水網地區銅襯墊外根焊全自動焊接技術適應性

汪宏輝, 王鵬宇

(1.中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇 揚州 225009;2.國家石油天然氣管網集團有限公司建設項目管理分公司，河北 廊坊 065000)

0 前言

隨著中國經濟的發展和能源結構的調整，大規模采用高效、清潔的天然氣能源是未來的發展趨勢。同時，世界各國也在不斷加大對能源開發和利用的力度，石油和天然氣等能源的開采、輸送與儲存能力已成為國民經濟發展的重要標志。為適應逐步提高的天然氣輸送壓力，進入21世紀初，具有強度高、耐蝕性好、綜合成本低等特點的X80管線鋼在天然氣管道中的使用量逐年攀升[1-7]。由于長輸管道的質量關系到整個油氣管道的安全運行，尤其是輸氣管線，一旦破裂，將造成巨大的經濟損失和人員傷亡，且造成嚴重的環境污染[8-9]。因此，管道的安全性和可靠性對于油氣的輸送和管理是至關重要的。

天然氣管道發生事故的主要原因是材料/焊接/裝備的失效及腐蝕，而材料/焊接/裝備的失效與現場施工過程息息相關[10]，故針對戶外管道施工的適應性及焊縫質量進行驗證和驗收具有重要的工程意義。中俄東線天然氣管道工程(永清—上海)南通—甪直試驗段線路位于南通市通州灣示范區三余鎮境內。選取南通—甪直線路(CO063-CO086)為試驗段，線路水平長度9.824 km、管徑1 422 mm、壁厚32.1 mm，材質為X80M。建設地點位于江蘇省東南部長江三角洲北翼的南通市通州區，屬北亞熱帶和暖溫帶季風氣候、光照充足、雨水充沛，全年降水量在1 040 mm左右。與平原地區相比，其地貌特點為水網密布，溝、渠、河流交錯成網，水田、魚(蟹)塘密集分布，地下水位高，地基承載力差[11-12]。

中俄東線作為國家重點工程，對工程質量和工程進度提出了較高的要求。為保證工程焊接質量，全線所有管道焊接均要求采用全自動焊接方式進行焊接。同時，為了保證工期，控制成本，需提高全自動焊施工效率。為此，將平原地區成熟的銅襯墊外根焊全自動焊接工藝[13-15]用于水網地區，該工藝具有任意一站可完成根、熱、填、蓋焊縫的焊接，機組配置靈活，設備機頭體積小，占用操作空間小，焊接速度快，根熱焊可同步進行以減少裂紋傾向等特點，可大大降低水網地區對管道施工帶來的不利影響。因此，文中針對該工程水網地區管道施工特點進行了以下銅襯墊外根焊成套技術現場驗證試驗，以獲得成形良好、性能達標的X80管線鋼焊縫。

1 驗證材料及方法

驗證鋼材采用南通-甪直線路用管，材質為X80M，管徑1 422 mm，壁厚32.1 mm；采用對接接頭，坡口形式為U形，如圖1所示。焊接層道類型包括根焊、熱焊、填充焊和蓋面焊，層道數分別為17層和18道；焊接設備包括焊接站、坡口機和銅襯墊內對口器；焊絲選用林肯焊絲，其規格為φ1.0 mm；為避免空氣干擾，選用50%Ar + 50%CO2的混合保護氣體。

圖1 焊接坡口示意圖

焊接試驗在水網地區高溫潮濕條件下進行，為避免咬邊缺陷和晶粒組織過分粗大，隨著焊道和層數的增加，焊接電流逐漸減小。焊接工藝參數依照試驗室得出的銅襯墊外根焊焊接工藝規程，見表1。初設人員、設備、工機具配置，組建整裝機組進行現場10道焊縫施焊，收集施工時段的氣候、重型設備傾側角度、各工序用時等數據進行分析。隨后通過對焊縫質量與性能測試來驗證銅襯墊外根焊全自動焊接成套技術在水網地區的施工適應性。焊縫質量與性能測試內容包括按照GB/T 31032—2014《鋼質管道焊接及驗收》要求對焊縫的外觀檢測、射線探傷及全自動相控陣超聲檢測，驗收一次性合格后，隨機抽取2道焊縫按國家管網集團公司行業標準DEC-NGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術規定》要求進行理化試驗并按標準驗收。理化性能試驗項包括橫向拉伸、縱向拉伸、彎曲、刻槽錘斷、低溫沖擊、宏觀金相、硬度、裂紋尖端張開位移。

表1 焊接工藝參數

2 試驗結果與分析

2.1氣候對施焊的影響

降雨和高溫是驗證期間對自動焊施工影響最大的2個氣候因素。表2為驗證期間的氣候情況，表中可見,在施工部分時段出現中雨天氣，該情況下無法施工：主要表現在焊接前道工序(組對)上，雨水雖然對設備影響不大，但會造成坡口生銹后無法在焊接前再次清理，尤其是鋼管內表面，其次是工作期間視線不佳，存在安全風險。驗證期間最高溫度為33 ℃的高溫時段施工難度也較大，主要表現在午后氣溫達到33 ℃時，防風棚內環境溫度高達41.4 ℃，焊接操作時員工體能消耗較快，存在中暑風險，從而對熔池關注度下降，存在焊接質量下降傾向。由于焊接施工采用全封閉防風棚，驗證期間最高為6級的風速對施工無任何影響。驗證期間空氣的最大濕度為87%，焊接前預熱及層間溫度的控制可完全消除環境濕度對施工的影響。

