中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司(廊坊市 065000)
王魯君 黃福祥靳海成 劉全利
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長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊與檢測(cè)技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展
中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司(廊坊市 065000)
王魯君 黃福祥靳海成 劉全利
隨著中國(guó)長(zhǎng)輸管道建設(shè)的技術(shù)進(jìn)步,自動(dòng)焊技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可,也受到了管道建設(shè)業(yè)主及施工企業(yè)的高度關(guān)注。將結(jié)合工程常用的自動(dòng)焊技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析,并對(duì)未來(lái)的發(fā)展作出了預(yù)測(cè)。
自動(dòng)焊工藝 全自動(dòng)超聲檢測(cè)工藝 國(guó)產(chǎn)全自動(dòng)超聲檢測(cè)設(shè)備
在中國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的大背景下,對(duì)石油、天然氣長(zhǎng)輸管道的建設(shè)質(zhì)量和效率提出了更高的要求。隨著中俄原油二線(xiàn)工程、陜京四線(xiàn)工程、中靖聯(lián)絡(luò)線(xiàn)工程的開(kāi)工建設(shè),中國(guó)的管道建設(shè)又掀起了新一輪的小高峰。針對(duì)這幾條長(zhǎng)輸管道的焊接施工,業(yè)主明確要求施工單位在環(huán)焊縫焊接和檢測(cè)環(huán)節(jié)上要以全位置自動(dòng)焊和全位置自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)為主,拉開(kāi)了長(zhǎng)輸管道全位置自動(dòng)焊和全位置自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)全面推廣應(yīng)用的序幕。
管道全位置自動(dòng)焊以其焊接質(zhì)量好、焊接效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、操作簡(jiǎn)單、焊接工藝管控容易等優(yōu)點(diǎn),得到了國(guó)內(nèi)外管道建設(shè)業(yè)主的一致認(rèn)可。國(guó)外歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的長(zhǎng)輸管道建設(shè)均以自動(dòng)焊為主,中國(guó)的長(zhǎng)輸管道建設(shè)已經(jīng)開(kāi)始從自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊為主向以自動(dòng)焊焊接為主的方向轉(zhuǎn)變。
長(zhǎng)輸管道全自動(dòng)焊接技術(shù)是由一整套裝備、焊接工藝及全自動(dòng)超聲檢測(cè)(AUT)組成的一個(gè)相互結(jié)合體,只有三方面的完美配合才能發(fā)揮出其高效的優(yōu)勢(shì)。圖1展示了長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊機(jī)組流水作業(yè)的基本過(guò)程。
圖1 長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊機(jī)組施工示意圖
1.1坡口及加工裝備
中俄原油管道二線(xiàn)、陜京四線(xiàn)及中靖聯(lián)絡(luò)線(xiàn)工程確定的坡口型式如圖2所示。內(nèi)焊機(jī)根焊、外焊機(jī)熱焊、填充和蓋面焊工藝坡口型式如圖2a~2b所示。外焊機(jī)根焊(單面焊雙面成形)、外焊機(jī)填充和蓋面焊工藝坡口形式如圖2c所示。
圖2 坡口形式
長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊對(duì)坡口的精度要求較高,國(guó)內(nèi)外的長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊施工均在施工現(xiàn)場(chǎng)由專(zhuān)用坡口機(jī)進(jìn)行坡口加工。這種坡口機(jī)需要具備管道端面整形能力和坡口仿形機(jī)械加工能力及適應(yīng)管口的形位誤差,如圖3所示。
1.2 內(nèi)焊設(shè)備
