全自動TIG焊在俄羅斯亞馬爾LNG項目工藝管道焊接中的應用

王志堅，楊紅強，陳　元，王鵬權.中國石油集團海洋工程有限公司海工事業部，山東青島66555.中國石油集團海洋工程有限公司，北京　0008

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全自動TIG焊在俄羅斯亞馬爾LNG項目工藝管道焊接中的應用

王志堅1，楊紅強1，陳元2，王鵬權1
1.中國石油集團海洋工程有限公司海工事業部，山東青島266555
2.中國石油集團海洋工程有限公司，北京100028

摘要：俄羅斯亞馬爾LNG項目，具有代表性的工藝管道采用低溫碳鋼管道材料ASTM A333 Gr.6（設計溫度為- 50℃）以及不銹鋼材料ASTM A312/A358 TP304/304L（設計溫度為- 196℃）。焊接技術規格書要求管道根焊必須采用氬弧焊（TIG）的焊接方法。項目采用在青島預制、俄羅斯組裝的建造模式，對精度要求高。簡要介紹了項目背景和全自動TIG焊焊接方法的特點，分析了工藝管道材料的焊接性，詳細論述了工藝管道焊接工藝評定，包括焊接方法設計、焊接工藝參數、焊后機械性能試驗及結果分析、全自動TIG焊的優勢分析等。試驗表明，低溫碳鋼和不銹鋼管道的根焊和熱焊采用全自動TIG焊，焊縫性能滿足LNG項目技術規格書和ASME B31.3的要求，焊接效率比常規手工TIG焊提高了2倍，提高了LNG項目工藝管道建造的質量和進度。

關鍵詞：俄羅斯亞馬爾；LNG項目；工藝管道；全自動TIG焊

俄羅斯亞馬爾LNG項目屬于俄羅斯北極圈亞馬爾半島上的南坦別伊天然氣田（每年有9個月冰期，年最低溫度- 52℃），項目工程量共168個模塊，鋼結構質量超過5萬t，工藝管道長19萬m。工藝管道直徑0.5～72 in（1 in = 25.4 mm），焊接工作量（以焊接當量計）為23.7萬個達因。項目主要工作是管廊結構和工藝管道的預制，預制長度為20～44 m，其中LNG管道（運行溫度在- 169℃）需要做深冷保溫。項目采用在青島預制、俄羅斯組裝的建造模式，對精度要求高。工藝管道分為低溫碳鋼和奧氏體不銹鋼管道，具有代表性的低溫碳鋼管道材料為ASTM A333 Gr.6，設計溫度為- 50℃，不銹鋼材料為ASTM A312/A358 TP304/304L，設計溫度為- 196℃。

項目的焊接技術規格書要求管道根焊必須采用氬弧焊（TIG）的焊接方法。傳統LNG工藝管道的根焊和熱焊通常采用手工TIG焊，焊接效率低，對焊工的操作技能要求高。為提高該項目工藝管道根焊和熱焊的焊接質量和效率，將管道的建造分為車間預制和現場安裝兩部分，車間管道預制的根焊和熱焊采用全自動TIG焊，現場焊接則采用手工TIG焊。

1　全自動TIG焊焊接方法

全自動TIG焊通過自動填充焊絲、自動擺動焊炬、自動旋轉被焊接工件實現自動焊。從理論上講，整個焊接過程無需人工進行干預，焊接效率和質量高。

全自動TIG焊焊接系統由焊接電源、TIG焊槍、懸臂式焊接機（包括十字滑塊、焊槍夾持機構、擺動機構和控制箱）、送絲系統、冷卻循環系統、卡盤式管道驅動機（或轉胎）組成。

2　工藝管道材料焊接性分析

低溫碳素鋼ASTM A333 Gr.6和ASTM A350 LF2 CL1主要應用于- 50℃左右的低溫環境下，其焊接的主要關注點是保證接頭的低溫韌性。該種材料具有含碳量較低、韌性和塑性較好的特點，但在焊接過程中，由于經歷再熱的過程，晶粒易長大，導致接頭韌性和塑性降低。項目要求其焊接接頭在- 50℃的低溫時沖擊值不小于27 J，因此必須合理地選擇焊接方法、焊接材料和焊接工藝，嚴格控制焊接熱輸入量，以獲得滿足要求的低溫鋼焊接接頭。

