石 昕,吳立斌,楊 燕
(川慶鉆探工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610051)
天然氣工業(yè)中每年有大量的天然氣處理場站需要建設(shè),其中80%工作量是工藝管道焊接。天然氣場站屬于高壓、有毒、易燃易爆、裝置密集與人員密集場所,對質(zhì)量有更高的要求。選擇合適的焊接方法和工藝是影響焊接質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素,既有利于提高焊接質(zhì)量,又能夠節(jié)約大量的成本。
針對目前國內(nèi)主要的氬電聯(lián)焊與金屬粉芯根焊+半自動自保護(hù)焊填蓋、全金屬粉芯焊接進(jìn)行了焊接效率與質(zhì)量對比測試試驗。
采用北京時代科技 WS-400、MPS-500、PipePro 450、PipePro300四種焊接設(shè)備。
采用三種焊接方法:WS-400進(jìn)行氬弧焊根焊+焊條電弧焊填蓋(GTAW+SMAW,上向焊),美國米勒PipePro450/300進(jìn)行可調(diào)金屬過渡根焊(RMD,下向焊)+熊谷MPS500自保護(hù)填蓋(RMD+FCAW-S,下向焊);PipePro 450/300進(jìn)行可調(diào)金屬過渡根焊+精確脈沖氣體保護(hù)焊填蓋(RMD打底+GMAW-P填充蓋面,下向焊;DN200及以下采用上向焊填蓋,DN300及以上采用下向焊填蓋)。焊接坡口采用標(biāo)準(zhǔn)API1104坡口形式,如圖1所示。
圖1 焊接坡口
測試管徑為 φ133 mm×10 mm、φ219 mm×8.74 mm、φ325 mm ×7 mm、φ610 mm ×10 mm,材質(zhì)為L360,焊接標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB41039(等效API1104),每種管徑都進(jìn)行上述三種工藝的焊接,分別記錄了焊接時間和焊接輔助時間。
試件形式為管對接,焊接位置為水平固定,焊機(jī)型號WS-400,焊接方法為GTAW+SMAW,焊接方向為上向焊,坡口角度為單邊30°,鈍邊0.5~1 mm,間隙1.5~2.5 mm,保護(hù)氣體為N2+Ar;室內(nèi)施焊。GTAW根焊+SMAW填蓋焊接工藝如表1所示。
試件形式為管對接,焊接位置為水平固定,焊機(jī)型號Miller Pipepro300+MPS-500,焊接方法為RMD+FCAW-S,焊接方向為下向焊,坡口角度為單邊30°,鈍邊0.5 ~1 mm,間隙 1.5 ~2.5 mm,保護(hù)氣體為CO2+Ar,室內(nèi)施焊。RMD根焊+FCAW-S填焊焊接工藝如表2所示。
對于RMD根焊,焊接電弧時間可達(dá)97%,焊接熔敷效率可達(dá)99%,除了焊接接頭修磨,其余基本不需要做任何處理,包括焊縫表面處理;對于自保護(hù)焊填充蓋面,焊接電弧時間可達(dá)85%,焊接輔助時間主要是焊接接頭修磨、清渣,其中熱焊道由于空間狹小,導(dǎo)致熔渣粘附力緊密,焊接電弧時間只有63%;對于蓋面,由于清渣很容易,但6點鐘位置需要對余高超標(biāo)焊縫進(jìn)行修磨,焊接電弧時間可達(dá)90%以上,焊接熔敷效率可達(dá)85%以上。
試件形式為管對接,焊接位置為水平固定,焊機(jī)型號Miller 300,焊接方法為GMAW,焊接方向為:根焊下向焊,填蓋φ219 mm及以下上向焊,φ325 mm及以上下向焊;坡口角度為單邊30°,鈍邊0.5 ~1 mm,間隙1.5 ~2.5 mm,保護(hù)氣體為CO2+Ar,室內(nèi)施焊。金屬粉芯RMD根焊+金屬粉芯GMAW-P填蓋焊接工藝如表3所示。
表1 GTAW根焊+SMAW填蓋焊接工藝
表2 RMD根焊+FCAW-S填蓋焊接工藝與效率
表3 金屬粉芯RMD根焊+金屬粉芯GMAW-P填蓋焊接工藝
所有焊縫表面成形良好,層間無渣,所需焊接輔助時間只需要進(jìn)行焊接接頭修磨,焊接時間焊接電弧時間可達(dá)98%以上,并且焊接熔敷效率可達(dá)99%以上,具有很高的焊接經(jīng)濟(jì)性。焊接耗時統(tǒng)計見表4。
表4 焊接耗時統(tǒng)計 h/(口·人)
總用時比較分析(單位:h/(口·人))如表5所示。
表5 焊接效率對比
對于氬弧焊根焊+低氫焊條焊條電弧焊填蓋(GTAW+SMAW),焊縫止裂性良好,擴(kuò)散氫小于等于5 ml,-10℃ CTOD平均大于0.53 mm;對于采用金屬粉芯RMD根焊+自保護(hù)半自動填蓋(RMD根焊+GMAW填蓋),焊縫止裂性一般,-10℃ CTOD平均在0.30~0.35 mm,擴(kuò)散氫為10~12 ml,造成冷裂敏感性較大,且由于晶粒粗大,不適合耐蝕性管道焊接;對于金屬粉芯RMD根焊+精確脈沖填蓋(RMD根焊+GMAW-P填蓋)擴(kuò)散氫小于等于3 ml,-10℃ CTOD均需大于等于0.7 mm,具有良好的止裂性。
對于三種焊接方法分別進(jìn)行300道焊口現(xiàn)場VT、X-RaysRT檢測(檢測標(biāo)準(zhǔn) GB4730),結(jié)果如表6所示。
表6 無損檢測統(tǒng)計 %
三種焊接方法焊接缺陷分析。
表7 三種焊接方法的主要焊接缺陷分析
(1)RMD+GMAW-P效率最高,比傳統(tǒng)方法效率高1~3倍,管徑越大,效率提高越明顯,對于DN600管道,可以提高焊接效率三倍以上,主要優(yōu)點為不需要清渣,焊接輔助時間少,焊縫性能優(yōu)良;RMD根焊+FCAW-S填充蓋面次之,但是抗裂性較差,不適合焊接耐蝕性要求管道;GTAW根焊+SMAW焊接工藝簡單,但是輔助時間長,且焊工難于掌握。
(2)焊接無損檢測質(zhì)量。通過現(xiàn)場300道焊口對比分析,采用GTAW根焊+SMAW填蓋工藝的焊縫外觀質(zhì)量較差,按照余高小于3 mm,基本都需要額外修磨,咬邊嚴(yán)重,射線探傷主要缺陷為氣孔與夾渣;而全金屬粉芯焊接,不僅焊縫機(jī)械性能優(yōu)良,而且無損檢測合格率最高,主要缺陷表現(xiàn)形式是氣孔,其次有輕微層間點狀未熔(標(biāo)準(zhǔn)合格)。
(3)通過對比可以發(fā)現(xiàn),全金屬粉芯焊接對于天然氣場站建設(shè)具有很大優(yōu)勢,采用RMD根焊+GMAW-P填蓋工藝,對于有焊接基礎(chǔ)的焊工,相對于氬弧焊尤其容易掌握,并且根焊厚度是氬弧焊的兩倍,對于DN100的管道,可以提高焊接效率1倍以上,既保證質(zhì)量,又節(jié)約大量人工費用。