管道下向焊技術(shù)在大興南高壓A調(diào)壓站施工中的應用

摘 要

摘要：本文通過對大興南高壓A調(diào)壓站工程下向焊技術(shù)的介紹，給出了下向焊技術(shù)幾個關(guān)鍵控制點，即下向焊焊機的選擇、下向焊焊接工藝評定及焊接規(guī)程的制定、下向焊焊接缺陷產(chǎn)生的機
摘要：本文通過對大興南高壓A調(diào)壓站工程下向焊技術(shù)的介紹，給出了下向焊技術(shù)幾個關(guān)鍵控制點，即下向焊焊機的選擇、下向焊焊接工藝評定及焊接規(guī)程的制定、下向焊焊接缺陷產(chǎn)生的機理和預防措施。
關(guān)鍵詞：下向焊；焊接材料；焊接設備；焊縫缺陷
1 概述
    管道下向焊技術(shù)是一種比較先進的管道焊接技術(shù)，它是相對于管道焊接中采用“向上焊”焊接工藝而言的。它的焊接電弧自上而下，是一種高效、優(yōu)質(zhì)的焊接工藝方法。主要應用于大直徑管線焊接，是國際上大口徑管線焊接中常用的一種焊接方法[1]。下向焊主要優(yōu)點是：焊接速度快、生產(chǎn)效率高、焊縫成型美觀。下向焊采用單面焊雙面成型技術(shù)，焊縫背面成型飽滿、均勻、電弧吹力大，采用多層焊每層焊肉較薄，可用角磨仔細打磨，焊接質(zhì)量易于控制。相對于上向焊，下向焊焊接材料消耗少，焊條用量降低20%～30%[2]。下向焊工藝在國外應用較早，在我國，比較成熟的下向焊技術(shù)是近十幾年才發(fā)展起來的，在燃氣長輸管線中得到較為廣泛的應用。
2 大興南高壓A調(diào)壓站工程概況
    大興南高壓A調(diào)壓站天然氣進口壓力為4.0MPa，進氣口管道管徑為DN1000，材質(zhì)為X70。天然氣壓力范圍為：3.0MPa～4.0MPa，高壓A天然氣進站后經(jīng)過過濾器過濾后，進入調(diào)壓系統(tǒng)，經(jīng)過調(diào)壓系統(tǒng)后分為3路供給周邊地區(qū)。調(diào)壓站設計負荷為：高壓進口55萬m3/h，輸送至大興區(qū)及周邊地區(qū)。其中大口徑管道主要以DN1000、DN700、DN500為主，焊接量大，且質(zhì)量要求高，在此文中以DN1000管道為例來對下向焊技術(shù)予以闡述。
3 焊接材料及焊接設備的選擇
3.1 焊接材料的選擇
    該工程進氣口管道采用直縫焊接鋼管，管道材質(zhì)為X70。依據(jù)GB/T9711.2-1999《石油天然氣工業(yè)輸送鋼管交貨技術(shù)條件》標準，將其界定為“優(yōu)質(zhì)低合金鋼”。依據(jù)石油天然氣行業(yè)標準SY/T4071-93《管道下向焊焊接工藝規(guī)程》經(jīng)過比較多種焊條的工藝特性，決定采用E6010纖維素焊條，E6010纖維素焊條化學成分及機械性能如表1所示。
    纖維素焊條藥皮中含有30%～50%的有機物，這些有機物具有較強的造氣功能，在焊接高溫作用下，分解并釋放出大量的CO和CO2保護氣體，使熔池不易接觸到空氣中的氧氣而產(chǎn)生氧化物。纖維素焊條的焊渣少，電弧吹力大，可以防止溶液向下流淌，具有較大的焊透能力。一般情況下，纖維素焊條不需要烘干，并且具有單面焊雙面成型的特點。
表1 E6010纖維素焊條化學成分及機械性能
最丈含最(%)
機械性能(Mpa)
C
Si
Mn
P
S
屈服強度
拉伸強度
0.13
0.15
0.44
0.012
0.012
390
470
3.2 焊接設備的選擇
