預熱溫度對金屬管線自動STT 封底焊接質量的影響

李睿堯，史學材

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

作為海上油氣運輸的大動脈， 海底管線發揮著越來越重要的作用。伴隨著科學技術的發展，自動焊接工藝在海底管線鋪設過程中，運用愈發成熟，其中根焊道多采用銅襯墊進行焊接。在焊接過程中，銅襯墊由于受熱溶解，部分銅可能會粘連至根焊道。銅鐵在導電流體作用下會發生原電池反應，臨近銅的鐵發生點腐蝕，故部分甲方公司會要求禁止使用銅襯墊。在滿足受力計算的情況下，為保證焊接效率，選擇陶瓷襯墊和STT（表面張力過渡）自動焊工藝，解決這一問題。

1 焊接和檢驗工藝

1.1 焊接工藝

管徑規格為18英寸和14英寸。依據API 1104-2013和業主規格書PEGS-0710-PLR-012開展焊接工藝評定，其中規定在焊接中，對口器不允許使用銅襯墊。經過多方咨詢，根據焊接服務商建議，最終根部焊道選定自動STT焊接和陶策襯墊來解決這一問題，其余與常規焊接無異。

在14寸管體運輸至涂覆廠時，根據現場接收檢驗員反應14寸管體普遍存在不同程序的機械損傷，需要要大規模修整，故導致業主拒絕接受此批14寸管。所以更換廠家重新生產14寸管。在工藝開發中，由于管體材料和焊材之間匹配的問題，導致不斷調高預熱溫度，以保證能夠順利通過后續的破壞性、氫致裂紋和硫化應力腐蝕等試驗。經過對比焊接參數，發現兩種工藝都是用LINCOIN牌AWS A5.18 ER70S-6的焊材，焊接參數互有覆蓋。其中最顯著的差異是，14寸的預熱溫度為200°，18寸的預熱溫度為85°。

1.2 檢驗工藝

檢驗方法采用AUT(自動超聲波檢驗)，根據PEGS-0710-PLR-013開展相關試驗，完成評定后投入使用。相比采用API1104和DNV-OS-F101，最顯著差異為采用20%評判、10%波高進行測長，造成了缺陷評定長度較實際值大幅放大。期間跟業主進行多次溝通交流，利用其它石油公司規格書作為理論支撐和實踐范例，故引入聲束擴散這一概念，繞過10%的限定。

1.3 驗收標準

驗收標準主體依據API 1104，PEGS-0710-PLR-012對內容進行了調整和增補。其中針對根部的未熔合和未焊透提出了更嚴格的要求，由API 1104中的25mm，調成為10mm，驗收標準大幅提高。PEGS-0710-PLR-012沒有根據不同的檢驗方法給出不同的驗收標準，將射線驗收標準與超聲驗收標準進行了等同。下表是將主要缺陷根據API 1104和PEGS-0710-PLR-012進行了整合。

表1 金屬管線焊接缺陷類型及焊接后驗收標準

2 缺陷類型及返修率分析

2.1 缺陷類型

焊接工藝采用GMAW STT過渡模式和常規GMAW的組合工藝，其工藝特點是熱輸入低，故該工藝的常見缺陷為未融合等面狀缺陷。實際缺陷類型分布也符合這一結論。總計完成4857焊口，返修焊口278道。其中只有7道焊口因密集氣孔返修，其余大部分為根部未熔合，未焊透等面狀缺陷。

2.2 返修率分析

根據上段提供的數據可知，總返修率為5.72%。現在我們按照鋪設順序分開，對每條管線進行單獨分析。

IP4作為第一條鋪設的管線，我們通常可以將返修率過高（8.41%）的原因，假設為各焊接相關部門對設備，操作存在配合磨合期或者期間焊接參數需要優化。其中日返修率最高達到21.88%（不含開始3天）。

IP6作為第二條鋪設的管線，其返修率為3.40%，處于一個可以接受的水平。我們可以假設認為人員、設備、操作已經經過磨合期，人機配合處于一個比較好的狀態或者焊接參數較IP4更加優化。

IP7作為第三條鋪設的管線，其返修率為7.78%，返修率較高，出現波動。因工藝，管徑，壁厚與之前兩條管線保持一致，焊接參數優化水平較好，故我們假設人機配合在實際生產過程中，會出現可以較大的波動。

IP5作為第四條鋪設的管線，其返修率為1.16%，處于一個比較好的水平。其焊口數大于IP6和IP7之和，返修焊口數明顯少于IP6和IP7。相比于之前三條管線，其工藝最大的不同是預熱溫度為200°，明顯高于之前三條管線85°的設定。

在富有經驗焊工的操作下，返修率經歷了8.41%降至3.40%，隨后升到7.78%，最后為1.16%，出現如此大的波動，也并未在連續焊口相同位置出現缺陷的情況下，將高返修率歸結于焊工操作失誤和焊接參數不恰當是不符合邏輯的。

同時檢驗工藝、接受標準自始至終都保持一致。固然接受標準十分嚴格，但考慮到1.16%的返修率，將高返修率歸結于接受標準也是不合邏輯的。

最后考慮到STT工藝的低熱輸入，我們可以認為85°的預熱溫度是一種臨界溫度，容錯率低。

而14寸的200°預熱溫度，大幅提高容錯率，遠離臨界溫度。正因如此，我們認為14寸的200°預熱溫度是導致14寸返修率大幅下降到較好水平的主要原因。

表2 四條鋪設管線的返修率

3 結論

本文結合相關數據，從人機配合，焊接參數，預熱溫度3方面提出假設，對現有數據進行分析，前后比照，結合焊接工藝固有特性，最終認為14寸的200°預熱溫度是降低返修率的關鍵原因。因此筆者希望在未來STT自動焊接工藝應用的項目中，適當提高預熱溫度，以降低返修率，降低勞動強度，提高生產效率。