高钢级管道焊接工艺技术工程应用探讨

高钢级管道焊接工艺技术工程应用探讨

韩光山

临沂市技师学院 276000

摘要：目前，随着长输管道建设向高钢级、大口径、高压力发展，国外长输管道广泛采用熔化极气保护自动焊技术。我国长输管道建设在焊接效率、焊材标准化、设备研制及升级方面与国外还存在较大差距。介绍了我国管道工程实践中高强钢管道焊接存在的瓶颈问题。分别从焊接热输入量、二次加热作用和预热温度等方面，分析了管道焊接质量影响因素。

关键词：高钢级；管道；焊接工艺技术；工程应用

引言

X80钢级是国内外长输管道建设的首选钢级。国外管道建设自动焊工艺成熟、产品系列化。以中俄东线天然气管道为典型案例，高钢级、大壁厚和低温特征对焊接工艺技术、焊缝性能、工作效率提出更高要求。系统总结中俄东线在建设施工中焊接工艺技术实践经验，包括焊接设备、焊接材料、坡口尺寸和组对精度和焊接预热等。

1高强钢管道焊接质量影响因素

焊接热输入量是影响焊缝机械性能指标的主要因素。较高热输入量增大焊缝和热影响区区域尺寸，降低焊缝针状铁素体含量比例，加速奥氏体晶粒增长。较低热输入量则利于形成稳定奥氏体-马氏体组织。研究表明如焊接线能量小于58kJ/cm，奥氏体组织晶粒尺寸明显减小；在较大线能量下，焊缝冲击韧性分散性较强。

焊接中二次加热作用可能导致热影响区脆化，并影响焊缝和管材机械强度、韧性。以单道焊为例，热影响区靠近熔合界线的奥氏体晶粒尺寸相比母材显著增大、韧性显著降低。针对焊缝粗晶区域，二次加热作用下韧性显著降低且产生局部脆化倾向；针对焊缝细晶区域，二次加热作用下韧性基本保持不变；针对焊缝边缘区域，二次加热作用下相变为马氏体/奥氏体链条状、大尺寸组织，韧性显著降低。如减缓二次加热作用对焊缝金属冲击韧性负面影响，一般做法是冶金工艺中降低铬、铌、钒用以稳定铁素体元素含量，适当改变奥氏体相变温度，以获得较好韧性组织。焊接前预热温度影响冷却速度和焊缝质量稳定性。研究表明，适度提高焊接前预热温度（预热温度至少达到150℃），粗晶区韧性临界断裂值相应提高，在一定程度上提高焊缝抗应力开裂能力。

2可靠性影响因素

2.1　钢管可靠性

钢管可靠性控制涉及工程设计、冶金、制管、焊接工艺、焊材选取、施工装备与技术、无损检测等多行业、多学科领域。其中管材制造、焊材及焊接工艺是管道整体质量及可靠性控制的关键环节，尤其是随着管道钢级的提高及钢管壁厚的增大，管材性能稳定性及环焊缝质量控制难度进一步增加。因此，钢板、钢管及管件质量稳定性控制成为影响系统可靠性的主要瓶颈和核心技术难题之一。基于高钢级管线钢化学成分、微观组织、生产工艺、强韧性、焊接性等的调查研究成果，提出评估其质量可靠性所需的关键工艺参数，通过对所列因素进行打分，可以有效评估实际钢管产品的质量和可靠性状况，进而辅助确定导致其可靠性降低的主要因素，并有针对性地提升改进措施。

2.2弯管管件可靠性

目前，高钢级管线钢的热煨弯管大多采用感应加热制造工艺，三通等管件大多采用热挤压拔制成型工艺。这两种制造工艺都需要对管线钢进行多次加热，但微合金化的高钢级管线钢对热机械轧制、热处理等制造工艺的变化非常敏感。随着钢级升高，合金成分含量相应升高，材料的碳当量和冷裂敏感指数越高，生产工艺控制窗口越窄，强韧性矛盾越突出，性能指标波动越大。根据输气管道站场弯管、管件失效案例的分析结果，管件本体性能不合格主要与以下原因有关：管件原材料方面。相关标准对管件原材料的化学成分只规定了最大值，而不同钢厂由于轧制工艺的差异，化学成分波动性较大，使管件热处理效果存在较大不确定性；随着轧制能力的提升，钢厂倾向通过轧制工艺保障材料性能、控制合金元素的含量，造成原材料对于热处理工艺的适应性变差，特别是焊接热影响区性能控制难度增大；材料复验执行不到位，易造成不合格材料进入弯管、管件供应链条。

