淺談海洋工程制管焊接新工藝的研究

高 山

（山東鋼鐵集團(tuán)股份有限公司萊蕪分公司機(jī)動(dòng)力部，山東 濟(jì)南 271104）

隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，各行各業(yè)也在開拓發(fā)展，其中的海上石油工業(yè)，憑借著先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)與設(shè)備，也在向著深海進(jìn)軍，這便需要建造更加復(fù)雜、龐大的海洋工程鋼結(jié)構(gòu)，建造這些鋼結(jié)構(gòu)需要更長的時(shí)間，付出更多的人力。在鋼管的建造過程中，其中首要的工作便是對鋼管的焊接，這個(gè)步驟的工作量超過組塊建造的17%，接近導(dǎo)管架建造的42%，因此，鋼管焊接的過程直接影響到后續(xù)的建造，焊接工作效率高，焊接質(zhì)量優(yōu)異，是生產(chǎn)高品質(zhì)成型鋼結(jié)構(gòu)的重要基礎(chǔ)，在保證效率與質(zhì)量的情況下，在焊接過程中節(jié)約成本也是焊接新工藝首要考慮的因素。

1 埋弧焊接工藝的概述

焊弧焊接不僅具有高效性，且焊接的制管品質(zhì)也比較高，被廣泛應(yīng)用于制管的焊接過程中，一般情況下，海洋工程平臺環(huán)境惡劣，對鋼管結(jié)構(gòu)的制作工藝要求較高，其對焊縫的力學(xué)能力以及鋼材的原料要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般鋼結(jié)構(gòu)，因此，在對海洋鋼結(jié)構(gòu)的焊弧焊接時(shí)，一般采用雙絲或者單絲焊接[1]。在海洋石油行業(yè)的高速發(fā)展下，海洋平臺的建設(shè)越來越多，也在向深海領(lǐng)域擴(kuò)張，對制管焊接的要求越來越高。相比于單絲埋弧焊接，四絲埋弧焊接有更長的熔池時(shí)間，能夠使冶金過程發(fā)生充分的反應(yīng)，能夠提供充裕的氣體并排除近乎所有的雜質(zhì)，大大降低了原材料的熱循環(huán)次數(shù)，使該過程的熱循環(huán)時(shí)間延長，避免了寒風(fēng)熱裂紋的出現(xiàn)，并使得氣孔敏感性減弱，增加焊縫熔的寬闊性，保證制管連接的穩(wěn)固性，并大大降低了焊接時(shí)間，從而提高海洋工程制管焊接的效率。

2 傳統(tǒng)焊接工藝與四絲埋弧工藝

2.1 傳統(tǒng)埋弧焊接工藝的不足

在傳統(tǒng)的埋弧焊接工藝中，單絲埋弧的打底焊一般應(yīng)用STT，而對制管的蓋面、填充，一般采用埋弧焊，焊接的接頭坡口，大多是X形破口，其中的鈍邊寬度為1mm[2]，組對間隙一般為3mm，焊接方式為正反兩面實(shí)行焊接。而在埋弧焊接的另一種焊接方式中，雙絲焊接是近幾年開發(fā)的新焊接方式，但應(yīng)用率較低，并未得到廣泛的應(yīng)用，其缺陷也比較顯著，焊接效率過低，與以往的單絲焊接相比，并沒有明顯的提升。而傳統(tǒng)的四絲焊弧焊接，雙面焊接的厚度不超過23mm，達(dá)不到海洋工程制管的雙面焊接厚度要求，其低溫沖擊只能在-15℃以上，不能滿足到海洋工程制管的低溫要求，并且傳統(tǒng)的四絲焊弧焊接的性能低下，CTOD試驗(yàn)也不達(dá)標(biāo)。

2.2 四絲埋弧工藝的改進(jìn)

通過分析傳統(tǒng)四絲埋弧焊接工藝的不足，探討其改進(jìn)方法，開發(fā)出創(chuàng)新的四絲埋弧焊接工藝，以提高海洋工程制管的焊接效率。本文研究的四絲埋弧焊接新工藝，具體內(nèi)容如下：在焊機(jī)的選擇過程中，采用升降式大臂焊機(jī)，還需要配置能夠直線移動(dòng)的重載地平車，在對四絲埋弧焊接的焊接速度也有較高的提升，其焊接速度超過2.1m/min，平均每小時(shí)的熔金重量超過42kg，現(xiàn)階段，單絲埋弧焊姐工藝的焊接速度僅僅只有0.7m/min[3]，這意味著改進(jìn)的四絲埋弧焊接工藝的焊接效率達(dá)到單絲埋弧焊接的3倍。對四絲埋弧焊接的電源選擇中，采用的是5臺高科技逆變電源，不僅能夠產(chǎn)生可變交流電，也能自由調(diào)制相位、頻率、波形平衡等，在原有的可調(diào)節(jié)參數(shù)上，改進(jìn)的四絲埋弧焊接工藝的可調(diào)制參數(shù)達(dá)到21個(gè)，所有參數(shù)都決定著熔池的寬度、深度，以及焊縫的高度與形態(tài)，通過多參數(shù)的聯(lián)合控制，使焊接的制管質(zhì)量更高。而對四絲焊接工藝的控制過程，采用高科技、高性能的數(shù)字集成控制器，對焊接過程所需要的參數(shù)全部編程，進(jìn)行全面的自動(dòng)化焊接，降低了人工操作的不穩(wěn)定性，使得制管焊接的精確度大大提高。