   本次管道焊接采用纖維素型+低氫型下向焊工藝，因此，對電焊機也有一些特殊要求[3]。一般手工電弧焊機難以滿足此焊接工藝要求，特別是小電流下向焊條根焊焊接時。主要的原因是小電流時的短弧、息弧、粘條及過渡熔滴顆粒大和電弧不穩(wěn)。而且，靜外特性陡降程度遠比晶閘管焊機及逆變焊機小。一般情況下，電焊機的動特性問題都不大，主要是靜特性不能滿足要求，要求靜特性曲線自然特性段適當提高，至少50V以上，理想的狀況應該達到60V～70V。另外，纖維素焊條打底焊，當電流小至60A～90A時，極易出現(xiàn)斷弧、息弧粘條及電弧不穩(wěn)的問題。許多生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的可控硅整流或逆變焊機電流在此范圍內(nèi)不連續(xù)，尤其電弧電壓變動幅度大、熔滴頻繁短路時，問題就更加嚴重。普通焊條焊接時不敏感，而纖維素焊條下向焊時特別敏感[4]，因此，所選用的焊機必須有設計合理的控制電路，能增加50A～100A范圍內(nèi)輸出電抗器電感值?；谝陨蠗l件考慮，本項工程焊接設備選用IGBT逆變式ZX7系列直流逆變下向焊專用焊機，該焊機可以對電弧推力進行調(diào)解，能夠滿足施工需要。
4 焊接工藝評定及焊接規(guī)程制定
本次焊接母材：材料標準為API Spec 5L(42版)PSL2及訂單技術(shù)條件，直徑￠1016mm，壁厚17.5mm。焊接材料：焊條標準為AWSA5.1 E6010，焊條牌號、直徑為BOHLER FOXCEL Ø3.2mm。焊敷金屬厚度：根焊2.5mm、其余15.00mm。焊接位置為水平固定(5G)。焊接方向：向下焊。預熱溫度≥100℃；層間溫度≥100℃。焊接電流為直流，極性為正接，焊接電流和電壓如表2所示。焊接速度：根焊為8～10，填充、蓋面為17～25。焊接試樣拉伸試驗、彎曲試驗和沖擊試驗如表3、表4和表5所示。
結(jié)論：本次焊評按照GB50236-98規(guī)定焊接試件，檢驗試樣，測定性能，確認試驗記錄正確，結(jié)果合格。據(jù)此，制定下向焊焊接規(guī)程如表6所示。
表2 焊接工藝評定中的電流和電壓
焊縫層次
電流(A)
電壓(V)
根焊
65～70
24～32
熱焊
170～260
17～19
填充
170～270
18～20
蓋面
170～260
17～19
表3 拉伸試驗
試驗編號
式樣寬度(mm)
試樣厚度(mm)
橫截面積(mm)
斷裂載荷(kN)
抗拉強度(MPa)
斷裂位置和特性
DXNGYA-PQR-01-T1
25.3
17.9
452.87
235
519
焊縫
DXNGYA-PQR-01-T2
25.3
17.9
452.87
238
525
焊縫
表4 彎曲試驗
試樣編號
試樣類型
彎曲半徑
彎曲角度
試驗結(jié)果
DxNGYA-PQR-O1-S1
側(cè)彎
20.00mm
180°
1.00裂紋一處
DXNGYA-PQR-O1-S2
側(cè)彎
20.00mm
180°
無明顯裂紋
DXNGYA-POR-01-S3
側(cè)彎
20.00mm
180°
無明顯裂紋
DXNGYA-PQR-01-S4
側(cè)彎
20.00mm
180°
無明顯裂紋
表5 沖擊試驗
試樣編號
缺口位置
缺口形式
試驗溫度
沖擊功
DXNGYA-PQR-01-C1-1
焊縫
夏比V型
-20℃
186
DXNGYA-POR-01-C1-2
焊縫
夏比V型
-20℃
36
DxNGYA-PQR-01-C1-3
焊縫
夏比V型
-20℃
142
DXNGYA-PQR-01-C2-1
熱影響區(qū)
夏比V型
-20℃
208
DXNGYA-PQR-O1-C2-2
熱影響Ⅸ
夏比V型
-20℃
212
DXNGYA-PQR-01-C2-3
熱影響區(qū)
夏比V型
-20℃
210
表6 焊接規(guī)程
焊縫層次
焊接方法
焊條、焊絲
焊接電流
電弧電壓范圍(V)
焊速(cm/min)
絲速(in./min)
線能量(kJ/cm)
