自保護(hù)藥芯焊絲在長輸油氣管道建設(shè)中的應(yīng)用

李忠 孫兆榮 隋永莉

1.概述

自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝抗風(fēng)能力極強，焊接時不需要保護(hù)氣體，由送絲機構(gòu)連續(xù)送絲，焊工采用手持半自動焊槍施焊。這種焊接方法的設(shè)備投資不大，利用率高，投資回收期短，并且在焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率、降低焊材消耗及節(jié)約能源等方面具有明顯經(jīng)濟效益，非常符合我國的低成本焊接自動化理念。

我國最早的自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊應(yīng)用記錄，是1995年中石油承建的突尼斯天然氣管道工程和1996年庫鄯線輸油管道工程，分別焊接了6.2km和250km。1999年中石油承建的蘇丹輸油管道工程和蘭成渝成品油管道工程、澀寧蘭輸氣管道工程建設(shè)期間，自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的應(yīng)用范圍開始逐漸擴大。近十五年，采用自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝?yán)塾嬐瓿傻墓艿篱L度可達(dá)我國管道建設(shè)總里程的90%以上。

自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊應(yīng)用的早期，焊接的母材多為X52、X60、X65這些正火狀態(tài)交貨的管線鋼管。隨著我國管道建設(shè)用鋼管的強度等級、管徑、壁厚和輸送壓力的提高，應(yīng)用的管線鋼管多為形變熱處理交貨狀態(tài)，合金含量較高，如X65、X70、X80。

2.自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）焊接材料 自保護(hù)藥芯焊絲的單面焊雙面成形質(zhì)量較差，一般不用于根焊縫的焊接，在我國多用于管道環(huán)焊縫熱焊、填充焊和蓋面焊。自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊常用焊接材料如表1所示。

（2）焊接設(shè)備 自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝用焊接設(shè)備主要包括根焊設(shè)備和填充、蓋面焊設(shè)備。根焊設(shè)備主要依據(jù)采用的焊接材料選擇纖維素焊條用焊接電源、鎢極氬弧焊電源、STT電源或RMD電源等。填充、蓋面焊設(shè)備主要有晶閘管型直流電源、IGBT逆變電源等，重點是選擇相匹配的送絲機。根據(jù)焊接工藝的不同，所使用的焊接設(shè)備也具有不同的工藝特點和設(shè)備特性（見表2）。

總之，低氫型焊條和鎢極氬弧焊這兩種焊接方法對焊接設(shè)備的要求比較簡單，通用的焊接電源即可滿足要求。纖維素焊條對焊接設(shè)備的要求比較高，在2000年以前該類逆變焊接電源曾經(jīng)是焊機制造業(yè)的一大挑戰(zhàn)，近年來已完全實現(xiàn)國產(chǎn)化，且實際應(yīng)用效果良好。自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊設(shè)備則更注重焊接過程中送絲平穩(wěn)和焊接電弧穩(wěn)定。

表1 自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝的常用焊接材料

（3）焊接工藝 自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝常用的焊接坡口形式如附圖所示。一般情況下，壁厚≤15mm時，采用坡口形式如附圖a所示；壁厚≤22mm時，采用坡口形式如附圖b所示；壁厚＞22mm時，采用坡口形式如附圖c所示。這些坡口一般在鋼管制造過程中預(yù)制加工好。

自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊為下向焊工藝，焊接熱輸入約為2.2k J/m m，焊絲接電源負(fù)極。其適應(yīng)的鋼管管徑范圍≥323.9mm，若管徑過小則因操作角度連續(xù)變化而使焊接難度增加。適應(yīng)的壁厚范圍＞6mm，若壁厚過小易發(fā)生燒穿。焊接環(huán)境風(fēng)速宜≤8m/s，主要焊接缺陷為夾渣和氣孔。X52、X60和X65鋼管的焊接能實現(xiàn)焊接接頭的高強匹配，X70和X80鋼管的焊接為等強或稍低強匹配。技術(shù)熟練的焊接機組一次焊接合格率可達(dá)90%。自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊常用的焊接參數(shù)如表3所示。

3.自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊應(yīng)用存在的問題

（1）焊絲保管和使用條件要求較為嚴(yán)格 我國目前應(yīng)用的自保護(hù)藥芯焊絲多為有縫焊絲，在高溫潮濕的環(huán)境下容易發(fā)生粉劑吸潮、焊絲表面銹蝕等現(xiàn)象。焊絲受潮后，不能烘干，只能廢棄不用。若采用受潮后的焊絲進(jìn)行焊接作業(yè)，焊接工藝性能會變差，焊縫金屬中擴散氫含量將大大增加，導(dǎo)致產(chǎn)生氣孔、氫白點、氫脆、冷裂紋的概率增加。因此，自保護(hù)藥芯焊絲的保管和使用應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)定的要求。尤其是高溫潮濕的環(huán)境下，最好采用真空包裝的方法，并注意保持庫房的干燥和通風(fēng)。焊接施工過程中，做到焊接材料隨用隨取，縮短拆包裝后的焊材在濕度較大環(huán)境中的存放時間。

