К65管道自動焊工藝研究及應用

周文波　寇寶慶　苗廣君

摘要：介紹中俄東線黑龍江穿越工程項目中應用的天然氣管道К65鋼材，并分析其焊接性。采用STT半自動根焊+CRC M300C全自動填充蓋面的組合焊接工藝焊接試件并開展了接頭性能試驗。結果表明：К65管線鋼具有良好的可焊性，選用的焊接材料、焊接設備和工藝參數可用于該管線鋼的現場焊接。通過現場應用效果可知，該自動焊焊接工藝獲得了預期工效，且焊接一次合格率高，經濟效益明顯。

關鍵詞：中俄東線;К65;STT根焊+CRC M300C自動焊;焊接工藝

中圖分類號：TG457.6 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）02-0064-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.02.13

0 前言

中俄東線黑龍江穿越工程是連接正在建設的中俄東線天然氣管道和俄羅斯西伯利亞力量管道的控制性工程，該工程需在盾構隧道內安裝管徑1 420 mm、壁厚33.4 mm、材質為俄標К65鋼級的天然氣管道，管道設計壓力12 MPa，是目前國內長輸管道中焊接口徑最大、壁厚最厚、壓力最高的天然氣管道。本文分析研究工程自動焊焊接工藝及其成功應用，為后續類似項目提供參考。

1 母材焊接性分析

本工程采用的管道為俄羅斯伊諾爾鋼管廠生產的К65管線鋼，執行標準為其企業標準ТУ1381-011-47966425-2008，其化學成分和力學性能分別如表1、表2所示。К65鋼管代表了俄羅斯天然氣管道的最高水平，但是目前該鋼級尚未收入俄羅斯國家標準GOST R 52079-2003中[1]。К65管線鋼的強度要求與國內大規模推廣應用的APL X80鋼相近。

К65執行標準也引用了與API SPEC 5L一樣的CE（IIW）和CE（Pcm）參數，計算方法也相同。Ceq反映了鋼中化學成分對淬硬程度的影響[2]。ТУ1381-011-47966425-2008規定要求К65鋼級CE（Pcm）值不大于0.23，CE（IIW）值不大于0.45。經計算，用于本次焊接工藝評定試驗的К65鋼管的Ceq=0.43%，Pcm=0.17%。根據Graville 焊接性評價圖可知，К65鋼級屬于第Ⅰ位置易焊區，表示其焊接性能良好。К65鋼的Pcm值較低，表示該材料的焊接淬硬傾向及冷裂傾向也會降低，但是考慮到本工程К65管線鋼強度高，壁厚達到33.4 mm，且運行環境惡劣（在盾構隧道內）等因素，研究焊接工藝時仍然需要考慮其冷裂紋傾向。

2 焊接工藝設計

2.1 執行標準

鑒于本項目為中俄雙方過境段工程，根據中俄雙方業主達成的共識，本工程焊接工藝執行標準的原則如下：

（1）同時執行中俄雙方標準。即焊接工藝需同時滿足俄方業主俄羅斯天然氣工業股份公司企業標準《西伯利亞力量干線管道施工——焊接和焊接接頭質量無損檢測的技術要求》以及中方業主中國石油天然氣股份有限公司企業標準Q/SYGD 0503.12-2016《中俄東線天然氣管道工程技術規范 第12部分：線路焊接》的相關要求。

（2）中俄雙方標準都做了規定的驗收項目或驗收指標，取標從嚴一方規定。例如中方標準規定維氏硬度不應大于300 HV10，而俄方標準規定為不大于280 HV10，則按照俄方標準進行驗收。

（3）中俄雙方標準只有一方規定了驗收項目或驗收指標，采用已做規定的標準。如俄方標準未對刻槽錘斷試驗進行規定，中方標準做了相應要求，則焊接工藝評定時需按照中方標準增加刻槽錘斷試驗。

（4）涉及到本工程的焊工、焊接工程師、焊接工藝和焊接設備，均需按照俄羅斯聯邦國家礦山工業監督局規定和俄羅斯國家焊接監督委員會（簡稱NAKS）要求進行相應認證，并獲得NAKS證書。