內(nèi)焊工藝由同時(shí)具有組對(duì)功能的多焊炬內(nèi)焊機(jī)實(shí)現(xiàn),如圖4所示。由于多焊炬同時(shí)焊接,以D1422管道為例,完成一道焊口的內(nèi)焊僅需要90 s。速度和質(zhì)量是其它方法遠(yuǎn)不可及的,是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外大口徑長(zhǎng)輸管道焊接施工最主要的根焊工藝。
圖3 CPP900-FM管端坡口整形機(jī)
圖4 CPP900-IW多焊炬內(nèi)焊機(jī)
1.3 外焊設(shè)備
外焊系統(tǒng)主要由焊接電源、控制系統(tǒng)、焊接小車(chē)及環(huán)形軌道組成,如圖5所示。主要有單焊炬和雙焊炬兩種形式。
圖5 外焊機(jī)系統(tǒng)配置示意圖
1.3.1單焊炬外焊機(jī)
1.3.1.1單焊炬外根焊機(jī)
單焊炬外根焊機(jī)是一種從管道外部焊接根焊道的單面焊雙面成型工藝的設(shè)備,以PWT公司的產(chǎn)品為代表(圖6)。外部根焊對(duì)坡口的精度、錯(cuò)邊量和鈍邊要求嚴(yán)格,否則內(nèi)部容易出現(xiàn)內(nèi)凹、未焊透或燒穿現(xiàn)象,此種焊接工藝在國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)用較少。
圖6 PWT公司單焊炬外根焊機(jī)
1.3.1.2單焊炬外焊機(jī)
此種設(shè)備比較多,主要用于焊道的熱焊、填充焊和蓋面焊。一般具有平特性或脈沖特性的單焊炬自動(dòng)焊設(shè)備均能滿(mǎn)足要求。
在有些管道自動(dòng)焊工藝組合中,單焊炬主要用于熱焊層的焊接,熱焊是為了防止根部冷裂紋和避免電弧燒穿,而在根焊完成后快速進(jìn)行焊接的第二層焊道。為了達(dá)到熱焊層的目的,一般都嚴(yán)格規(guī)定熱焊開(kāi)始與根焊結(jié)束的最大時(shí)間間隔。
1.3.2雙焊炬外焊機(jī)
由1臺(tái)小車(chē)攜帶2個(gè)焊炬進(jìn)行填充層和蓋面層焊接的外焊機(jī),為當(dāng)前長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊的主流自動(dòng)外焊設(shè)備。
1.4常用自動(dòng)焊工藝組合的特點(diǎn)
表1為中俄原油二線(xiàn)應(yīng)用的5種典型焊接工藝對(duì)比,由表1可以看出:
(1)內(nèi)焊機(jī)+單焊炬熱焊+雙焊炬填充蓋面工藝為最佳工藝。采用外根焊機(jī)進(jìn)行根焊的兩組工藝,不但焊接參數(shù)適用范圍窄,還需要根焊焊工有良好的技能和經(jīng)驗(yàn)。
表1 中俄原油管道(φ813 mm×14.2 mm×65 mm)二線(xiàn)5種典型焊接工藝對(duì)比
(2)實(shí)心焊絲是自動(dòng)焊用焊接材料的最佳選擇。藥芯焊絲雖然工藝性能較好,但其自身的缺點(diǎn)也使其應(yīng)用受到很大限制,一是需要層間清渣,影響焊接工作效率;二是焊藥中有機(jī)成分的存在,焊縫的沖擊吸收能量較低,對(duì)地質(zhì)條件多變的長(zhǎng)輸管道來(lái)說(shuō),應(yīng)用案例較少。
長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊機(jī)組的施工速度較快,以中俄原油管道二線(xiàn)為例,在平原地區(qū),一個(gè)機(jī)組約焊接焊口數(shù)量可達(dá)60~80道。傳統(tǒng)的射線(xiàn)檢測(cè)方法在速度上已經(jīng)不能滿(mǎn)足自動(dòng)化焊接的要求。20世紀(jì)90年代末,加拿大R/D Tech公司首先將相控陣檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于管道探傷領(lǐng)域,開(kāi)發(fā)了相控陣全自動(dòng)超聲檢測(cè)系統(tǒng)。這種檢測(cè)技術(shù)具有設(shè)備輕便、檢測(cè)速度快、實(shí)時(shí)判定焊接缺陷的特點(diǎn),與自動(dòng)焊的高效率形成了良好的匹配。
全自動(dòng)相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)是在斷裂力學(xué)(ECA)的基礎(chǔ)上采用區(qū)域劃分法將焊縫分成垂直方向上的若干個(gè)區(qū),再由電子系統(tǒng)控制相控陣探頭對(duì)其進(jìn)行分區(qū)掃查(A掃描)。檢測(cè)結(jié)果以雙門(mén)帶狀圖的形式顯示,再輔以TOFD(衍射時(shí)差法)和B掃描功能,對(duì)焊縫進(jìn)行分析、判斷。全自動(dòng)相控陣超聲儀在國(guó)外已被廣泛應(yīng)用于管道環(huán)焊縫的檢測(cè)。
圖7是全自動(dòng)超聲分區(qū)掃查結(jié)果在計(jì)算機(jī)上的實(shí)時(shí)顯示。圖8則是全自動(dòng)超聲分區(qū)掃查原理圖。圖8b中黃色的標(biāo)塊為發(fā)射晶片。由于實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)快速檢測(cè)和判定缺陷,使長(zhǎng)輸管道全位置自動(dòng)焊的整體效率得到了保障。
圖7 焊縫檢測(cè)圖
(a)AUT串列掃查圖
