雙金屬復合管現場焊接施工的質量控制分析

閆光寧

中國石油天然氣管道第二工程有限公司培訓中心，江蘇徐州 221008

1 工程概況

中國石油天然氣管道第二工程有限公司（以下簡稱：管道二公司）承建的新疆克拉蘇氣田克深5區塊試采地面工程，其集輸管網由集氣干線、采氣干線和采氣支線組成，按執行標準GB/T 9711-2011《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》要求，采用的復合管基層材質為L245N、L415Q、L360N，其厚度為8～10 mm；按執行標準SY/T6601-2004《耐腐蝕合金管線鋼管》要求，其316L襯層厚度分別為2、2.5 mm；管道直徑為114.3～355.6 mm。施工中采用鎳基焊材很好地解決了有害介質造成的腐蝕問題。在現場焊接過程中，針對雙金屬復合管特有的缺陷進行預防、控制，在焊接工序上要嚴格執行監督、管理，提高了一次焊接合格率和生產效率，降低了施工成本。

2 焊接工藝的確定

由于雙金屬復合管本身的特殊性，焊接時容易在復層和基層的界面處出現未熔合缺陷，同時，基層碳鋼中的碳元素向不銹鋼中的擴散會降低不銹鋼復層的抗腐蝕性能。針對復合管焊接的難點，提出新的焊接工藝[1]，決定采用鎳基焊接材料進行復合鋼管的焊接。管材基層為L360N、復層為316L；規格為D 323.9 mm×（10+2）mm，其化學成分見表1。

按標準ASME SectionⅡPart CSFA-5.14，ANSI AWS A5.14/A5.14M要求，復層、過渡層焊材選用ERNiGrMO-3鎳基焊絲，直徑為2.4 mm；按標準ASME SectionⅡPart CSFA-5.11，ANSI AWS A5.11/A5.11M要求，填充層、蓋面層焊材選用ENiGr Mo-3鎳基焊條，直徑為3.2 mm，其化學成分見表2。焊接方法：復層、過渡層采用鎢極氬弧焊，填充層、蓋面層采用焊條電弧焊，焊接工藝參數見表3。

2.1 坡口型式及焊接順序

坡口型式及焊接順序見圖1。

表1 雙金屬復合管化學成分/%

表2 焊接材料（熔敷金屬）化學成分/%

表3 雙金屬復合管焊接工藝參數

圖1 坡口型式及焊接順序

2.2 焊縫的性能

焊縫的性能試驗結果見表4。

3 現場施工的質量控制

在施工焊接過程中出現的許多問題，除了氣孔、夾渣、未焊透、未熔合等常規的焊接缺陷外，雙金屬復合管因其材質和技術方面的特殊，還存在著特有的缺陷[2-3]，具體分析如下。

表4 焊縫性能試驗結果

3.1 管材驗收

根據工藝要求，直徑＜DN200的管材使用兩端封焊工藝，直徑＞DN200的管材使用內堆焊工藝。復合管由供貨商按施工單位提供的焊接工藝評定要求進行封焊、堆焊后出廠。

管材進入現場時，首先查看管口是否帶有保護圈，防止管口在運輸過程中碰撞變形，如果發現橢圓度較大的，應標記尺寸；其次仔細檢查堆焊層是否存在脫節、點狀漏焊問題，接頭處于碳鋼母材和不銹鋼母材應完全熔合不應有夾層夾縫，以免過渡焊時出現氣鼓泡現象。同時要查看堆焊層厚度，視情況考慮是否需補充堆焊層焊接，確保焊接質量。應當注意的是：在裝卸復合管過程中，需用中心兜帶法吊裝，不能使用常規的管端鉤吊法裝卸，以免傷及管口和較薄的不銹鋼內襯管。

3.2 焊材驗收

焊材進廠，首先應對焊材質量證書中的焊材牌號、規格、供貨狀態、檢驗項目、數據及執行標準進行驗收。材料質量證明書應為原件或加蓋供貨單位檢驗公章和經辦人有效印章的復印件。材料質量證明書經檢驗合格后，對材料質量證明書和實物的一致性進行檢驗，即實物批號、材料牌號、規格等應與質量證明書一致。然后對焊材實物的包裝、焊絲的銹蝕、焊條藥皮、焊芯的偏心度及受潮情況等做外觀驗收。

3.3 外觀檢查

焊縫的外觀應符合如下要求：余高0～3 mm，寬度為每側比坡口增加0.5～2 mm，焊縫表面應無氣孔、夾渣、咬邊、未熔合、裂紋等缺陷。焊縫表面應用鋼絲刷清理掉來自管壁表面的焊渣飛濺。

3.4 無損檢測

焊接接頭應在形狀尺寸及外觀目視檢查合格后進行無損檢測，所有焊接接頭應進行全周長100%無損檢測，檢測方法采用X射線檢測，X射線檢測應達到SY/T4109《石油天然氣鋼質管道無損檢測》規定的Ⅱ級焊縫的要求。

4 現場焊接的質量控制

在現場焊接施工作業中，要想完成一道質量合格的焊縫，焊工需從焊前的準備工作，即坡口打磨、組對、氣體排放、氣體純度檢查，到焊接過程中的焊接操作、環境防護措施、施焊人員的責任心等方面，都要認真對待。通過現場監管和嚴格按照焊接工藝規程要求進行焊接作業，把焊接缺陷風險降到最低值。

