環焊縫技術在大管徑天然氣管道焊接中的應用

李 磊，明廷宏，趙春輝，劉 超

（國家石油天然氣管網集團西氣東輸公司南京應急搶修中心，江蘇南京 210046）

0 引言

管道運輸與天然氣工業的發展密切相關，目前已經成為公路、水運、鐵路和航空之外的第五大運輸體系。天然氣產品通過管道從產地運輸到用戶目的地，逐漸成為集安全、環保和經濟于一體的運輸方式。我國天然氣的儲存與分布比較集中，較大的產氣區大多數位于西北地區和南部海域，都處于偏遠地段，而天然氣市場主要集中在東部地區，這就造成了產地與用戶間隔的距離較遠，因此我國天然氣的運輸具有長距離、大輸送量的特點，通常使用大管徑的輸氣管道[1]。

1 環焊縫技術對坡口質量的控制

1.1 選擇焊接坡口形式

對焊接坡口的加工是管道焊接過程中的關鍵環節，焊接坡口的形式、尺寸和組裝質量，決定了焊縫的質量和焊接效率，坡口的尺寸和形狀應嚴格保持一致。通常情況下，如果需要滿足焊縫的正常范圍，從力學角度分析，坡口寬度越窄，焊接接頭的質量越好，焊接效率也得到提高，但是直接增大了焊接難度[2]。坡口能對焊接材料和焊縫金屬的比例進行調節，合理設計和選擇焊接坡口的形式，是保證焊縫質量的前提條件。采用環焊縫技術選擇坡口的形式，應遵循以下原則：①當天然氣運輸管道的管壁較厚時，需要保證焊接的透徹性，避免出現未焊透現象；②坡口的焊接要盡量減少熔覆金屬材料的使用，以此提高焊接效率；③對于管道厚度較大的接頭，焊接坡口要盡量減少本身的寬度，以保持焊接質量[3]。通常大管徑天然氣管道焊接選擇復合形坡口，可以使用較少的焊接填充物獲得較高的效率，滿足大壓力的設計需求，達到單面焊接雙面成型的效果。

1.2 設定密封溝槽結構

應用環焊縫技術，可以提高密封圈和溝槽結構的密封效果，對密封結構進行優化設計。通過對密封溝槽結構進行有限元分析可知，結構被離散后，單元位移可以用插值函數表示，轉化為剛度矩陣。當密封溝槽結構被離散后，施加在結構單元的作用力從一個節點傳遞到另一個節點，并且作用力與位移節點等效。根據最小勢能原理，建立位移節點矩陣，通過對密封溝槽結構單元的整體性分析，找到位移和力學的平衡條件，構成應力和應變分布的邊界條件。通過環焊接技術對溝槽添加固定約束，使封閉圈內部受到管壁的壓力作用，在壓力載荷的作用下，坡口產生應力變形和位移約束，在交界面進行協調，以達到有效的密封作用。

2 環焊縫技術對焊接接頭性能的控制

2.1 控制熔覆金屬過渡

應用環焊縫技術要控制熔覆金屬過渡，通過電弧電流對熔滴進行分階段作用，改變不同階段的電弧電流推力，將其產生的熱量匯聚形成高質量的熔池，保證了焊接過程的質量，使焊縫具有可靠性。利用環焊縫技術的控制作用，改變相應階段的電弧電流，按照不同熔滴階段的特征，熔覆金屬過渡分為以下階段：①焊絲形成熔滴階段；②加大電弧電流，進入熔滴緊縮階段；③熔滴分離進入熔池階段，熔滴分離就減小電弧電流，持續到熔滴進入熔池中結束；④此階段后，焊絲快速熔化，新的熔滴開始形成。按照此過程依次進行循環，熔池維持一段時間后，熔覆金屬過渡得以完成。

2.2 實施引弧及焊縫清理

應用環焊縫技術實施引弧及焊縫清理，控制整個管道焊接過程。

（1）預熱。預熱對焊接工藝十分重要，通過預熱減少焊件熔池與母材的溫度差距，相應減少了焊接產生的應力。預熱可清除掉天然氣管道表面的水汽，避免出現氫氣孔產生的裂紋，提高環焊縫焊接質量。