表2 自動焊施工部分時段氣候條件

2.2地質條件對施焊的影響

為防止施工過程中重型設備陷入土中，在重型設備的施工位置鋪設16 mm厚、5.7 m×1.5 m的鋼板作為支撐，每塊鋼板需承受的重量包括1根φ1 422 mm×32.1 mm的鋼管重量和一臺吊管機的重量。在施焊過程中，發現吊管機吊裝1根鋼管行駛到組對位置時鋼板即開始單側下陷，10 min組對結束后測得沿鋼管側傾斜角度最大達到7°，如圖2所示，預熱10 min后測得傾斜角仍然為7°，由此可以確定在此重量下地基下陷發生在組對過程的1～10 min內。當吊管機單側受重力影響發生傾斜后，其并不是無止境地傾斜，在吊管機履帶下鋼板左右的地基達到一定承載平衡點后將不再發生單側下陷，而是可能會發生輕微的肉眼無法察覺到的整體下陷。通過預熱10 min后撤離加熱裝置，發現再次測得的組對間隙與未加熱前數據相同，故水網地區地基下沉對自動焊施工無影響。

圖2 地質條件對施工的影響

2.3施工工效分析

根據現場完成的10道焊縫試驗數據值，取各工序用時的平均值設定為該工序用時，見表3。完成一道焊縫除上述主要作業工序外，還由若干輔助工序組成，為測算出流水線作業工效，需將單站完成1道焊縫所發生的所有耗時工序細致拆分，通過分析同一時間段可并聯完成的工序，最終得到單站完成1道焊縫的流水作業工效約為150 min。

表3 各工序用時表

由長輸管線流水線施工特點可知，如采用多站流水線作業完成一道焊縫最快的工效為：組對+預熱+焊接(第一站)。為達到每日最高工效，需要配置一定數量的焊接站在同一時間段對1道焊縫不同工序同時作業，從而形成流水線作業。表4為不同焊接站數量條件下的單道焊縫工效和10 h工作制下的日工效，可見焊接站為7站時單道焊縫工效僅21 min，此時焊接站在流水線作業過程中的利用率達到最高，同時計算得到的日工效為28道。

表4 工效表

2.4焊縫質量分析

對焊接得到的10個焊縫逐一檢驗，發現其整體成形均勻一致、美觀，呈“魚鱗紋”形貌，表面無任何氣孔、裂紋、未焊透、夾雜等缺陷，蓋面高度為0.8～1.9 mm，寬度為11.0～11.9 mm，錯邊量為0.2～1.5 mm。焊縫宏觀形貌如圖3所示。圖3a為焊縫整體形貌，圖3b～圖3d依次為2號、5號和9號焊縫局部焊縫宏觀形貌。進一步對焊縫進行無損檢測，發現所有焊縫均一次合格，其中1級片占比54%，2級片占比46%。缺陷主要為單個氣孔和局部不連續的未熔合，未發現熔銅及其造成的裂紋。單個氣孔屬于GMAW熔化極氣體保護焊工藝特性導致的缺陷，為偶發的正常現象；而局部不連續的未熔合一方面是由于32.1 mm的壁厚較大，而坡口角度小，致使角向磨光機在打磨接頭時視線不佳，另一方面是由于砂輪片厚度的增加，打磨還未完全掌握，后期多加磨合，通過使用磨光機經驗的積累，可以減少或避免此類缺陷的產生。

圖3 焊縫宏觀形貌

從驗證焊縫中隨機抽取2道焊縫進行理化性能試驗，與驗收標準對比均滿足要求，結果見表5～表8。接頭的抗拉強度647～664 MPa，且斷裂位置均在熱影響區，斷后伸長率21.5%～26.0%，表現出良好的塑性；夏比V形沖擊試驗中，在-10 ℃溫度下，2道焊縫的沖擊吸收能量最低值均為102 J，超過驗收標準；焊縫的硬度189～290 HV10；焊縫的裂紋尖端張開位移0.313～1.786 mm，表現出良好的斷裂韌性。背彎和側彎試驗中，4個背彎和8個側彎試樣的表面均未發現裂紋，滿足評定要求；刻槽錘斷試驗中，4個試樣均未發現未熔合、氣孔和夾渣等缺陷；宏觀金相試驗中，焊縫成形良好，未見氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

表5 拉伸性能

表6 沖擊性能

表7 硬度

表8 裂紋尖端張開位移

3 結論

(1)水網地區的降水(中雨及以上)和高溫(≥33 ℃)對施工存在不利影響，而6級風速和87%的濕度幾乎沒有影響；地基因降水導致的組對設備吊管機施工的最大傾斜角度為7°；通過合理配置人員和設備設施，可克服上述不利因素對自動焊施工的影響。

(2)采用試驗室得出的銅襯墊外根焊焊接工藝規程，可在水網地區進行X80、管徑不大于1 422 mm、壁厚不大于32.1 mm油氣管道的施工作業，并可按國標GB/T 31032—2014《鋼質管道焊接及驗收》和國家管網集團公司行業標準DEC-NGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術規定》驗收。銅襯墊外根焊全自動焊接成套技術可在水網地區進行。

(3)焊接站配置的數量與各自的日工效呈線性關系，焊接站為7站時,日工效可達28道，且此時焊接站在流水作業中的利用率最高。