3高钢级管道自动焊关键技术要素

3.1焊接工艺设备

中俄东线管道干线采用全自动焊（熔化极气保护实心焊丝电弧焊），自由连头采用组合电动焊（熔化极气体保护药芯焊丝电弧焊）。环焊缝采取下向焊、上向焊及其组合的方式。全自动焊设备是内焊机和双焊炬外焊机，保护气体成分是80%氩气和20%二氧化碳气体。全自动焊优点是环焊接头强度韧性良好，临界韧脆转变温度高达-60℃。缺点是熔宽较窄、熔深较浅，对坡口尺寸和组对精度容错性非常敏感，可能产生坡口壁未熔合缺陷。组合自动焊设备是单焊炬外焊机，保护气体成分是80%氩气和20%二氧化碳气体。组合自动焊优点是环焊接头强度和韧性较好，临界韧脆转变温度可达-30℃；对坡口尺寸和组对精度容错性宽泛，产生未熔合缺陷几率小。缺点是不适用过窄坡口，焊接填充量大，影响焊接效率；焊接过程有造渣、造气机制，可能产生气孔、夹渣等缺欠。组合自动焊采用现场坡口机加工。

3.2焊接材料

X80管线钢管容焊性较好，宜采用低氢型焊接材料，需考虑环焊接头与母材等强或高强匹配问题。全自动焊工艺采用实心焊丝，焊丝产品质量差异化是影响焊接质量的重要因素，包括焊丝光洁度、直径偏差、输丝力度、绕丝条理度、镀铜工艺、引电嘴磨损水平等因素决定了电弧质量、热量、温度及稳定性，进而影响焊接质量。全自动焊设备通常使用定制焊丝，例如CRC焊机焊丝、Serimax焊机焊丝等。实心焊丝产生焊缝机械强度高于熔敷金属约100MPa，因此选择焊丝比母材抗拉强度低1个等级；单焊炬自动焊采用药芯焊丝，对现场环境、保护气体等级敏感，如环境潮湿，或者气体纯度、配备、流量有误，产生一氧化碳气孔缺陷。药芯焊丝产生焊缝金属强度与熔敷金属强度基本相当，因此焊丝选择与母材抗拉强度相等的等级。

3.3坡口加工

全自动焊坡口加工关键3项技术参数是坡口表面宽度指、拐点距离内侧高度值和钝边高度值。坡口表面宽度值是8mm，最佳实践宽度范围是7.7～8.4mm之间，可保证双焊炬盖面焊道一次成型。拐点距离内壁高度值选择5.25mm，钝边高度值是1.0mm，可保证热焊层完全焊透，并与根焊缝良好熔合。质量合格的坡口技术条件为：满足钝边与内坡口圆滑过渡，拐点处无凹坑，钝边和拐点高度符合焊接标准规范。现场加工的坡口应在24h内完成作业，坡口两侧15cm内清洁无杂质，满足超声无损检测对钢管表面粗糙度要求。坡口两侧2cm范围内打磨出金属光泽，满足焊接前坡口技术条件。

3.4组对精度

全自动焊对坡口尺寸和组对精度容错范围要求很高，要求偏差不超过0.5mm，超过该指标即造成坡口壁未熔合缺陷。钢管吊管下沟作业应保持结构稳定性，避免强力组对产生应力集中。满足焊接要求的组对管口，错边量不大于2.0mm且沿管口均匀布置。组合焊对坡口尺寸和组对精度的容错能力较低，偏差超过2.0mm才会造成坡口壁未熔合缺陷。

结语

高强钢管道应用半自动焊工艺存在焊缝金属冲击韧性值不合格和离散，无法通过焊工技能培训和焊材选型实施改进，二者关系还处于研究阶段。自动焊技术精准控制焊接热输入量，焊缝机械性能良好，抗冷裂纹和应力集中开裂性能良好，有效避免焊缝金属冲击韧性离散缺陷。天然气管道自动焊焊接B型套筒已成功进行现场应用，焊缝质量满足规范要求，证明长输管道采用自动焊工艺是可行的。随着长输管道高钢级、大口径、高压力的发展方向，自动控制技术、电弧跟踪技术进步，全自动焊接技术将成为我国长输管道建设的主要施工方法。

参考文献

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