天然氣處理廠工藝管道焊接手工焊與半自動焊接的效率與質量對比分析

石 昕，吳立斌，楊 燕

(川慶鉆探工程有限責任公司，四川 成都 610051)

0 前言

天然氣工業中每年有大量的天然氣處理場站需要建設，其中80%工作量是工藝管道焊接。天然氣場站屬于高壓、有毒、易燃易爆、裝置密集與人員密集場所，對質量有更高的要求。選擇合適的焊接方法和工藝是影響焊接質量和效率的關鍵因素，既有利于提高焊接質量，又能夠節約大量的成本。

針對目前國內主要的氬電聯焊與金屬粉芯根焊+半自動自保護焊填蓋、全金屬粉芯焊接進行了焊接效率與質量對比測試試驗。

1 焊接效率測試

1.1 測試使用設備

采用北京時代科技 WS－400、MPS－500、PipePro 450、PipePro300四種焊接設備。

1.2 焊接方法

采用三種焊接方法:WS－400進行氬弧焊根焊+焊條電弧焊填蓋(GTAW+SMAW，上向焊)，美國米勒PipePro450/300進行可調金屬過渡根焊(RMD，下向焊)+熊谷MPS500自保護填蓋(RMD+FCAW－S，下向焊);PipePro 450/300進行可調金屬過渡根焊+精確脈沖氣體保護焊填蓋(RMD打底+GMAW－P填充蓋面，下向焊;DN200及以下采用上向焊填蓋，DN300及以上采用下向焊填蓋)。焊接坡口采用標準API1104坡口形式，如圖1所示。

圖1 焊接坡口

1.3 測試管徑

測試管徑為 φ133 mm×10 mm、φ219 mm×8.74 mm、φ325 mm ×7 mm、φ610 mm ×10 mm，材質為L360，焊接標準執行GB41039(等效API1104)，每種管徑都進行上述三種工藝的焊接，分別記錄了焊接時間和焊接輔助時間。

2 焊接工藝

2.1 氬弧焊根焊+焊條電弧焊填蓋(GTAW+SMAW)工藝

試件形式為管對接，焊接位置為水平固定，焊機型號WS－400，焊接方法為GTAW+SMAW，焊接方向為上向焊，坡口角度為單邊30°，鈍邊0.5～1 mm，間隙1.5～2.5 mm，保護氣體為N2+Ar;室內施焊。GTAW根焊+SMAW填蓋焊接工藝如表1所示。

2.2 RMD金屬粉芯氣體保護焊根焊+藥芯自保護半自動焊填充蓋面(RMD+FCAWS)工藝

試件形式為管對接，焊接位置為水平固定，焊機型號Miller Pipepro300+MPS－500，焊接方法為RMD+FCAW－S，焊接方向為下向焊，坡口角度為單邊30°，鈍邊0.5 ～1 mm，間隙 1.5 ～2.5 mm，保護氣體為CO2+Ar，室內施焊。RMD根焊+FCAW－S填焊焊接工藝如表2所示。

對于RMD根焊，焊接電弧時間可達97%，焊接熔敷效率可達99%，除了焊接接頭修磨，其余基本不需要做任何處理，包括焊縫表面處理;對于自保護焊填充蓋面，焊接電弧時間可達85%，焊接輔助時間主要是焊接接頭修磨、清渣，其中熱焊道由于空間狹小，導致熔渣粘附力緊密，焊接電弧時間只有63%;對于蓋面，由于清渣很容易，但6點鐘位置需要對余高超標焊縫進行修磨，焊接電弧時間可達90%以上，焊接熔敷效率可達85%以上。

2.3 金屬粉芯氣體保護焊根焊(RMD)+金屬粉芯氣體保護焊填充和蓋面(GMAW－P)工藝

試件形式為管對接，焊接位置為水平固定，焊機型號Miller 300，焊接方法為GMAW，焊接方向為:根焊下向焊，填蓋φ219 mm及以下上向焊，φ325 mm及以上下向焊;坡口角度為單邊30°，鈍邊0.5 ～1 mm，間隙1.5 ～2.5 mm，保護氣體為CO2+Ar，室內施焊。金屬粉芯RMD根焊+金屬粉芯GMAW－P填蓋焊接工藝如表3所示。

表1 GTAW根焊+SMAW填蓋焊接工藝

表2 RMD根焊+FCAW－S填蓋焊接工藝與效率

表3 金屬粉芯RMD根焊+金屬粉芯GMAW－P填蓋焊接工藝

所有焊縫表面成形良好，層間無渣，所需焊接輔助時間只需要進行焊接接頭修磨，焊接時間焊接電弧時間可達98%以上，并且焊接熔敷效率可達99%以上，具有很高的焊接經濟性。焊接耗時統計見表4。

表4 焊接耗時統計 h/(口·人)

3 焊接效率統計對比

總用時比較分析(單位:h/(口·人))如表5所示。

表5 焊接效率對比

4 焊接質量

4.1 焊縫耐蝕性與止裂性

對于氬弧焊根焊+低氫焊條焊條電弧焊填蓋(GTAW+SMAW)，焊縫止裂性良好，擴散氫小于等于5 ml，－10℃ CTOD平均大于0.53 mm;對于采用金屬粉芯RMD根焊+自保護半自動填蓋(RMD根焊+GMAW填蓋)，焊縫止裂性一般，－10℃ CTOD平均在0.30～0.35 mm，擴散氫為10～12 ml，造成冷裂敏感性較大，且由于晶粒粗大，不適合耐蝕性管道焊接;對于金屬粉芯RMD根焊+精確脈沖填蓋(RMD根焊+GMAW－P填蓋)擴散氫小于等于3 ml，－10℃ CTOD均需大于等于0.7 mm，具有良好的止裂性。

4.2 無損檢測統計

對于三種焊接方法分別進行300道焊口現場VT、X－RaysRT檢測(檢測標準 GB4730)，結果如表6所示。

表6 無損檢測統計 %

4.3 無損檢測質量分析

三種焊接方法焊接缺陷分析。

表7 三種焊接方法的主要焊接缺陷分析

5 結論

(1)RMD+GMAW－P效率最高，比傳統方法效率高1～3倍，管徑越大，效率提高越明顯，對于DN600管道，可以提高焊接效率三倍以上，主要優點為不需要清渣，焊接輔助時間少，焊縫性能優良;RMD根焊+FCAW－S填充蓋面次之，但是抗裂性較差，不適合焊接耐蝕性要求管道;GTAW根焊+SMAW焊接工藝簡單，但是輔助時間長，且焊工難于掌握。

(2)焊接無損檢測質量。通過現場300道焊口對比分析，采用GTAW根焊+SMAW填蓋工藝的焊縫外觀質量較差，按照余高小于3 mm，基本都需要額外修磨，咬邊嚴重，射線探傷主要缺陷為氣孔與夾渣;而全金屬粉芯焊接，不僅焊縫機械性能優良，而且無損檢測合格率最高，主要缺陷表現形式是氣孔，其次有輕微層間點狀未熔(標準合格)。

(3)通過對比可以發現，全金屬粉芯焊接對于天然氣場站建設具有很大優勢，采用RMD根焊+GMAW－P填蓋工藝，對于有焊接基礎的焊工，相對于氬弧焊尤其容易掌握，并且根焊厚度是氬弧焊的兩倍，對于DN100的管道，可以提高焊接效率1倍以上，既保證質量，又節約大量人工費用。