（2）引弧。應用環焊縫技術進行引弧操作，使用直接垂直接觸和劃擦的方式，將天然氣管壁焊件相互接觸，此時使用的焊槍應與天然氣管壁保持一定的距離。點燃電弧后，焊件末端要對準待焊處，輕輕點擊后，再進行正常焊接操作。應用環焊縫技術進行引弧，可以避免焊件表面和坡口處的電弧劃傷。

（3）清理。在實施引弧后，需要清理焊接通道，保證天然氣管道焊口的干凈整潔，使焊接過程順利過渡到后續階段。

2.3 保證焊接干伸長度

在保持焊接電弧電流和電壓不變的條件下，干伸長度過長，導致熔化速度過快，容易造成未焊透和未熔合的缺陷；干伸長度過短，導致熔池溫度升高過快，容易出現咬邊和凹陷的缺陷。利用環焊縫技術可以控制干伸長度在12～20 mm，以達到焊接質量要求。在環焊縫焊接時，根焊與熱焊的銜接要連續，穩定電弧的同時，控制焊絲干伸長度，減小焊絲通過的電弧電流強度，更好地控制焊接過程。環焊縫填充焊接至坡口兩側，由于對接接頭的特殊性，需要及時進行補焊，以免出現焊道過薄的質量問題；通過鋸齒形態的勻速擺動，保證焊接接頭處熔化充分和完全，形成完整的焊縫外觀。

3 實驗結果與分析

3.1 實驗材料準備

為檢驗環焊縫技術在大管徑天然氣管道焊接中的應用效果，選擇管壁厚度為21.4 mm 的X80 管道鋼材材料為實驗母材，以適應大管徑和高壓力的輸送需要；選擇焊接材料為直徑1.0 mm 的ER 70S-G 焊絲。實驗材料的具體化學成分見表1，力學性能見表2。由表1 和表2 可知，實驗焊接材料準備符合國家相關標準和天然氣管道工程的技術要求，能夠保證環焊縫焊接的力學和使用性能，對環境具有一定適應性。

表1 實驗母材和焊絲的化學成分%

表2 實驗母材和焊絲的力學性能

3.2 設計焊接工藝參數

為保證實驗環境符合實際管道工程應用場景，設計焊接實驗的相關參數如下：選擇向下焊接的方向；設定電壓為20～24 V，電流為160～240 A；設定送絲速度為6～12 m/min，焊接速度為40～110 cm/min。

3.3 焊接性能測試結果

按照國家標準要求，對環焊縫焊接的接頭進行破壞性測試實驗：①接頭的橫向拉伸性能測試實驗結果表明，斷裂位置都在母材上，抗拉強度可達730 MPa，反映出鋼管管體的縱向抗拉強度值較高，管體具有良好的強度穩定性；②接頭的側彎測試、刻槽錘斷測試和宏觀金相檢驗的結果均為合格，滿足應用標準；③在溫度為-10 ℃的條件下，對環焊縫的焊縫中心和熱影響區分別進行沖擊韌性實驗，結果表明焊縫中心的沖擊吸收功的平均值為225～245 J，熱影響區的平均值為245～260 J，說明環焊接接頭具有較好的沖擊韌性表現；④環焊接接頭硬度檢測，焊縫的硬度值為255～265 HB，熱影響區的硬度值247～295 HB，母材的硬度值為235～245 HB，結果表明焊縫和熱影響區的硬度值比母材高，符合接頭比母材硬度強的規律。綜合上述性能測試結果，應用環焊接技術進行管道焊接，具有良好的性能，滿足工程的標準要求，確保焊接的質量和穩定性。

4 結束語

通過對環焊縫技術在大管徑天然氣管道焊接中的應用進行研究，為天然氣管道建設提供理論指導，進一步促進我國管道工程的發展。本文是在現有焊接工藝的基礎上進行的研究，在方案的選擇上還存在一定局限性，后續研究可設計不同的環焊接方案，對不同的焊材成分進行性能評定，以促進環焊接技術不斷發展。