堆焊內補口技術在長輸管道死口連頭中的應用

董龍濤，沈柏佳，李　瑋，梁龍旭，李廣華.中國石化華東管道設計研究院，江蘇徐州008.中天合創能源有限公司，內蒙古鄂爾多斯07000.勝利油田金島工程安裝有限責任公司，山東東營57

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堆焊內補口技術在長輸管道死口連頭中的應用

董龍濤1，沈柏佳2，李瑋1，梁龍旭3，李廣華3
1.中國石化華東管道設計研究院，江蘇徐州221008
2.中天合創能源有限公司，內蒙古鄂爾多斯017000
3.勝利油田金島工程安裝有限責任公司，山東東營257231

摘要：長輸管道施工由于管道補口機器人無法進入長距離直管道或具有一定坡度的管道內部進行防腐補口，因此死口焊縫的防腐成為管道內壁防腐的盲點。采用堆焊內補口技術，即通過在鋼管管端內壁預先堆焊一定寬度和厚度的耐蝕合金層，然后再對鋼管進行內外壁防腐處理和焊接，是解決上述問題的途徑之一。結合鄂爾多斯煤化工示范項目廠外輸水長輸管道工程，介紹了采用耐蝕合金堆焊內補口新技術對該管道進行堆焊、死口組合補口、復合焊接的設計方案；論述了管端不銹鋼堆焊、死口連頭復合焊接的補口試驗及其結果。試驗結果表明，管端耐蝕合金堆焊可以滿足管道死口焊縫的防腐要求，管端耐蝕合金堆焊不銹鋼+碳鋼復合焊接工藝可以滿足死口連頭焊接的施工要求。該技術可望作為解決長輸管道死口連頭防腐問題的手段之一，從而得到進一步的推廣應用。

關鍵詞：長輸管道；管道補口；不銹鋼堆焊；復合焊接；管道內防腐

鄂爾多斯煤炭深加工示范項目廠外輸水系統工程，由中天合創能源有限公司投資建設，管道線路全長207.7km，采用同溝雙線鋪設，管徑分別為914mm和813mm，材質L450M。全線采用一泵到底、常溫密閉工藝輸送凈化后的黃河水。工程設計死口200個左右。

管道外壁采用3PE防腐，管道焊縫外壁采用聚乙烯熱收縮套補口，管道內壁防腐采用加強級無溶劑環氧涂料涂覆，管道焊縫內壁采用補口機器人進行防腐施工。

由于管道補口機器人無法進入長距離直管道或具有一定坡度的管道內部進行防腐補口，因此死口焊縫的防腐成為管道內壁防腐的盲點。過去的一般做法是采用一段死口短節連接兩段管道，短節焊接完成后，在短節上面開天窗，通過天窗對短節焊縫內壁進行補口處理，然后焊接封閉天窗。但天窗焊縫內壁無法補口，成為影響管道內壁防腐層連續性的瓶頸問題。

鑒于上述現狀，工程設計嘗試采用不銹鋼堆焊內補口技術，以解決死口連頭內補口問題［1- 3］。

堆焊內補口技術是通過在鋼管管端內壁預先堆焊一定寬度和厚度的耐蝕合金層，然后再對鋼管進行內外壁防腐處理和焊接。焊接方法采用耐蝕合金焊材+低碳鋼焊材的復合焊接方法，在焊接施工時，耐蝕合金焊層熔合預先施工的堆焊層，保證了管道內壁防腐層的連續性。堆焊內補口技術包括耐蝕合金管端堆焊、耐蝕合金與低碳鋼管道復合焊兩個部分。

該技術已在中小孔徑短距離輸送管道中應用達400 km以上，而該技術應用于大孔徑長輸管道中，即應用于中天合創鄂爾多斯煤炭深加工示范項目廠外輸水項目中，則屬國內首創，國際尚無先例。為慎重起見，對該技術重新進行了評定。

1　設計方案

按照《中天合創鄂爾多斯煤炭深加工示范項目廠外輸水系統線路工程施工技術要求》，設計死口連頭方案如下。

1.1堆焊方案

（1）堆焊焊材。采用φ1.2 mm的ER309L不銹鋼焊絲。堆焊層寬度和厚度為雙層階梯型堆焊，底層堆焊寬度130 mm，厚度不小于1.5 mm；頂層堆焊寬度80 mm，厚度不小于1.5 mm。堆焊層總厚度不小于3.0 mm，不超過4.0 mm。堆焊不平度不大于0.5 mm，管端堆焊完成后，鋼管管端直徑縮徑小于5 mm，見圖1。在堆焊層表面以下2.75～3.25 mm處取樣，進行鐵素體質量分數的分析，鐵素體質量分數為3％～8％。