2.2 焊接方法和設備

К65鋼是一種超低碳、微合金高強鋼，強度要求超過6 500 kgf/mm2，即640 MPa。用于本工程的К65鋼管管徑達到1 420 mm，壁厚33.4 mm，輸送壓力為12 MPa。因此，選擇合適的焊接方法是焊接質量和工效的保證。經過多方比選，最終選擇采用STT-Ⅱ型CO2氣體保護半自動焊進行根焊和CRC-M300C型藥芯焊絲全自動焊進行熱焊、填充和蓋面焊[3]。

根焊設備選用Lincoln STT-Ⅱ焊接電源匹配STT-10型送絲機組合，具有高效、穩定、可靠等特征，熱焊、填充和蓋面焊選用CRC-Evans公司生產的M300C單焊槍外焊機。該焊機主要特點為熔敷率高、可焊接標準坡口、適用于藥芯焊絲自動焊工藝[4]。M300C可大范圍調整小車行走速度、送絲速度、擺動參數，能適應K65鋼管的焊接。

2.3 焊接材料

根焊采用型號為AWS A5.28 ER80S-G的實心焊絲（直徑1.14 mm），熱焊、填充和蓋面采用型號為AWS A5.36 ER101T1-M21A4-G-H4的氣保護藥芯焊絲（直徑1.20 mm）。焊材、化學成分、力學性能分別如表3、表4所示。

根焊焊絲ER80S-G為實心焊絲，與基于短路液橋表面張力過渡原理的STT-Ⅱ焊機匹配使用，可獲得良好的背面成形和焊接質量。熱焊、填充和蓋面焊道使用氣保護高韌性藥芯焊絲，可獲得良好的低溫韌性并能滿足強度等機械性能要求。

2.4 焊前準備

（1）焊接接頭設計。

結合中俄標準和工藝要求，焊接工藝評定所用母材規格為全尺寸К65鋼管φ1 420×33.4 mm，采用復合V型坡口，如圖1所示。管道對口間隙寬為2.5～4 mm，錯邊量不超過2.0 mm，余高0～2.0 mm，局部不高于3.0 mm，蓋面焊縫寬度為坡口上端每側增寬1.5～3.0 mm[5-7]。

（2）焊接用保護氣體。

根焊保護氣體為100%CO2;熱焊、填充和蓋面焊保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣體，具體如表5所示。

（3）組對及預熱。

為保證組對質量，采用內對口器進行鋼管的組對，且對口過程中不允許使用敲擊工具。組對時，相鄰鋼管的原有制管焊縫應在對口處錯開，距離不小于100 mm，且待焊管子的制管焊縫應放在上半圓上。組對后，管子外表面的錯邊量應不超過2.5 mm，局部錯邊不大于3.0 mm，且錯位部分的總長度不超過50 mm。同時還應使用軌道定位器輔助自動焊小車軌道的安裝，確保焊炬在整個管周長位置對正焊接坡口中心。使用內對口器時，只有根焊道完全完成后方可撤離。

К65鋼管焊前必須進行預熱。預熱溫度為150～180 ℃，加熱寬度不少于坡口兩側各75 mm。采用感應加熱器或者環形丙烷燃燒器進行加熱，且預熱過程不得破壞防腐層的完整性。在預熱溫度降低不超過20 ℃的情況下，可以用烤把加熱至要求值，否則需要重新預熱。測量預熱溫度應沿著整個焊接接頭圓周長1/4部位，且在距管端10～15 mm和60～75 mm處測量。

（4）焊工及焊接設備NAKS認證。

根據俄羅斯相關標準要求，參與本次工藝評定的焊工均按照РД 03-495-02《焊工和焊接專家鑒定細則》要求進行了認證考試并取得合格。焊接設備也按照РД 03-614-03《危險生產項目中制造、安裝、維修和改造的焊接設備應用規范》取得了相應的NAKS證書，確保設備參數的輸出在可控范圍[6-7]。

