袁澤浩，李廣超，解慶生

(北京興油工程項(xiàng)目管理有限公司,北京 100089)

0 前言

隨著京津冀一體化進(jìn)程的快速推進(jìn)及京津冀地區(qū)“煤改氣政策”的實(shí)施，京津冀地區(qū)天然氣用量逐年增加。為提高天然氣運(yùn)輸效率的同時(shí)保證管道的安全性，長(zhǎng)輸管道工程用管逐步向大口徑、高鋼級(jí)和大壁厚發(fā)展[1]。從2000年至今，長(zhǎng)輸管道工程歷經(jīng)了設(shè)計(jì)壓力從6.4 MPa提升至10 MPa以上；施工用管鋼級(jí)從X60逐漸提升至X70和X80；管徑從φ508～φ813 mm提升至φ1 219～φ1 422 mm；壁厚從6～12 mm提升至30 mm以上的過程[2]。管徑和壁厚的提升增大了焊接工程量，手工焊的功效越來越無法適應(yīng)工程進(jìn)度的要求，與此同時(shí)自動(dòng)焊技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，并越來越廣泛的應(yīng)用在長(zhǎng)輸管道建設(shè)之中。管道自動(dòng)焊接施工形成的環(huán)焊縫是管道質(zhì)量控制的重點(diǎn)[3-4]，其受多種因素影響可能會(huì)產(chǎn)生層間未熔、未焊透、密集氣孔等缺陷或缺欠[5]，這些缺陷(欠)大多可由AUT(全自動(dòng)超聲檢測(cè))和RT(射線檢測(cè))等無損檢測(cè)方法識(shí)別出來[6]。然而，由于熱輸入超標(biāo)等原因造成的焊接接頭晶粒異常長(zhǎng)大等組織缺陷則大多只能依靠力學(xué)性能試驗(yàn)來驗(yàn)證，所以制定良好的焊接工藝參數(shù)是提高焊接質(zhì)量的重要一環(huán)。

某LNG接收站項(xiàng)目外輸管道工程全長(zhǎng)超200 km，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，主線路涉及X80，X70兩種材質(zhì)鋼管，X80管道外徑為φ1 219 mm，設(shè)計(jì)壁厚為27.5 mm和22 mm；X70管道外徑為φ1 016 mm，設(shè)計(jì)壁厚為26.2 mm。在該項(xiàng)目主線路焊接過程中運(yùn)用了CRC-Evans，熊谷、CPP，RMS等多個(gè)品牌及型號(hào)的自動(dòng)焊設(shè)備，其中某研究院研制的CPP900-IW48內(nèi)焊機(jī)與新開發(fā)的CPP900-W2N雙焊炬自動(dòng)外焊設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)化的組合應(yīng)用，開工7個(gè)月內(nèi)，該項(xiàng)目累積采用CPP900焊接系統(tǒng)完成了1 021道焊口的焊接工作，綜合一次合格率達(dá)到95.4%。文中淺析了CPP900自動(dòng)焊設(shè)備在本項(xiàng)目采用的部分焊接工藝，并對(duì)其焊接得到的環(huán)焊縫開展了力學(xué)性能測(cè)試，以期為該型號(hào)設(shè)備后續(xù)的工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 CPP900-IW48內(nèi)焊機(jī)

CPP900-IW48內(nèi)對(duì)口器/內(nèi)焊機(jī)主要負(fù)責(zé)管道焊接流水作業(yè)的根焊工序，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其包括了搭載8臺(tái)焊槍的焊接單元(如圖2所示)、用于管道組對(duì)的漲緊組對(duì)單元、供電單元、供氣單元及行進(jìn)控制單元等。該內(nèi)焊機(jī)結(jié)合了三點(diǎn)同步定位技術(shù)、智能控制技術(shù)及同步漲緊技術(shù)等管道組對(duì)技術(shù)，可保證管道內(nèi)部組對(duì)的精準(zhǔn)性及同步性。根焊工序過程穩(wěn)定，搭接合理準(zhǔn)確，可在短時(shí)間內(nèi)完成大口徑管道全位置根焊焊接。

圖1 CPP900-IW48內(nèi)對(duì)口器/內(nèi)焊機(jī)