圖1　不銹鋼管端堆焊示意

（2）堆焊要求。堆焊工藝按NB/T 47014- 2011《承壓設備用焊接工藝評定》的規定進行評定。焊接工藝評定所用的鋼管須和本工程用鋼管一致。

1.2死口組合補口方案

為滿足堆焊死口焊接在堆焊管端之間進行的要求，采用三段式死口組合補口方案，其中預制管A、B為長度約6 m的鋼管，預制死口短節長度約2.2 m，預留死口總長度約13 m。

在具體施工中，對于死口短節，預先在短節兩管端內壁堆焊ER309L不銹鋼焊層；對于預制管A和B，則只分別在一端內壁堆焊ER309L不銹鋼焊層，而另一端不堆焊，見圖2。

圖2　死口組合示意

在死口組對時，死口預制管A、B未堆焊端分別與管道左、右段修整組對，預制死口短節與預制管A、B的堆焊端組對。組對完成后，分別焊接預制管未堆焊端與管道左、右段連接的焊口，而后取出死口短節，分別對預制管A、B與管道左、右段焊接的焊縫進行內壁防腐補口處理，最后放入已經組對完成的預制死口短節，用復合焊接方法進行連頭焊接，且焊后對焊縫進行100％超聲波檢測和100％射線檢測，檢測合格后無需對焊縫內壁補口進行處理，此時不銹鋼堆焊層已與復合焊打底焊層熔合，不銹鋼層已與管道內壁環氧涂層形成管道內壁連續防腐層。

1.3復合焊接方案

根據設計要求中“對于特殊死口的焊接材料和焊接工藝，在征得設計、業主的同意后，施工單位可根據焊接工藝評定報告進行優化”的規定，復合焊層采用ER309L焊材進行定位、打底和過渡，采用E71T8- Ni1J焊材進行填充和蓋面，使焊層形成打底→過渡→擴散→填充→蓋面的復合焊接方式，從而使焊層平滑過渡，見圖3。

圖3　復合焊層示意

2　補口方案試驗

2.1管端不銹鋼堆焊

（1）堆焊焊材。采用的φ1.2 mm的ER309L不銹鋼焊絲的化學成分見表1。

（2）堆焊設備。采用雙槍四鎢極管端內壁自動堆焊機。

（3）堆焊方式。采用TIG（Tungsten Inert Gas Welding）螺旋堆焊，前槍底層堆焊寬度130 mm，厚度≥1.5 mm，后槍跟進覆層堆焊寬度80 mm，厚度≥1.5 mm，雙槍同時?；?，雙層堆焊同時完成。

（4）堆焊參數。前槍（底層）堆焊參數見表2，后槍（覆層）堆焊參數見表3。

（5）堆焊層外觀檢驗。實際堆焊層外表面外觀平滑，無夾渣、氣孔等明顯缺陷，焊層平整，不平度≤0.4 mm，具體見圖4。等離子坡口切口外觀平滑，堆焊層與母材熔合完好，無肉眼可見缺陷，切口端面與鋼管垂直，見圖5。堆焊后管端縮徑小于5‰，管徑914 mm管端最大縮徑小于4 mm，見圖6。

表1　ER309L焊絲理化性能

表2　前槍堆焊參數

表3　后槍堆焊參數

圖4　堆焊層外觀

圖5　等離子坡口切口端面

圖6　堆焊后管端縮徑量實測

（6）焊層微觀組織分析。將堆焊試件打磨、沖洗，并分別采用王水、FeCl3腐蝕后，用酒精沖洗，然后吹干，最后再分別觀察分析堆焊層近表面區微觀組織、堆焊層中部區顯微組織、堆焊層近母材區顯微組織。

第一，堆焊層近表面區的顯微組織。從圖7可以看出，在堆焊層的近表面區，晶粒轉化為等軸晶，有些部分的枝晶方向發生紊亂，這是由焊縫表面處的空氣對流冷卻等原因造成的。焊接能量既可以通過基體又可以通過周圍環境散熱，而且由于電弧的能量分布不均勻，只要某一微小區域晶體的擇優取向與該區的散熱方向一致，該晶體即可長大，故堆焊層上部的組織有時也會出現枝晶生長紊亂區。

圖7　堆焊層近表面的顯微組織

第二，堆焊層中部區的顯微組織。從圖8可以看出，堆焊層中部樹枝晶組織的生長方向比較混亂，這是由于熔池中部具有很多的散熱渠道，且堆焊時能量分布不均勻，使得該區域散熱具有多方向性，從而造成堆焊層中部組織生長方向的混亂。

