm，面彎和背彎180°均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

力學(xué)性能試驗結(jié)果證明，焊縫質(zhì)量良好，焊縫的綜合力學(xué)性能與母材接近。

用幾十根鋼管經(jīng)對焊、拋光、焊縫100%經(jīng)X射線平板檢測系統(tǒng)檢測合格后盤成了幾百米長的盤管。盤成盤管后的焊縫也沒有出現(xiàn)裂紋等外觀上的缺陷。

經(jīng)最高100 MPa的壓力試驗表明，環(huán)焊縫的性能也能滿足產(chǎn)品安全性和可靠性要求。

4 實際應(yīng)用及結(jié)論

在生產(chǎn)線上經(jīng)過大量的對接焊試驗，選擇了合理的焊接規(guī)范參數(shù)，并且通過對未盤卷的一頭管子內(nèi)通保護(hù)氣體，獲得了焊縫內(nèi)外表面成形美觀、根部焊透性好、接頭質(zhì)量穩(wěn)定可靠等性能優(yōu)良的焊接接頭。

采用全位置TIG對接焊機(jī)進(jìn)行焊接，從拉伸、彎曲試驗，壓力試驗和X射線平板檢測系統(tǒng)檢測結(jié)果來看，其焊接接頭的力學(xué)性能可滿足要求。

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