擺動方式
牌號
直徑(mm)
極性
電流(A)
根焊
SMWA
E6010
3.2
DC-
50～75
22～36
8～15
/
4.40～20.25
微擺
填充
FCAW
E71T8-K6
2
DC-
160～260
17～22
20～30
70～120
5.44～17.16
微擺
填允
FCAW
E71T8-K6
2
DC-
160～270
17～22
17～28
70～I20
5.83～20.96
微擺
蓋面
FCAW
E71T8-K6
2
DC-
160～260
17～20
17～25
70～120
6.53～18.35
微擺
5 焊接缺陷的產(chǎn)生機理及應對措施
5.1 焊接缺陷產(chǎn)生機理
    從本工程管線焊接缺陷來看，主要的焊接缺陷為裂紋。此項工程所用管道的材質(zhì)為X70，是一種低合金鋼，而E6010氫含量較高，由于施工在12月中下旬進行，氣溫已比較低，產(chǎn)生裂紋的主要原因有3個：一是鋼種的淬硬性，X70鋼材中碳當量為0.274＜0.4，淬硬傾向比低碳鋼稍微大些，由于焊接時室外氣溫較低，冷卻速度快，焊接過程就會產(chǎn)生大量碳含量較高的馬氏體和貝氏體，而這兩種晶體組織對冷裂紋的敏感性較強，這些組織越多，裂紋產(chǎn)生的可能性就越大，這種晶格缺陷在應力不平衡的條件下，空格和錯位發(fā)生移動和聚集，當達到一定程度時就會形成裂紋源。二是焊接接頭含氫影響，產(chǎn)生氫致裂紋。焊縫中氫主要來源是E6010和環(huán)境濕度，由于外界氣溫低，冷卻速度快，氫來不及逸出，隨著氫含量的增加，焊縫中的氫逐漸處于飽和狀態(tài)，隨著冷卻過程的繼續(xù)，部分氫留在馬氏體中，當應力處于上臨界應力和下臨界應力之間時，組織中的品格會發(fā)生錯位，品格缺陷在前沿形成三向應力區(qū)，誘使氫向該處擴散并聚集，當氫的濃度達到一定程度時，一方面產(chǎn)生較大應力，另一方面阻礙晶格移動而使該處組織變脆，促使缺陷擴展形成裂紋。三是焊接接頭受到拘束力產(chǎn)生裂紋。焊接接頭主要存在3種拘束力：(1)不均勻加熱或冷卻產(chǎn)生的應力所形成的拘束力；(2)金屬相變時組織應力產(chǎn)生的拘束力；(3)焊接接頭本身拘束條件所產(chǎn)生的應力形成的拘束力，比如強力對口產(chǎn)生的拘束力等。這3種應力形成的拘束力到達一定程度之后也會導致焊接接頭裂紋的產(chǎn)生。
5.2 焊接缺陷的應對措施
    通過以上對裂紋產(chǎn)生機理的分析，我們可以看出，要防止焊接裂紋的產(chǎn)生，必須做到：首先，施焊前應先對焊口周圍均勻加熱，預熱溫度應在100℃以上；其次，提高焊口組對水平，避免強力對口產(chǎn)生應力；第三、焊后應進行保溫處理，用保溫材料對焊道保溫，使焊道逐漸冷卻，延長冷卻時間，避免急速冷卻；第四、采取措施，提高施焊環(huán)境的十燥度；第五、優(yōu)化操作工藝、方法，降低焊口組織內(nèi)氫含量，使晶格組織得到優(yōu)化，減少產(chǎn)生裂紋的誘因。經(jīng)過實踐證明，我們所采取的措施是有效的，采取措施后，管道焊接的一次合格率達到99.7%。
6 結(jié)束語
    從大興南高壓A調(diào)壓站進氣口管道焊接工程實例可以看出，在把握好焊接設備選擇、焊接工藝評定及焊接缺陷預防這幾個關(guān)鍵點的條件下，管道下向焊技術(shù)在操作上較為容易，焊接速度快、焊接質(zhì)量好，可以提高施工效率，在城市燃氣管網(wǎng)種，特別是大口徑輸配氣管道中應該得到廣泛應用。
參考文獻：
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(本文作者：史徐武 北京綠源達壓縮天然氣有限公司 100102)