圖2 內(nèi)對(duì)口器/內(nèi)焊機(jī)漲緊組對(duì)單元和單個(gè)焊槍

焊接過程中，內(nèi)焊機(jī)將整個(gè)環(huán)焊縫劃分為左右兩個(gè)半圓各180°，每個(gè)半圓部分被進(jìn)一步劃分成角度為45° 的4個(gè)分區(qū)域。處在左側(cè)半圓的1～4號(hào)焊槍首先起弧，每臺(tái)各負(fù)責(zé)45°分區(qū)域的焊接，焊接至相應(yīng)位置收弧停止焊接，5～8號(hào)焊炬負(fù)責(zé)焊接右側(cè)半圓的180° 焊口，其工作狀態(tài)與1～4號(hào)焊炬一致。

2 CPP900-W2N自動(dòng)焊設(shè)備

CPP900-W2N管道全位置雙焊炬自動(dòng)焊設(shè)備是新一代基于數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)焊設(shè)備，是中國第三代管道全位置自動(dòng)焊機(jī)的代表。相較于上一代自動(dòng)焊設(shè)備，CPP900-W2N雙焊槍外焊機(jī)系統(tǒng)有效的提升了各種數(shù)字信號(hào)處理算法運(yùn)行速度，在原有器件基礎(chǔ)上增加了門電路數(shù)量，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制與焊縫跟蹤的深度融合，保證焊縫跟蹤精度及跟蹤效果，使其焊接控制的精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性及焊接質(zhì)量都有了顯著地提高；同時(shí)其體積、質(zhì)量都有所減小，更易搬運(yùn)和存放。其主要用于長(zhǎng)輸油氣管道焊接施工過程中內(nèi)焊機(jī)根焊工序后的熱焊、填充及蓋面焊等焊接作業(yè)。

CPP900-W2N自動(dòng)焊系統(tǒng)包括機(jī)械部分、智能控制部分和焊接電源。機(jī)械部分包括：焊接小車、導(dǎo)向軌道；智能控制部分主要包括：主控單元、信號(hào)處理單元、角度傳感單元、動(dòng)力單元、手持操作單元、焊接電源控制單元及觸控單元等。其可以配制焊縫跟蹤設(shè)備，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)，精準(zhǔn)控制焊接電流、電弧電壓、焊接速度、送絲速度、焊槍擺寬、擺動(dòng)時(shí)間和邊緣停留時(shí)間等；其焊接電源為AOTAI Pulse MIG-500，采用混合氣體(Ar+CO2)保護(hù)焊、實(shí)芯焊絲下向焊工藝，完成管道全位置自動(dòng)焊接。

3 CPP900自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接工藝

CPP900雙焊槍自動(dòng)焊系統(tǒng)包括用于根焊的CPP900-IW48內(nèi)對(duì)口器/內(nèi)焊機(jī)，以及完成熱焊層焊接和填充蓋面焊的設(shè)備CPP900-W2N。

3.1 坡口形式和焊道設(shè)計(jì)

較高的焊接殘余應(yīng)力可能誘發(fā)管道焊縫的應(yīng)力腐蝕開裂等危害[7]，焊道數(shù)量的增加有利于減少峰值殘余應(yīng)力，全自動(dòng)焊接工藝的使用也減少了可能發(fā)生位錯(cuò)增加導(dǎo)致的高應(yīng)力區(qū)[8]。以壁厚22 mm的坡口圖樣為例，該工程主線路直管段焊接采用復(fù)合型坡口，焊道設(shè)計(jì)為8層9道焊，坡口形式如圖3a所示，焊道順序圖如圖3b所示，坡口參數(shù)見表1。

圖3 焊接接頭圖

表1 焊接接頭坡口參數(shù)

3.2 X80管線鋼的焊接工藝參數(shù)

該章節(jié)以管徑為φ1 219 mm，壁厚為22 mm的X80管線鋼焊接為例，給出CPP900自動(dòng)焊設(shè)備焊接工藝(GMAW)參數(shù)。焊接用母材的化學(xué)成分見表2，采用圖3的坡口形式進(jìn)行焊接。焊前預(yù)熱溫度為100～150 ℃，預(yù)熱方式為電感應(yīng)加熱或電加熱。層道間溫度為65～150 ℃。其他具體焊接工藝參數(shù)見表3。

表2 該工程所用X80管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 X80管線鋼CPP900自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接工藝(GMAW)參數(shù)