奧氏體不銹鋼ASTM A312/A358 TP304/304L具有隨著溫度的下降其沖擊韌度減少緩慢，且不存在脆性轉變溫度的特點，因此可用于溫度低達- 196℃的深冷工況。但為了防止奧氏體不銹鋼的熱裂紋，往往在焊縫金屬中添加一些鐵素體形成元素，而鐵素體的形成會降低低溫沖擊韌性，因此需要控制其鐵素體含量不能超過7 FN。另外，當奧氏體不銹鋼的焊接接頭溫度在600～800℃時，在近焊縫的熱影響區中會析出少量的碳化物，從而降低焊縫的抗晶間腐蝕能力，因此需要嚴格控制不銹鋼焊接接頭的焊接熱輸入，減少焊接接頭在600～800℃溫度區間的停留時間［1］。

根據低溫碳鋼和奧氏體不銹鋼的焊接特點，研究采用全自動TIG焊替代手工TIG焊是很有必要的，但必須保證焊接接頭的熱輸入不會增加，以保證焊縫的低溫沖擊韌性，同時不能降低奧氏體不銹鋼焊接接頭的抗晶間腐蝕的能力。

3　焊接工藝評定

3.1焊接方法設計

全自動TIG焊目前只能用在生產線上，采用全自動TIG焊進行根焊和熱焊，其填充和蓋面可采用脈沖MIG焊、自動FCAW或SAW，可大幅提高工藝管道的焊接效率。全自動TIG焊的焊接電流較手工TIG大，每道焊縫金屬厚度比手工焊道大1 mm左右，根焊和熱焊焊接完成后可以直接進行埋弧焊（SAW）的焊接，手工TIG焊必須進行3道TIG焊接后才能進行SAW焊，因此采用全自動TIG焊具有較明顯的焊接效率優勢。

焊接設備的選擇：全自動TIG焊選用MILLER XMT 450MPa進行根焊和熱焊，配備2臺送絲機可以完成MIG、FCAW和SAW的焊接，能在一臺設備上完成一個焊接接頭的焊接，焊接效率較采用手工TIG進行打底和熱焊有較明顯的提高，焊接熱輸入量也能得到有效控制，焊接接頭的質量更有保證。

3.2焊接工藝評定母材

LNG工藝管道的焊接標準有ASME B31.3和ASME IX，采用ASME IX標準。碳鋼管道進行焊接工藝評定時選擇ASTM A333 Gr.6（Group No.1）與ASTM A350 LF2 CL1（Group No.2）兩種不同材料，覆蓋范圍更大。不銹鋼TP304/304L和TP316/316L均為P No.8、Group No.1的材料，選擇304L的材料進行焊接工藝評定可以覆蓋TP304/304L和TP316/316L材料的焊接。試驗用母材的化學成份見表1，機械性能見表2。

表1　試驗材料化學成份的質量分數/％

表2　試驗材料的力學性能

3.3焊接工藝參數

（1）低溫碳鋼管道。根據LNG項目碳鋼低溫管道設計溫度- 50℃的要求，焊材選用合金鋼焊材。TIG + FCAW采用廣泰KM - 80Ni1（ER80S - Ni1） /KFX- 81K2（E81T1 - K2），TIG + SAW采用廣泰KM - 80Ni1（ER80S - Ni1）和林肯焊絲PREMIER WELD Ni1K +焊劑PREMIER 8500，兩種工藝均滿足- 60℃低溫沖擊值不小于27 J的要求。焊接工藝評定要求見表3、表4。

表3　低碳鋼焊接工藝評定設計

表4　焊接工藝參數

（2）不銹鋼管道。不銹鋼工藝管道系統的設計溫度分別為- 50、- 104、- 196℃，因此焊接工藝評定的低溫沖擊溫度選擇- 196℃，選擇廣泰KT -308L/KM - 308L（ER308L）的焊絲作為填充材料，并且要求焊絲的沖擊側向膨脹率大于0.38 mm，鐵素體含量不大于7 FN。具體的焊接工藝評定要求和焊接參數見表5、表6。

根據編制的PWPS和接頭組對的參數在設備上設置焊接參數，主要的焊接參數為：焊接電流、送絲速度、焊接速度、擺動頻率、擺動寬度和坡口左右停留時間，見圖1（a），焊炬位置見圖1（b）。

3.4焊后機械性能試驗及結果分析

表5　奧氏體不銹鋼304L焊接工藝評定設計

表6　焊接工藝參數

圖1　焊接參數的設置和焊炬位置

碳鋼管道和不銹鋼管道的焊后機械性能試驗結果見表7、表8。從表中可以看出：

（1）機械性能試驗結果。第一，低溫碳鋼工藝評定的拉伸、彎曲和沖擊韌性均滿足項目的要求，焊接接頭進行焊后退火，焊縫的沖擊韌性有明顯提高。第二，不銹鋼工藝評定的拉伸、彎曲和沖擊韌性均滿足項目的要求，沖擊試件在- 196℃的側向膨脹均大于0.38 mm。