4.1 打磨、組對

打磨必須用不銹鋼專用切片來進行切除。應注意以堆焊層與復層的熔合線為最大切除底線，避免切過熔合線出現內外管脫層現象。同時仔細檢查切除完襯管的點狀氧化現象，如果有，應及時進行打磨修補，否則會影響根焊焊道的熔合情況和管材的使用壽命。

焊接工藝規程規定復合管錯口量控制在2 mm范圍內為合格，但在現場施工中會遇到由于管材橢圓度等因素導致的管材內錯口超標現象，因此在組對前首先檢查管材的圓度，盡量選擇圓度相近的管材組對。在組對時，上下左右均勻分開錯口，保證不超過規定錯口的標準范圍。

用外卡具進行組對，組對前準備好合適的三角形點口專用定位塊，以減少點口時間和避免破壞坡口面。注意應在基管的坡口上焊接定位塊，盡量與復層拉開距離，以免破壞復層的材質（見圖2）。定位焊完成后，使用膠帶封住焊縫。焊接前必須按要求進行完全飽和的置換充氬，根據管徑的大小，置換時間取5～10 min，焊前用測氧儀測量氧氣含量（見圖3），當氧氣體積分數降到2%以下時，方可開始復層的焊接，以保障根焊層焊接質量。

圖2 定位塊組對

圖3 氧氣含量測量

4.2 根焊層焊接

根焊層是復合管焊接質量要求最高的工序，如果出現焊接缺陷，返修十分困難[1]。因此必須挑選技能熟練的焊工來進行操作以保證質量和整體施工速度。

焊接時在焊縫的最低處6點鐘位置引弧焊接，如果氬氣泄漏或內保護有紕漏，會出現熔池發黏發稠、熔池臟等現象，此時應立即停止焊接，借助手電筒通過焊縫間隙查看根焊道外觀質量。

根焊層的焊接工藝盡量采用小電流快速焊。焊接時，應特別注意仰、立、平焊時的焊槍角度，應該是垂直、垂直、傾斜，否則會出現仰焊位置熔合很好但焊道內凹的情況，不符合外觀要求。根焊道最后封口時最好留在平焊段并調低內充氬流量，以保證最后一點焊接的質量，焊縫顏色以銀白色最佳，金黃色和藍色為合格，灰色和黑色為不合格[3]。

4.3 過渡焊層焊接

過渡層是復合管合金含量最復雜的焊層，應嚴格控制焊接工藝參數，如果參數選擇不當，會造成熔敷金屬過大的濃度梯度，影響接頭的防腐蝕性能[1]。在焊縫溫度降至60℃以下時開始焊接，防止焊接時溫度過高導致背部焊縫發黑，影響焊接質量；另外，可將內充氬保護流量調低，但必須保證根焊道與空氣隔絕。過渡焊易出現根焊道燒熔、燒塌、封焊道氣鼓等，主要是因為焊接電流過大或焊速慢致使熱輸入過大，焊工操作不熟練導致送絲跟不上，焊槍角度不垂直于兩側焊道。

焊接時，電流選擇要適宜，過小易造成層間未熔合及熔敷金屬濃度梯度較大，過大則易將根部燒穿。焊接過渡層時，還應注意觀察熔池，若發現熔池中有大量氣泡冒出，應立即停止焊接，將缺陷清理干凈后再繼續焊接。

4.4 填充焊層焊接

填充層采用鎳基焊條焊接，鎳基焊條熔深較大，容易發生燒熔、燒穿現象，第一層填充焊接對整個焊口質量至關重要。在焊縫溫度降至80℃以下時進行焊接，焊接中焊條角度始終保持近90°，采用小電流薄層快速焊。

第一遍填充焊接時應保證氬氣倉氣流消耗，保證根焊焊道及影響區與氧氣處于隔絕狀態，以保證焊道的抗腐蝕性。在清理藥皮時，注意使用專用鋼絲刷進行清理。

最后一層填充焊時，在內充氬設備密封性較好的情況下，根焊道的保護可以使用內氬氣倉的氬氣，無需再充氬氣，以降低成本。這一層應注意焊縫要平整，預留深度一致，盡量不要修磨，保持焊道原貌，為蓋面焊道創造條件。

4.5 蓋面焊層焊接

蓋面焊焊接電流選擇要適宜，并保持一定弧長，兩邊稍作停留，焊條角度始終保持近90°進行薄層快焊。注意4～5點鐘位置焊條角度變化。排焊時注意兩焊道寬度相近保持美觀。注意接頭處起弧氣孔、咬邊等缺陷，余高高低不平，外觀成形不美觀。

4.6 其他注意事項

在焊接過程中，還有其他影響焊接質量的因素。如：焊條烘干、保溫、層間溫度控制不當、氬氣的純度不夠、管材消磁不徹底、焊工的操作水平、防風棚的不密封（管底的過堂風）等都會引起缺陷的產生。在焊接作業指導書中都要進行詳細規定。

5 結束語

中國石油天然氣管道第二工程公司在新疆承建的克拉蘇氣田克深5區塊試采地面集輸管道工程，2015年6月開工至2016年10月完工，各種管徑焊縫共計2357道，合格率為98.65%。施工中通過采取具體缺陷針對性預防的方法，嚴格遵照焊接作業指導書進行操作，在焊工、焊材、焊接環境等方面加強管控，并在焊接過程中嚴格執行，通過從進場的管材質量到焊接全過程的嚴格受控，從而有效保證雙金屬復合管焊接質量。