表2 半自動焊工藝常用焊接設(shè)備的工藝特點和設(shè)備特性

表3 自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的焊接參數(shù)

坡口形式

（2）焊接煙塵大 眾所周知，自保護(hù)藥芯焊絲的焊接煙塵量相對較大。在密閉、狹窄的操作空間，影響作業(yè)人員的身心健康。各種焊接工藝及焊接材料煙塵產(chǎn)生量如表4所示。

（3）焊縫金屬中氫白點 為保證焊接工藝性能，自保護(hù)藥芯焊絲的粉劑需要具有一定的含水量，特別是焊絲的表面需要涂一層潤滑劑來防銹和保證送絲順暢，因此其焊縫金屬的擴散氫含量不可能控制得很低，一般為6～12mL/100g，高于低氫型焊條和實芯焊絲的擴散氫含量。

另外，自保護(hù)藥芯焊絲在粉劑中加入了氟化物和鋁等易蒸發(fā)和脫氧固氮的物質(zhì)，在焊絲熔化時能產(chǎn)生大量氣體，再加之熔渣的保護(hù)作用，從而防止了空氣中氮侵入電弧區(qū)及熔池，降低了焊縫金屬氣孔敏感性。但大量殘留的脫氧劑則以AlN、Al2O3等夾雜物的形式存在于焊縫金屬中。這些微觀缺陷在焊縫金屬承受很大的軸向應(yīng)力時成為焊縫金屬中殘余氫的聚集地，易形成氫白點，其在橫斷面上看是小白點，在縱斷面上看則是微裂紋，即氫致應(yīng)力開裂。

如果完成的焊接接頭立即承受很大的軸向應(yīng)力并在焊縫金屬處發(fā)生斷裂，則很容易在斷面發(fā)現(xiàn)氫白點。若焊接接頭在常溫條件下放置40天以上，焊縫金屬中的氫就會逐漸逸出，并降低至接近于平衡值的水平，此時再承受很大的軸向應(yīng)力，焊縫金屬斷面上的氫白點會大大減小或消失。

（4）焊接材料型號相對較少 目前在我國大范圍應(yīng)用的自保護(hù)藥芯焊絲只有兩種型號，分別為AWS A5.29標(biāo)準(zhǔn)的E71T8和E81T8。對于X70及以下強度級別的管線鋼管使用E71T8，X80鋼管使用E81T8。這樣，B、X42、X52、X60等鋼管形成的焊接接頭為高強匹配，X65、X70、X80鋼管形成的焊接接頭為等強匹配或稍低強匹配。

近年來X80和X70等高強度管道建設(shè)過程中，在一些管道通過的特殊地質(zhì)段，如地震斷裂帶、沉陷區(qū)等，通常會要求焊接接頭高強匹配。因局限于可選擇的自保護(hù)藥芯焊絲抗拉強度均不足，故實際應(yīng)用中采用了增加焊縫寬度和余高的方法來實現(xiàn)焊接接頭的整體強度高于母材。但焊縫寬度和余高的增加給后續(xù)的環(huán)焊縫防腐補口質(zhì)量穩(wěn)定性的控制帶來了難度。

表4 各種焊接工藝及焊接材料煙塵產(chǎn)生量

（5）焊縫金屬韌性離散 隨著管道建設(shè)用鋼管強度等級的逐步提高，自保護(hù)藥芯焊絲的焊縫金屬夏比V型缺口低溫沖擊韌性離散的現(xiàn)象也越來越顯著，并逐漸成為制約環(huán)焊縫焊接的瓶頸。

4.自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的應(yīng)用前景

近期內(nèi)，自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝仍將是我國管道建設(shè)的主要焊接方法，尤其是在山區(qū)、水網(wǎng)等地理環(huán)境復(fù)雜地區(qū)，自保護(hù)藥芯焊絲的應(yīng)用將保持著很大的優(yōu)勢。但隨著管道建設(shè)用鋼管強度等級的逐步提高，自保護(hù)藥芯焊絲的技術(shù)研發(fā)工作需要持續(xù)進(jìn)步，與鋼管的冶金成分相結(jié)合，優(yōu)化藥芯焊絲制造工藝，力求解決其在應(yīng)用中存在的問題，尤其是焊縫金屬韌性離散、氫白點、焊材型號少等關(guān)鍵技術(shù)，確保焊縫金屬性能滿足管道工程建設(shè)的要求。

我國管道建設(shè)用鋼管的管徑、壁厚及輸送壓力都在逐步提高，為提高焊接效率、降低勞動強度，未來的管道建設(shè)過程中，在地勢平坦的新疆、甘肅、內(nèi)蒙等地區(qū)將會逐漸采用自動焊方法來替代自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊。20140218