圖8 區(qū)域劃分和角度配置圖
3.1焊接電源的數(shù)字化和智能化水平低
國(guó)產(chǎn)焊接電源不能滿(mǎn)足大口徑管道全位置自動(dòng)焊對(duì)焊接電弧精確控制的要求。國(guó)外的高端數(shù)字電源普遍利用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電弧和焊接材料熔化過(guò)渡的精確控制(圖9),并可針對(duì)用戶(hù)的母材和焊接材料“量身訂做”專(zhuān)用的焊接參數(shù)存貯于專(zhuān)家系統(tǒng)。這對(duì)工藝性要求很高的管道全位置自動(dòng)焊接非常重要。
3.2管道全位置自動(dòng)焊機(jī)成套設(shè)備的性能與國(guó)外存在一定差距
國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了各種管徑自動(dòng)焊的系列化裝備,而國(guó)產(chǎn)全位置自動(dòng)焊機(jī)還處于大規(guī)模推廣應(yīng)用的初期,在機(jī)械設(shè)計(jì)和智能控制方面與國(guó)外成熟產(chǎn)品均有一定差距。
圖9 焊接電弧過(guò)程精確控制示意圖
3.3高端管道焊接材料不成熟
高鋼級(jí)管道全位置焊絲對(duì)化學(xué)成份和工藝性的要求非常嚴(yán)格。由于以前沒(méi)有足夠的市場(chǎng)需求,國(guó)產(chǎn)管道全位置自動(dòng)焊焊接材料的研發(fā)也缺乏充分的投入。產(chǎn)品與國(guó)外產(chǎn)品有一定差距,特別是在工藝性方面,如飛濺大、鐵水的流動(dòng)性不好、不同批次性能差異大等。目前,奧地利伯樂(lè)、意大利飛樂(lè)等國(guó)外公司的焊絲為主流產(chǎn)品,價(jià)格十分昂貴。
3.4國(guó)內(nèi)沒(méi)有自己的焊接接頭性能評(píng)價(jià)體系
在焊接接頭最低沖擊吸收能量指標(biāo)和焊接缺陷容限方面沒(méi)有自己的評(píng)價(jià)體系,目前使用的是API1104的相關(guān)準(zhǔn)則。更大的問(wèn)題是焊接標(biāo)準(zhǔn)的制定者為了安全等因素的考慮,使焊接接頭最低沖擊吸收能量指標(biāo)和焊接缺陷容限在國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上更加嚴(yán)格,導(dǎo)致了焊接施工中的一些不必要返工和浪費(fèi)。這也是急需解決的問(wèn)題。
3.5全自動(dòng)超聲檢測(cè)尚不能實(shí)現(xiàn)缺陷的三維成像
圖10 超聲檢測(cè)三維成像技術(shù)
隨著中國(guó)人口紅利的逐漸消失以及國(guó)內(nèi)工業(yè)產(chǎn)業(yè)從追求規(guī)模和速度向追求質(zhì)量和效率方向轉(zhuǎn)型進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)整體升級(jí)的的大方向,管道焊接從以焊條電弧焊為主轉(zhuǎn)向以自動(dòng)焊為主已經(jīng)是必然的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)應(yīng)用比例完全可以由目前的40%左右的水平在未來(lái)十年內(nèi)甚至更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到發(fā)達(dá)國(guó)家80%的水平。面對(duì)機(jī)遇與挑戰(zhàn),應(yīng)從以下兩個(gè)方面來(lái)思考今后的工作。
4.1 技術(shù)層面
4.1.1 加大投入,研發(fā)高端焊接電源
目前,中國(guó)焊接電源生產(chǎn)企業(yè)低水平、同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。對(duì)投入大、研發(fā)周期長(zhǎng)、技術(shù)含量高的高端數(shù)字化焊接電源大多望而卻步,而率先突破這一瓶頸的企業(yè)必然獲得豐厚和長(zhǎng)遠(yuǎn)的回報(bào)。目前國(guó)外管道全位置自動(dòng)焊設(shè)備生產(chǎn)公司主要采用兩種方案:一種是自主開(kāi)發(fā),如PWT,MAGNITECH;另一種是定制,如CRC公司采用Fronius公司的電源,目前采用后一種方案為宜。
4.1.2 以歐美企業(yè)為標(biāo)桿,研制高精度全位置自動(dòng)焊裝備
歐美管道全位置自動(dòng)焊設(shè)備制造企業(yè)的產(chǎn)品無(wú)論在機(jī)械設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量和精度及智能化水平方面都明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品。前提是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和技術(shù)升級(jí)方面要做到注重每一個(gè)細(xì)節(jié),確保系統(tǒng)的可靠性。
