关于高钢级管道环焊接头强度匹配的探讨与思考

关于高钢级管道环焊接头强度匹配的探讨与思考

卢锦超 ,杨三,杨崇兴

中核工程咨询有限公司四川分公司  四川 成都 610000

摘要：高强钢管道应用半自动焊工艺存在焊缝金属冲击韧性值不合格和离散，无法通过焊工技能培训和焊材选型实施改进，二者关系还处于研究阶段。自动焊技术精准控制焊接热输入量，焊缝机械性能良好，抗冷裂纹和应力集中开裂性能良好，有效避免焊缝金属冲击韧性离散缺陷。天然气管道自动焊焊接B型套筒已成功进行现场应用，焊缝质量满足规范要求，证明长输管道采用自动焊工艺是可行的。随着长输管道高钢级、大口径、高压力的发展方向，自动控制技术、电弧跟踪技术进步，全自动焊接技术将成为我国长输管道建设的主要施工方法。本文主要分析关于高钢级管道环焊接头强度匹配的探讨与思考。

关键词：管道；焊接；质量；缺陷；大数据

引言

随着社会经济的发展，我国对能源的需求不断增加，油气管道作为石油、天然气的主要输送方式，是当前能源建设的重点，油气管道建设项目控制因素之一就是管道焊接，焊接质量对管道施工质量有着非常直接的影响。因此，提高管道焊接质量控制对于降低管道质量风险，推动我国管道运输行业的发展，保障国民经济发展具有重要的作用。

1、管道焊接质量管理现状

当前管道焊接质量管控主要以人工管理为主，按照焊接的施工工序，从焊接准备阶段、焊接施工阶段、焊后质量检验阶段进行管道焊接质量控制与管理。质量管控往往与管理人员经验和专业水平具有较大的关系，对人员专业性要求较高，劳动强度高，容易引起人员疲劳，影响作业效率与管道焊接质量的评判。随着全自动焊接、智能工地以及大数据、物联网、云计算、人工智能等先进技术的在管道建设中的应用推广，如何应用大数据等先进的科学技术使管道焊接质量进一步提升，为我们提供了新的研究方向。

2、高强钢管道焊接质量影响因素

焊接热输入量是影响焊缝机械性能指标的主要因素。较高热输入量增大焊缝和热影响区区域尺寸，降低焊缝针状铁素体含量比例，加速奥氏体晶粒增长。较低热输入量则利于形成稳定奥氏体-马氏体组织。研究表明如焊接线能量小于58kJ/cm，奥氏体组织晶粒尺寸明显减小；在较大线能量下，焊缝冲击韧性分散性较强。焊接中二次加热作用可能导致热影响区脆化，并影响焊缝和管材机械强度、韧性。以单道焊为例，热影响区靠近熔合界线的奥氏体晶粒尺寸相比母材显著增大、韧性显著降低。针对焊缝粗晶区域，二次加热作用下韧性显著降低且产生局部脆化倾向；针对焊缝细晶区域，二次加热作用下韧性基本保持不变；针对焊缝边缘区域，二次加热作用下相变为马氏体/奥氏体链条状、大尺寸组织，韧性显著降低。如减缓二次加热作用对焊缝金属冲击韧性负面影响，一般做法是冶金工艺中降低铬、铌、钒用以稳定铁素体元素含量，适当改变奥氏体相变温度，以获得较好韧性组织。焊接前预热温度影响冷却速度和焊缝质量稳定性。研究表明，适度提高焊接前预热温度（预热温度至少达到150℃），粗晶区韧性临界断裂值相应提高，在一定程度上提高焊缝抗应力开裂能力。

3、高强钢不同类型焊接试验分析

考虑高强钢管道采用半自动焊工艺热输入量不能精准稳定控制，造成焊缝裂纹扩展以及冲击韧性离散。针对半自动焊工艺与焊缝冲击韧性降低离散的关联关系，还需进一步深入研究。焊缝冲击韧性离散性即与管材冶金工艺、化学元素比例、药芯焊丝制造质量及稳定性有关，也受到现场施工环境温度/湿度条件制约影响。为进一步比选不同焊接工艺的优劣，分别选定X80直缝埋弧焊钢管和螺旋埋弧焊钢管，进行不同类型焊接试验。（1）螺旋埋弧焊钢管焊接工艺评定结论：全自动焊焊缝通过验收；半自动焊焊缝未通过验收；部分手工焊焊缝未通过验收。（2）直缝埋弧焊钢管工艺评定结论：全自动焊焊缝通过验收；手工焊焊缝通过验收；部分半自动焊焊缝冲击韧性未通过验收（集中在V型坡口焊缝不满足规范要求）。通过比选X80高钢级管道焊接技术，自动焊可保证焊接过程工艺参数实时准确控制，焊接热输入量严格限制在焊接规范范围内，既保证环焊缝机械性能满足规范要求，焊缝及热影响区冲击韧性也不会产生离散现象。手工焊通过优选焊丝，可保证焊缝机械性能满足规范要求。半自动焊焊缝韧性不合格离散性大，不能通过焊工技能培训和焊材选型实施改进。