（2）金相組織。不銹鋼焊接接頭的鐵素體含量小于7 FN，滿足項目在深冷管道鐵素體控制方面的要求，保證了奧氏體不銹鋼深冷工況的低溫沖擊韌性。

全自動TIG焊接頭的外觀成型美觀，見圖2、圖3，特別是焊道背部成型完美，坡口兩邊熔合很好，經X射線探傷和磁粉檢測，未發現根部未熔合或表面缺陷。

表7　碳鋼管道的焊后機械性能

表8　不銹鋼管道的焊后機械性能

圖2　不銹鋼根焊背部/坡口內成型

3.5全自動TIG焊優勢分析

（1）焊接接頭的外觀成型優良，特別是有良好的單面焊雙面成型效果。

（2）焊接效率。不銹鋼和碳鋼工藝管道自動焊根焊的焊接速度大于70 mm/min，手工焊的根焊焊接速度為30～45 mm/min；自動焊熱焊的焊接速度大于110 mm/min，手工焊熱焊的焊接速度一般為70 mm/min左右。自動焊焊道的根焊加熱焊的焊縫厚度大于5 mm，手工焊焊道的根焊加熱焊的焊縫厚度大約為3.5～4 mm。如果根焊和熱焊完成后采用半自動焊，4 mm的厚度可以滿足要求；如果采用埋弧焊的話，手工焊只焊一道，熱焊無法滿足要求，會出現漏焊的情況，需要再進行一道TIG焊的焊接，手工焊的根焊和熱焊的時間花費較多。綜合計算全自動焊的焊接效率是手工焊的3倍左右，全自動焊的焊接效率優勢明顯。

（3）焊縫性能。采用全自動TIG焊，焊接速度比手工焊的焊接速度約提高了1倍，雖然焊接電流較手工焊有所增大，但熱輸入量基本保持不變，焊縫低溫沖擊韌性滿足沖擊功不小于27 J的要求，奧氏體不銹鋼的全自動TIG的焊接接頭抗晶間腐蝕的能力沒有下降。

圖3　低溫碳鋼根焊背部/坡口內成型

4　結束語

（1）全自動TIG焊在不銹鋼和低溫管道的根焊和熱焊的焊接中焊接成型優良，焊接效率比手工TIG焊的焊接效率提高2倍。

（2）全自動TIG焊焊縫的背部成型優良，有利于減小工藝管道的內部流體阻力，提高流體的流速。

（3）全自動TIG焊的焊接接頭保證了低溫碳鋼和不銹鋼的低溫沖擊韌性，也保證了奧氏體不銹鋼的抗晶間腐蝕的能力。

參考文獻

［1］張其樞，堵耀庭.不銹鋼焊接指南［M］.合肥：安徽科學技術出版社，2002.

Application of Automatic TIGWelding for LNGProcess Piping Fabrication

WANG Zhijian1，YANG Hongqiang1，CHEN Yuan2，WANG Pengquan1
1.China National Petroleum Offshore Engineering Co.，Ltd（Qingdao）.，Qingdao 266555，China
2.China National Petroleum Offshore Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100028，China

Abstract：In Russian Yamal LNG project，the materials of typical process piping are low temperature carbon steel ASTM A333 Gr.6（design temperature of - 50℃）and stainless steel ASTM A312/A358 TP304/304L（design temperature of - 196℃）. The welding technical specification requires TIG for piping root welding. The project adopts the construction way of prefabrication in Qingdao and assembly in Russia，so high construction accuracy is needed. This article introduces the LNG process piping welding by automatic TIG，including welding method design，welding process parameters，weld mechanical property test and result analysis，and TIG advantage analysis as well. The root welding and hot welding of the low temperature carbon steel and stainless steel pipings adopt automatic and high efficient TIG welding，the mechanical properties of the welds meet the requirements of LNG project technical specification and code ASME B31.3. The welding efficiency by automatic TIG increases 2 times compared with conventional manual TIG welding. The quality and construction progress of the LNG project process piping are improved.

Keywords：Yamalin Russia；LNG project；process piping；automatic TIG welding

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.014

作者簡介：

王志堅（1966-），男，江西撫州人，高級工程師，1990年畢業于西安交通大學焊接工藝及設備專業，主要從事焊接技術在海洋工程建造中的應用研究。Email：wangzhijian213@163.com

收稿日期：2016- 01- 06