4.1.3立足長(zhǎng)遠(yuǎn),自主研發(fā)新型全位置自動(dòng)焊設(shè)備
在學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,還要爭(zhēng)取在自動(dòng)焊領(lǐng)域自主實(shí)現(xiàn)新的突破。
目前對(duì)VO2薄膜相變特性的研究多是關(guān)注其在紅外波段的透過(guò)率變化情況,如田野等[24]利用脈沖激光輻照薄膜測(cè)試其光限幅效應(yīng);李宏哲[25]、駱永全等[26]分別研究了納秒脈沖激光和連續(xù)激光輻照薄膜的相變特性.也有報(bào)道對(duì)具有特殊結(jié)構(gòu)的VO2進(jìn)行了研究,如俞曉靜[27]、孫瑤[28]等研究了VO2納米點(diǎn)陣的紅外光學(xué)特性,而同時(shí)針對(duì)薄膜相變前后的透過(guò)率、反射率變化情況與薄膜厚度、入射激光波長(zhǎng)等因素的研究鮮有報(bào)道.
(1)研發(fā)智能化程度更高的管道全位置自動(dòng)焊設(shè)備。目前的全位置自動(dòng)焊設(shè)備對(duì)坡口的質(zhì)量和組對(duì)精度要求非常高,而現(xiàn)場(chǎng)由于諸多因素的影響,有相當(dāng)數(shù)量的焊縫無(wú)法滿(mǎn)足自動(dòng)焊的要求。因此,需要研制智能化程度更高的焊機(jī)來(lái)滿(mǎn)足不規(guī)則坡口的焊接需要。
(2)研制高效激光電弧復(fù)合全位置自動(dòng)焊機(jī)(圖11)。該技術(shù)利用激光一次穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn),結(jié)合熔化極氣體保護(hù)焊保證焊縫獲得足夠的熱輸入,實(shí)現(xiàn)較大壁厚管道高效焊接。雙焊炬外焊機(jī)一次填充厚度最大為6 mm。目前,全位置激光復(fù)合焊在實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)可以一次完成10 mm的厚度,可代替2個(gè)工位的雙焊炬外焊機(jī),經(jīng)濟(jì)性已不是大問(wèn)題,還有提升空間,前景十分樂(lè)觀。
圖11 管道全位置激光復(fù)合焊
4.1.4研發(fā)高端焊接材料
焊接材料企業(yè)要從兩方面入手,一是加大產(chǎn)品配方(冶金成分)的研發(fā);二是與生產(chǎn)工藝先進(jìn)、質(zhì)量穩(wěn)定的鋼廠合作,確保原材料的品質(zhì)和質(zhì)量的穩(wěn)定性。
4.1.5加強(qiáng)全自動(dòng)化超聲檢測(cè)技術(shù)和裝備的研發(fā)
在不斷完善二維檢測(cè)技術(shù)和裝備的基礎(chǔ)上,研發(fā)三維自動(dòng)超聲檢測(cè)技術(shù)和裝備,進(jìn)一步提高國(guó)內(nèi)檢測(cè)效率和質(zhì)量評(píng)定水平。
4.1.6 建立焊接接頭評(píng)價(jià)體系,提高焊接和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)水平
中國(guó)的焊接標(biāo)準(zhǔn)多等效或等同采用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)有自己的理論體系來(lái)支撐標(biāo)準(zhǔn)中的重要數(shù)據(jù)、準(zhǔn)則和規(guī)定。多數(shù)研究只針對(duì)具體的對(duì)象,而對(duì)焊接接頭的普遍規(guī)律性缺乏認(rèn)識(shí)和具體成果。在研發(fā)追求焊接產(chǎn)品高度的同時(shí),國(guó)內(nèi)焊接基礎(chǔ)研究也要更有深度,需盡快制定出自己的焊接標(biāo)準(zhǔn)。
4.2 行業(yè)層面
4.2.1轉(zhuǎn)變發(fā)展模式
要從追求規(guī)模的“大而全”模式,向追求質(zhì)量的“高精尖”模式轉(zhuǎn)變,使企業(yè)從低成本向差異化發(fā)展轉(zhuǎn)變,形成良性循環(huán)。
4.2.2改變創(chuàng)新模式
由于實(shí)現(xiàn)焊接產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)需要人才和資金的高強(qiáng)度投入,任何企業(yè)或研究院所單獨(dú)行動(dòng)都難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo),必須通過(guò)產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的方式,優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合,通過(guò)共同的努力,采用與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)對(duì)標(biāo)的方式,集中企業(yè)內(nèi)外部資源,突破技術(shù)瓶頸,將技術(shù)水平提高到國(guó)際一流的層次。