3 焊接新工藝開發(fā)

材料選擇為GB712-2000鋼板，焊絲采用JW-1.3mm，焊機(jī)采用SJ101，坡口采用55°X形坡口，其規(guī)格為320mm×320mm，在焊接控制系統(tǒng)選擇中，采用高性能的數(shù)字化集控系統(tǒng)，并在焊接前制定好所有參數(shù)并完成程序的編輯，參數(shù)一旦制定好，就不能在焊接過程中改變，避免影響焊接工程的精確度，這也使得工作量大大減少，避免人為干擾。在影響焊接工藝的效率與質(zhì)量因素中，有諸多因素，其中焊接熱輸入直接決定焊接熱循環(huán)過程，一定要控制好焊接熱輸入的大小，在四絲埋弧焊接中，電流一般較大，因此，焊接熱輸入也需要較大的值，一般要達(dá)到-40℃的低溫沖擊，因此，要輸入正確的熱輸入數(shù)據(jù)，并分析力學(xué)性能與熱輸入的平衡點(diǎn)。焊絲中心需要與焊縫中心重合，避免擺動(dòng)電弧的產(chǎn)生，防止正反面錯(cuò)位，并保證焊絲傾角與間距的適當(dāng)。在相位控制中，需要分析焊絲之間的相位角差距，避免焊接過程中電弧相互影響而降低焊接質(zhì)量。在波形控制中，由于波形種類取決于電源模式，在交流電為電源的焊接工藝中，保證其他參數(shù)一定的情況下，使波形平衡越小越好。而在其他影響因素中，也需要選擇最合適的值，焊絲干伸長一般為37mm；焊絲傾角一般為-13°，0°，13°，24°；焊絲間距一般為21mm，20mm，22mm；電弧需要嚴(yán)格控制，避免焊縫過寬。

4 無損檢測與力學(xué)性能測試

4.1 力學(xué)性能測試

通過AWS D1.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，對成型焊接制管進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，經(jīng)過多次檢測，發(fā)現(xiàn)成型焊接制管的抗拉強(qiáng)度原材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過焊接制管抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)要求，在對A8（38mm）-1與A8（38mm）-2的橫向拉伸測試中，其橫向拉伸強(qiáng)度皆超過590MPa，且斷裂位置都在原材料部位，這表明焊縫的橫向拉升強(qiáng)度超高，且其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原材料，詳細(xì)見表1，表2。

表1 焊縫拉伸測試結(jié)果

表2 橫向拉伸測試結(jié)果

表3 37mm板沖擊檢測結(jié)果

在對焊縫的沖擊檢測中，將成型的焊接制管放在冷卻槽中，使其溫度降低至-15℃，試樣缺口位置分別在根部熔合線、熔合線+4.5mm，熔合線+1.5mm、熔合線、焊縫中心，根據(jù)對焊接制管的多次沖擊檢測表明，其平均吸收能量＞40J，單個(gè)沖擊吸收能量＞30J，為往后的-40℃超低溫沖擊提供了參考基礎(chǔ)，詳細(xì)見表3。

在對成型的焊接制管的彎曲檢測中，對焊接制管進(jìn)行多個(gè)方位的彎曲取樣，在多次的彎曲檢測中，發(fā)現(xiàn)其在彎曲角超過180°，壓頭直徑為60.1mm的檢測標(biāo)準(zhǔn)中，依舊符合標(biāo)準(zhǔn)，未發(fā)生折斷現(xiàn)象。

4.2 無損檢測

通過AWS D1.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，對焊接成型的制管進(jìn)行磁粉、超聲、射線等效果進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示全部達(dá)標(biāo)，焊縫完形光滑完美，表面氣孔的出現(xiàn)概率為零，也沒有產(chǎn)生裂紋、夾渣等現(xiàn)象。

5 結(jié)語

在海洋石油的深海開發(fā)中，海洋工程需要越來越先進(jìn)的技術(shù)與設(shè)備支撐，而其中的焊接工藝作為海洋工程的首要步驟，更是海洋工程開展的基礎(chǔ)，需要不斷的創(chuàng)新完善，提高焊接過程的效率，保證海洋工程鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，促進(jìn)海洋工程事業(yè)的發(fā)展。