第三，堆焊層近母材區的顯微組織。從圖9可以看出，靠近母材部分的堆焊層出現了大體垂直于熔合線的定向生長的樹枝晶，這是因為在熔合線的前沿，溶質富集而出現成分過冷，致使樹枝晶生長。

圖8　堆焊層中部的顯微組織

圖9　堆焊層近母材區的顯微組織

（7）焊層的微觀硬度分析。將焊后的管件制成20mm×10mm×10mm的試樣，表面用水砂紙磨平并打磨光滑，硬度測定載荷300 g，加載時間15 s。測試時首先測試熔合線位置的硬度值，然后以200 μm為間距沿垂直熔合線方向分別向基體和熔覆層取點，直至硬度值穩定在一定范圍內。試驗結果見圖10。

圖10　從母材到堆焊層的硬度變化

從圖10可以看出，硬度值從大到小的排列順序為：母材＞堆焊層，這是因為堆焊時熱影響區對母材產生了稀釋，造成了碳遷移，從而使熱影響區硬度值較母材有所增大。堆焊層的硬度沿著熔合線到堆焊層表面的方向呈下降趨勢，這是由于在堆焊時堆焊層的外表面溫度較高，致使部分合金元素發生燒損或揮發而造成的。根據GB/T9711- 2011《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼》的規定，試樣的硬度沒有超過32 HRC，不屬于硬度缺陷。

（8）堆焊工藝評定。導向彎曲試驗按照NB/T 47014- 2011的要求進行，對L450M +堆焊ER309L的不銹鋼復合管進行破壞性試驗，母材性能未見異常，試驗結果合格。

堆焊層化學成分分析結果表明，在堆焊層表面以下2.72 mm處鐵素體質量分數為5％，滿足設計要求。分析數據見表4。

表4　堆焊層化學成分分析數據

上述試驗結果表明，管端耐蝕合金堆焊可以滿足管道死口焊縫防腐要求。

2.2死口連頭復合焊接

由于不銹鋼的熔點、線膨脹系數與普通低碳鋼相比相差較大（不銹鋼熔點約1 300℃，低碳鋼熔點約1 430℃；100℃時不銹鋼線膨脹系數為16×10- 6/K，低碳鋼為10.6×10- 6/K），在管道焊接中，既要保證堆焊層的耐腐蝕性能，又要保證低碳鋼焊縫的力學性能，這使堆焊復合鋼管的復合焊接與同種金屬之間的焊接相比具有其自身的特殊性。在中天合創鄂爾多斯煤炭深加工示范項目廠外輸水系統線路工程死口連頭施工中，采取了漸進過渡的方法，取得了一定經驗。

由于在長輸管道死口連頭施工中無法對焊縫內壁進行充氬（以實現熔池的背面保護），因此對于打底焊層和過渡焊層，均采用φ1.2 mm的ER309L藥芯焊絲熔化極氬氣保護立向下焊接方法進行焊接。

由于野外施工氣溫和風速變化的影響，在采用氬弧焊或手工電弧焊焊接時，容易造成焊段間冷熱不均，從而引起焊道應力的波動變化，為避免這種情況的發生，提高死口連頭的速度和確保焊接質量，采用φ2.0 mm的E71T8- Ni1J藥芯自保護焊絲半自動立向下焊方法進行焊接。焊絲的理化性能見表5。

在不銹鋼層上面復合焊接低碳鋼焊材的技術關鍵在于使二者形成完全的冶金熔合，主要控制手段是通過調整不銹鋼過渡焊層和低碳鋼擴散焊層的焊接參數，實現不銹鋼→低碳鋼的平滑過渡，各焊層的功能見圖3。每一道焊層焊接完成后，需清理焊道并立即進行下一層焊道的焊接。

表5　E71T8- Ni1J焊絲的理化性能

（1）定位焊。焊接參數：電流70 A，電壓21 V，DC-。焊接要求：其一，在鋼管圓周上均勻分布5處，每一處焊縫長度300 mm左右，累積焊縫長度約等于1 500 mm；其二，焊接速度快；其三，雙面成型背面無咬邊凹陷，焊道正面外觀平滑；其四，定位焊層不能作為打底焊層存在。

（2）打底焊。焊接參數：電流75 A，電壓21 V，DC-。焊接要求：其一，將定位焊層熔透；其二，焊接速度快，雙面成型，背面無咬邊凹陷；其三，焊層厚度略高于堆焊層厚度；其四，焊道正面外觀形態平滑凹型。