4、焊接工艺要求

对于钢管焊接，建议对根部焊接采用氩弧焊，保证氡室在焊接前受到保护，并确保焊接厚度在合理的数值限制范围内。确保根部焊接的外观正常，并且在进入填充层焊接的下一步骤之前已手动测量并进行了半径检查。钢管的填充层和复盖层通常使用手动电弧焊焊接，从而确保焊接操作的精细程度。氩弧焊操作方法主要采用直流连接，理想电流范围为65 ~ 140 a。与氩弧焊不同，电弧焊使用直流逆变，电流范围通常保持在70 ~ 140 a之间。另一方面，焊道宽度参数需要根据钢管的尺寸和材料进行具体分析，氩弧焊道宽度通常约为8mm，电弧焊道宽度通常设置为直径的三倍必须在48小时内控制整个操作的时间间隔，以防止焊缝因压力过大而变形，并影响后续焊缝效果。熔接完成后，必须对熔接表面进行抛光，直至其平滑且平坦。成型后的焊接具有良好的外观特征，钢管之间的焊接光滑，表面上没有裂纹、空穴、起泡或锈蚀等缺陷。焊接结束时，应直观地检测焊缝点的缺陷，并使用半径进行辅助检测。半小时熔接需要半径检查和复合检查，直至所有熔接完成。焊接过程中，可能会在钢管的预切割边上出现热裂纹。为了保证焊接质量，保证钢管焊接的安全性和可靠性，需要采取有针对性的措施。例如，您可以减小熔接之间的间隙，或使用较小的电流来加快熔接速度。

5、技术改进措施

现场焊接过程中，尽量避免钢复合通道槽预压桩边出现热裂纹，保证安装焊接质量。我们进行了一系列技术改进，取得了显着成果。减少熔接对之间的间隙。启用群组配对后，边之间的间隙不超过0.3mm。为了方便群组配对，会制造特殊的暂时支撑和特殊的凹槽焊接支撑，使焊接群组完全自由。通过减少边之间的间隙(即使用较小的熔胶比)，减少基本金属在焊接金属中所占的比例。焊接时应使用轻电流和快速焊接。在手动填充弧和在盖上焊接时，应尽可能使用小电流和快速焊接，条件是焊接金属的熔炼良好，焊道宽度不超过焊道直径的三倍。这有助于降低熔接痕的能量，并避免熔接分支和熔接痕在过热区域中变粗。严格控制各层之间的温度。在焊接过程中，我们严格控制各层之间的温度，使其在2#机组jep系统振荡管焊接过程中不超过1000C，各层之间的温度仅测量590C，各层之间的温度降低，以避免焊接接头的持续热。严格控制焊缝的变形和收缩。在焊接过程中，安装了一个用于监视的万用表，当管段的一端进行焊接时，另一端派一名特殊人员对整个焊接过程进行监视记录。加工调整管段时，在预装配后保留焊缝收缩以确定管段的位置，将模拟端口作为参照，并在图像中直观地反映焊缝变形。

结束语

综上所述，随着先进技术在各行业的应用，管道大数据的挖掘与分析也逐步发展，但总体上还处于起步阶段，尤其是针对管道焊接质量的大数据分析应用。当前，全自动焊机、智能工地、物联感知等在管道工程建设中的应用，为管道焊接质量大数据分析提供了基础。（1）大数据技术可作为油气管道焊接质量分析中多源、异构、海量数据处理基础技术。（2）大数据技术在油气管道领域中的应用尚处于初步应用阶段，应用需求、数据源整合、数据模型研究等方面还有很大的改进和研究空间。管道焊接质量大数据分析，可实现多源异构海量数据的快速存储、分析，较传统数据应用架构具有独特的优势，对于改变依靠专业人员和历史经验进行焊接质量评估存在的局限性，促进管道智能化建设，具有重要的实际价值。

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