4.2.3制定產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線(xiàn)圖及解決方案
充分發(fā)揮行業(yè)組織作用,組織各單位制定管道全位置自動(dòng)焊從焊接電源、自動(dòng)焊設(shè)備、焊接材料、自動(dòng)檢測(cè)、接頭評(píng)價(jià)等為主要節(jié)點(diǎn)的技術(shù)路線(xiàn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)均由企業(yè)牽頭,學(xué)?;蜓芯吭核鶇⑴c,通過(guò)共同的努力,全面解決管道全自動(dòng)焊接各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)整體技術(shù)升級(jí)。
4.2.4形成國(guó)際化思維
自主研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化并不意味著什么問(wèn)題都由自己解決。很多技術(shù)難題對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)來(lái)說(shuō)已經(jīng)是普通的技術(shù),難以制造的基礎(chǔ)部件對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)已經(jīng)是普通的產(chǎn)品。國(guó)際合作和國(guó)際采購(gòu)是快速提升國(guó)內(nèi)自動(dòng)焊技術(shù)水平和產(chǎn)品性能的一種重要途徑。
中國(guó)長(zhǎng)輸管道施工經(jīng)歷了低氫型焊條上向焊、纖維素焊條下向焊、自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊到全自動(dòng)焊施工的發(fā)展歷程,通過(guò)實(shí)踐證明全自動(dòng)焊焊接接頭的力學(xué)性能及焊接效率明顯優(yōu)于其它焊接方法焊接的接頭。結(jié)合《中國(guó)制造2025》發(fā)展規(guī)劃,長(zhǎng)輸管道全自動(dòng)焊裝備(坡口機(jī)、內(nèi)焊機(jī)、單焊炬外焊機(jī)和雙焊炬外焊機(jī))、全自動(dòng)超聲檢測(cè)設(shè)備及其配套的焊接技術(shù)及檢測(cè)技術(shù)都需要有長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步,以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道的飛速發(fā)展。
王魯君,1963年出生,教授級(jí)高級(jí)工程師,中國(guó)焊接協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng),中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司副院長(zhǎng)、黨委書(shū)記,油氣管道輸送安全國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室副主任。主要從事管道自動(dòng)焊技術(shù)和裝備研發(fā)和制造工作。2005年,獲得國(guó)家一級(jí)建造師執(zhí)業(yè)資格;2007年,獲得教授級(jí)高級(jí)工程師資格;同年,被華北石油管理局評(píng)為石油化工工程一級(jí)技術(shù)專(zhuān)家;2010年,獲得管道局技術(shù)專(zhuān)家稱(chēng)號(hào)。曾參加和組織了燕山石化、華北石化、大慶煉化等的多套煉油化工裝置和西氣東輸管道、中緬管道等多項(xiàng)工程的施工和技術(shù)管理工作,并在國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)出大型儲(chǔ)罐雙面自動(dòng)焊機(jī),在中石油建設(shè)企業(yè)中率先引進(jìn)煉化工藝管道工廠化生產(chǎn)技術(shù)。為滿(mǎn)足西氣東輸二線(xiàn)等工程的需要,主持完成了D1219和D1422大型冷彎?rùn)C(jī)的研發(fā)并成功應(yīng)用,填補(bǔ)了中國(guó)大型冷彎管機(jī)制造的空白。目前,主持中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司《重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/試驗(yàn)基地建設(shè)及前瞻性研究》和河北省重大科研成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目《雙焊炬管道全位置自動(dòng)焊機(jī)研發(fā)及成果轉(zhuǎn)化》課題。已發(fā)表論文14篇,已發(fā)表著作1部,已編制國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)各1部,并獲得專(zhuān)利3項(xiàng)。
2016-10-12
TG457