水網(wǎng)地區(qū)銅襯墊外根焊全自動焊接技術(shù)適應(yīng)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(wǎng)集團有限公司建設(shè)項目管理分公司，河北 廊坊 065000)

0 前言

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大規(guī)模采用高效、清潔的天然氣能源是未來的發(fā)展趨勢。同時，世界各國也在不斷加大對能源開發(fā)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(jīng)濟發(fā)展的重要標志。為適應(yīng)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(zhì)量關(guān)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(jīng)濟損失和人員傷亡，且造成嚴重的環(huán)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(guān)重要的。

天然氣管道發(fā)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(xiàn)場施工過程息息相關(guān)[10]，故針對戶外管道施工的適應(yīng)性及焊縫質(zhì)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(qū)三余鎮(zhèn)境內(nèi)。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(zhì)為X80M。建設(shè)地點位于江蘇省東南部長江三角洲北翼的南通市通州區(qū)，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(qū)相比，其地貌特點為水網(wǎng)密布，溝、渠、河流交錯成網(wǎng)，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(zhì)量和工程進度提出了較高的要求。為保證工程焊接質(zhì)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(qū)成熟的銅襯墊外根焊全自動焊接工藝[13-15]用于水網(wǎng)地區(qū)，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(shè)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(wǎng)地區(qū)對管道施工帶來的不利影響。因此，文中針對該工程水網(wǎng)地區(qū)管道施工特點進行了以下銅襯墊外根焊成套技術(shù)現(xiàn)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(zhì)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(shù)分別為17層和18道；焊接設(shè)備包括焊接站、坡口機和銅襯墊內(nèi)對口器；焊絲選用林肯焊絲，其規(guī)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(wǎng)地區(qū)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(shù)的增加，焊接電流逐漸減小。焊接工藝參數(shù)依照試驗室得出的銅襯墊外根焊焊接工藝規(guī)程，見表1。初設(shè)人員、設(shè)備、工機具配置，組建整裝機組進行現(xiàn)場10道焊縫施焊，收集施工時段的氣候、重型設(shè)備傾側(cè)角度、各工序用時等數(shù)據(jù)進行分析。隨后通過對焊縫質(zhì)量與性能測試來驗證銅襯墊外根焊全自動焊接成套技術(shù)在水網(wǎng)地區(qū)的施工適應(yīng)性。焊縫質(zhì)量與性能測試內(nèi)容包括按照GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)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(wǎng)集團公司行業(yè)標準DEC-NGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)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(shù)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1氣候?qū)κ┖傅挠绊?/p>

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(xiàn)中雨天氣，該情況下無法施工：主要表現(xiàn)在焊接前道工序(組對)上，雨水雖然對設(shè)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(nèi)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(xiàn)在午后氣溫達到33 ℃時，防風棚內(nèi)環(huán)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(guān)注度下降，存在焊接質(zhì)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(yù)熱及層間溫度的控制可完全消除環(huán)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(zhì)條件對施焊的影響

為防止施工過程中重型設(shè)備陷入土中，在重型設(shè)備的施工位置鋪設(shè)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(fā)現(xiàn)吊管機吊裝1根鋼管行駛到組對位置時鋼板即開始單側(cè)下陷，10 min組對結(jié)束后測得沿鋼管側(cè)傾斜角度最大達到7°，如圖2所示，預(yù)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(fā)生在組對過程的1～10 min內(nèi)。當?shù)豕軝C單側(cè)受重力影響發(fā)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(fā)生單側(cè)下陷，而是可能會發(fā)生輕微的肉眼無法察覺到的整體下陷。通過預(yù)熱10 min后撤離加熱裝置，發(fā)現(xiàn)再次測得的組對間隙與未加熱前數(shù)據(jù)相同，故水網(wǎng)地區(qū)地基下沉對自動焊施工無影響。

圖2 地質(zhì)條件對施工的影響

2.3施工工效分析

根據(jù)現(xiàn)場完成的10道焊縫試驗數(shù)據(jù)值，取各工序用時的平均值設(shè)定為該工序用時，見表3。完成一道焊縫除上述主要作業(yè)工序外，還由若干輔助工序組成，為測算出流水線作業(yè)工效，需將單站完成1道焊縫所發(fā)生的所有耗時工序細致拆分，通過分析同一時間段可并聯(lián)完成的工序，最終得到單站完成1道焊縫的流水作業(yè)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(yè)完成一道焊縫最快的工效為：組對+預(yù)熱+焊接(第一站)。為達到每日最高工效，需要配置一定數(shù)量的焊接站在同一時間段對1道焊縫不同工序同時作業(yè)，從而形成流水線作業(yè)。表4為不同焊接站數(shù)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(yè)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(zhì)量分析

對焊接得到的10個焊縫逐一檢驗，發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(xù)的未熔合，未發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致的缺陷，為偶發(fā)的正常現(xiàn)象；而局部不連續(xù)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(jīng)驗的積累，可以減少或避免此類缺陷的產(chǎn)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(jié)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(qū)，斷后伸長率21.5%～26.0%，表現(xiàn)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(xiàn)出良好的斷裂韌性。背彎和側(cè)彎試驗中，4個背彎和8個側(cè)彎試樣的表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，滿足評定要求；刻槽錘斷試驗中，4個試樣均未發(fā)現(xiàn)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(jié)論

(1)水網(wǎng)地區(qū)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(dǎo)致的組對設(shè)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(shè)備設(shè)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(guī)程，可在水網(wǎng)地區(qū)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(yè)，并可按國標GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》和國家管網(wǎng)集團公司行業(yè)標準DEC-NGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)定》驗收。銅襯墊外根焊全自動焊接成套技術(shù)可在水網(wǎng)地區(qū)進行。

(3)焊接站配置的數(shù)量與各自的日工效呈線性關(guān)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(yè)中的利用率最高。