2.5 焊接工藝參數

焊接工藝評定工藝參數如表6所示。

3 試驗結果分析

3.1 工藝評定試驗結果

焊接工藝評定的外觀、無損檢測和機械性能檢測驗收標準同時執行中俄雙方標準，所有焊接過程和試驗流程均依據項目技術規格書要求并在第三方監督下執行。根據標準和技術規格書要求，無損檢測采用目視檢測、射線檢測和PAUT檢測方法進行。機械性能檢測項目包括拉伸、彎曲、夏比沖擊、刻槽錘斷、宏觀金相、維氏硬度。主要力學性能試驗結果如表7～表9所示。宏觀金相及硬度分布如圖2～圖4所示。

3.2 結果分析

（1）焊接完成后，對管道焊縫區域進行了100%VT、100%RT和100%PAUT檢測，無損檢測結果根據中俄雙方驗收標準評判均為合格。

（2）機械性能試驗結果顯示，焊接接頭的抗拉強度均超過640 MPa，高于母材標準規定的下限值，且斷裂位置均在母材，表明接頭的拉伸性能合格。

（3）進行了180°導向彎曲試驗，通過不同位置的8個試樣結果可知，彎曲面上的任一裂紋尺寸均不大于3.0 mm，邊緣上的裂紋長度均小于6.0 mm，根據中俄雙方驗收標準均為合格。

（4）因俄方標準未要求刻槽錘斷試驗，故該試驗按照中方標準執行。由試驗結果可知，4個試樣均滿足Q/SYGD 0503.12-2016的驗收要求。

（5）因管道壁厚較大，按照標準要求，夏比沖擊韌性試驗分別從焊縫上部和下部截取試樣，焊縫及熔合線的低溫（-40 ℃）沖擊韌性均滿足中俄雙方驗收標準。但是，從沖擊韌性數據來看，存在一定的離散性，且焊縫中心下部分焊道的沖擊韌性值相對偏低，這表明焊接工藝的穩定性方面還需進一步提高。

（6）宏觀試樣的焊縫成形良好，焊道焊層數滿足最低要求，不存在任何未熔合、氣孔等缺陷，焊接接頭硬度值均小于280 HV10，且分布均勻、離散性小，接頭性能符合中俄雙方標準驗收要求。

4 現場應用效果

（1）焊接工效。本焊接工藝成功用于中俄東線黑龍江穿越工程盾構隧道內的管道焊接，管道規格均為φ1 420×33.4 mm，經現場統計，每道焊口的平均焊接時間為8.5 h，是全手工焊焊接速度的3～4倍。

（2）焊接一次合格率高，成形美觀。經統計，盾構隧道內共計安裝了209道焊口，均采用100%RT+100%PAUT檢測，焊接一次合格率達到95.2%，且焊縫外觀成形美觀，焊道余高均勻，幾乎未見表面缺陷。

（3）經濟效益顯著。因中俄東線黑龍江穿越工程為小斷面盾構隧道施工，施工人員無法進入隧道內部進行管道安裝，只能在豎井內采用非流水作業方式進行管道焊接，且管道焊接處在整個項目工期的關鍵路徑上。通過本焊接工藝的成功實施，2018年10月27日項目的全部管道焊接工作完成，較合同工期提前了23天，經濟效益明顯。

5 結論

（1）К65鋼具有良好的可焊性，符合相關工程標準要求。

（2）對К65管道開展了STT半自動根焊+CRC M300C全自動填充蓋面的焊接工藝研究，通過合理選擇焊接方法、焊接設備、焊接材料和焊接工藝參數，對焊縫進行了一系列工藝試驗。工藝評定結果顯示，該工藝能同時滿足中俄驗收標準要求。

（3）通過中俄東線黑龍江穿越工程實踐，GMAW（STT-Ⅱ）+FCAW-G（CRC-M300C）組合焊接工藝，具有焊接工效相對較高、焊接一次合格率高、經濟效益顯著等特點。這為小斷面盾構隧道內大口徑長輸管道安裝提供了經驗借鑒。

參考文獻：

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