針對(duì)所用鋼材和設(shè)備，根焊焊絲選用BOEHLER SG3-P(AWS A 5.18, ER70S-G)，焊絲直徑φ0.9 mm，所用保護(hù)氣體為80% Ar+20% CO2，采用短路過渡方式；根焊完成后，與熱焊開始間隔時(shí)間小于15 min，熱焊焊絲為BOEHLER SG8-P(AWS A 5.28, ER80S-G)，焊絲直徑φ1.0 mm，所用保護(hù)氣體為80% Ar+20% CO2，采用滴狀過渡方式；填充焊及蓋面焊焊絲為BOEHLER SG8-P(AWS A 5.28, ER80S-G)，焊絲直徑φ1.0 mm，所用保護(hù)氣體為80% Ar+20% CO2，采用滴狀過渡方式。進(jìn)行前幾道填充焊時(shí)，外焊機(jī)兩個(gè)焊槍一前一后分布并先后起弧，一次焊接可完成兩層焊道，前一道焊接的余熱可作為下一道焊接的預(yù)熱，最后一道填充焊則采用單焊槍填充。蓋面焊時(shí)外焊機(jī)兩個(gè)焊槍呈左右分布，一次完成單層兩道焊。

4 CPP900自動(dòng)焊系統(tǒng)X80管線鋼焊接接頭性能

對(duì)采用CPP900自動(dòng)焊設(shè)備焊接的環(huán)焊縫，經(jīng)無損檢測(cè)合格后，根據(jù)GB/T 31032—2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》及項(xiàng)目相關(guān)設(shè)計(jì)文件開展力學(xué)性能和宏觀金相試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容及試樣數(shù)量包含拉伸試樣4個(gè)、刻槽錘斷試樣4個(gè)、背彎試樣4個(gè)、側(cè)彎試樣8個(gè)、-10 ℃夏比沖擊試樣36個(gè)、全焊縫拉伸試樣2個(gè)、硬度試樣1個(gè)及宏觀金相試樣3個(gè)。

4個(gè)拉伸試樣均為橫向矩形試樣，斷裂位置都處于母材區(qū)，抗拉強(qiáng)度分別為690 MPa，705 MPa，709 MPa和716 MPa。全焊縫拉伸試驗(yàn)采用棒狀試樣，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線得到2個(gè)試樣屈服強(qiáng)度分別為667 MPa和656 MPa、抗拉強(qiáng)度分別為720 MPa和713 MPa、斷后伸長(zhǎng)率分別為21.5 %和22.5 %。以上兩類試驗(yàn)結(jié)果均滿足驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

在-10 ℃夏比沖擊試驗(yàn)中，缺口位置分別開在焊縫中心(WZ)和熔合線(FZ)上，缺口類型為V形，取樣位置分別為平焊位置、立焊位置及仰焊位置的內(nèi)外兩個(gè)表面，沖擊試驗(yàn)溫度為-10 ℃，沖擊吸收能量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為單值不小于38 J，平均值不小于50 J。試驗(yàn)結(jié)果見表4，沖擊吸收能量結(jié)果如圖4所示，試驗(yàn)結(jié)果表明試樣抗沖擊性能合格。

圖4 各取樣位置沖擊吸收能量

表4 X80管線鋼焊接接頭-10 ℃夏比沖擊試驗(yàn)結(jié)果

刻槽錘斷試驗(yàn)采用三面刻槽形式，4個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果均為未見明顯缺欠；在側(cè)彎和背彎試驗(yàn)中，彎心直徑均為90 mm，彎曲角度均為180°，試驗(yàn)結(jié)果顯示均未見明顯裂紋和缺欠；將平焊位置、立焊位置及仰焊位置的3段焊接接頭截面打磨、拋光及浸蝕后觀察宏觀金相，其結(jié)果清晰顯示8層9道焊，通過宏觀金相觀察未見明顯缺欠。

維氏硬度試驗(yàn)(HV10)的試驗(yàn)結(jié)果見表5，即使是硬度最大的焊縫區(qū)，最大硬度也未超過270 HV10，根據(jù)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)“焊縫根焊道不小于300 HV10，其他位置不小于325 HV10”，試樣硬度滿足要求。

表5 X80管線鋼焊接接頭維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 HV10

5 結(jié)論

采用CPP900自動(dòng)焊設(shè)備焊接高鋼級(jí)、大管徑、大壁厚的管線鋼，環(huán)焊縫成形良好，接頭的力學(xué)性能指標(biāo)均滿足驗(yàn)收規(guī)范要求，刻槽錘斷、彎曲及宏觀金相試驗(yàn)均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋及缺欠。