（3）過渡焊。焊接參數：電流120 A，電壓25 V，DC-。焊接要求：其一，將打底焊層的1/2熔透；其二，焊接速度快，熔合一定的碳鋼成分，形成一定的鐵素體組織；其三，焊層厚度2 mm左右；其四，焊道外觀形態平滑凹型。

（4）擴散填充焊。焊接參數：電流200 A，電壓21 V，DC-。焊接要求：其一，將過渡焊層的1/2熔透，使合金成分相互擴散；其二，焊接速度快，焊層厚度不超過2 mm；其三，焊道外觀形態平滑凹型。

（5）蓋面焊。焊接參數：電流200 A，電壓21 V，DC-。焊接要求：其一，焊道層數1層；其二，焊后余高1～1.5 mm；其三，焊道外觀平滑凸型，成型美觀，無咬邊凹陷。

（6）復合焊層微觀組織分析。焊后對圖3所示的各功能區的微觀組織進行分析，結果顯示，從堆焊層至蓋面層，Fe含量依次增高，呈線性上升趨勢；Cr和Ni含量依次降低，呈線性下降趨勢，見表6，說明不銹鋼過渡焊與碳鋼擴散填充焊的焊接工藝可以實現從不銹鋼焊層到低碳鋼焊層的冶金平滑過渡。

焊后對不銹鋼過渡層和低碳鋼擴散填充層進行顯微組織分析發現，ER309L過渡焊層有鐵素體組織存在（見圖11），E71T8Ni1J擴散焊層有奧氏體存在（見圖12），熔合區形成奧氏體與鐵素體的混合組織，實現了冶金熔合的平滑過渡。

表6　各焊層功能區主要化學成分的質量分數/％

圖11　過渡焊層顯微組織

圖12　擴散填充焊層顯微組織

（7）復合焊接工藝評定。焊后36 h，按JB/T 4730.2- 2005規定對焊縫進行100％的射線檢測，檢測結果碳鋼與不銹鋼熔合良好，未發現焊接缺陷，示例見圖13，RT檢測報告評定為Ⅰ級。

圖13　焊縫的100％射線檢測

管端耐蝕合金堆焊不銹鋼+碳鋼復合焊接工藝的檢驗結果表明：該工藝可以滿足管道死口連頭焊接的施工要求。

3　結論

由于無法對管道死口焊縫內壁進行防腐補口，因此死口焊縫成為管道安全的最薄弱環節，它是造成管道泄漏以及影響管道壽命的重要因素。本研究表明，堆焊內補口技術完全可以滿足中天合創鄂爾多斯煤炭深加工示范項目廠外輸水系統的死口連頭要求，可以解決死口焊縫內壁無法進行防腐補口的技術問題。該技術可望作為解決長輸管道死口連頭防腐問題的手段之一，從而得到進一步的推廣應用。

參考文獻

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Application of Technique of Surfacing Welding for Internal Joint Coating in Fixed Joint of Long- distance Pipeline

DONG Longtao1，SHEN Baijia2，LIWei1，LIANG Longxu3，LIGuanghua3
1. East- China Pipeline Design &Research Institute，Xuzhou 221008，China
2. Zhongtian Co- founder of Energy Co.，Ltd.，Erdos 017000，China
3. Shengli Oilfield Jindao Engineering Installation Co.，Ltd.，Dongying 257231，China

Abstra ct：In construction of long- distance pipeline，the robot for joint coating is unable to enter a long- distance straight pipeline or an inclined pipeline to conduct pipeline internal joint coating，so the welding seam of“fixed joint”becomes a blind spot of pipeline internal anticorrosion. Combined with the long- distance water transportation pipeline project of Erdos coal chemical demonstration engineering，this paper introduces the technique of surfacing welding for internal joint coating to solve this problem，in which the certain width and thickness of corrosion resistance alloy is welded on the internal surface of pipe end to certain length，then the pipe walls are treated for internal and external anticorrosion，at last the pipes are welded together. The design schemes，tests and results of surfacing welding，“fixed joint”connection and welding are described. The test results show that the surfacing welding on the pipe end with corrosion resistance alloy satisfies anticorrosion requirement；The compound process of surfacing welding on the pipe end with corrosion resistance alloy plus carbon steel welding can satisfy the requirement of joint welding construction.

Keywords：long- distance pipeline；pipeline joint coating；surfacing welding of stainless steel；compound welding；pipeline internalanticorrosion

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.001

作者簡介：

董龍濤（1977-），男，河北博野人，工程師，1998年畢業于承德石油高等?？茖W校，現從事長輸管道線路設計研究方面的工作。Email：donglt9999@163.com

收稿日期：2016- 01- 15