鎳基合金復(fù)合管道焊接工藝的推廣和應(yīng)用

1、鎳基合金復(fù)合管道焊接工藝的推廣和應(yīng)用摘要：鎳基合金復(fù)合鋼管具有良好的韌性、強(qiáng)度，以及耐各種形式腐蝕的性能，目前廣泛應(yīng)用于高壓高含硫氣田施工中。在普光氣田安全隱患排查工程中，原料氣管線全部更換為鎳基合金復(fù)合管道，為提高功效保證焊接質(zhì)量，該工程采用了新的焊接工藝（GTAW+P+MIG），依托本工程進(jìn)行推廣和應(yīng)用。關(guān)鍵字：鎳基復(fù)合管；GTAW+P+MIG；背部充氬保護(hù)裝置；焊接工藝1、簡介鎳基合金復(fù)合材料作為一種新型材料1，其同時兼具低合金鋼的韌性和強(qiáng)度，及鎳基合金全面的耐腐蝕性能，因而在高壓高含硫氣田施工中得到廣泛的應(yīng)用。普光氣田作為高含硫氣田，受條件限制，在建設(shè)初期并未采用鎳基合金材料進(jìn)行施工。

2、在2016年，普光凈化廠原料氣管線安全隱患治理工程中，設(shè)計(jì)將原料氣管線進(jìn)行材質(zhì)升級，將原有管道更換成鎳基合金復(fù)合鋼管（Q245R+N08825），規(guī)格為711×（32+3）mm、610×（28+3）mm、508×（24+3）mm。目前，鎳基合金復(fù)合管道的焊接方法主要有GTAW（打底）+SMAW（填充、蓋面）；TIP TIG焊打底、填充、蓋面。該工程使用的鎳基合金復(fù)合管材，因管徑和基層厚度較大，采用GTAW（打底）+MIG（填充、蓋面）的焊接方法。相比以上兩種方法，該方法具有更高的焊接效率和焊接可靠性。經(jīng)中石化第十建設(shè)公司進(jìn)行焊接工藝評定，焊縫各項(xiàng)性能均滿足設(shè)計(jì)要求

3、。因此，本工程最終確定采用GTAW（打底）+MIG（填充、蓋面）的焊接方法進(jìn)行施工焊接。2、施工機(jī)具準(zhǔn)備（1）焊接設(shè)備氬弧焊：低頻脈沖鎢極氬弧焊（GTAW+P），設(shè)備型號山大奧太WSM-400。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)焊接電流在恒流與脈沖之間的自由調(diào)節(jié)，在選用脈沖電流焊接時，通過調(diào)節(jié)基值、峰值、脈沖頻率以及占空比等參數(shù)，能有效降低焊接熱輸入，獲得性能更優(yōu)的焊縫。MIG焊：熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）噴射過渡，設(shè)備型號安意源 CH-500Pro。該設(shè)備能實(shí)現(xiàn)氬弧焊、手工電弧焊、氣保焊和自保護(hù)焊絲焊之間的自由切換，每種材質(zhì)均設(shè)置了相應(yīng)的焊接程序，在該程序下，可調(diào)節(jié)，以滿足焊接要求。（2）焊接保護(hù)氣體鎳基合

4、金在焊接時非常容易氧化，對焊接保護(hù)氣體的純度要求較高，本工程氬弧焊使用純度為99.999%的氬氣作為保護(hù)氣體，MIG焊采用20%He+80%Ar（純度99.999%）。（3）背部充氬保護(hù)裝置鎳基合金復(fù)合管打底焊接時，背部氣體保護(hù)效果尤為重要，保護(hù)裝置的選用直接影響內(nèi)部氣體置換時間和置換體積，除考慮保護(hù)效果外，還應(yīng)考慮保護(hù)裝置安裝和拆卸是否方便。在工程前期，我們在試件上試驗(yàn)了多種保護(hù)裝置，包括自制橡膠堵板、自制橡膠輪胎保護(hù)工裝、自制手持保護(hù)罩、安意源筒式剛性背氣裝置PGE210、自制海綿封堵工裝及錐形水溶紙等，各工裝示意圖如下：圖一、自制手持保護(hù)罩 圖二、自制海綿封堵工裝 圖三、自制橡膠輪胎工裝

5、圖四、自制橡膠堵板 圖五、安意源背氣裝置 圖六、錐形水溶紙經(jīng)觀察各種裝置打底焊道內(nèi)外表面氧化情況，并考慮裝置在實(shí)際施工中安裝和拆除的便利性，最終選用安意源筒式剛性背氣裝置PGE210進(jìn)行前期管件預(yù)制，在后期安裝過程中采用自制海綿封堵工裝。安意源筒式剛性背氣裝置PGE210操作簡單，節(jié)省氣體用量，氣體置換速度快，但是采購成本高，每套裝置只適用于一種管徑規(guī)格，且在管道現(xiàn)場安裝過程中，不便于安裝和拆除，因此用于前期管件預(yù)制，以提高施工速度。自制海綿封堵工裝制作簡單，所用材料易于采購，制作成本低，可在焊口組對前置于焊口兩側(cè)，焊接完成后，由管端拉出，保護(hù)效果良好，但置換氣體用量較大，置換時間也較長。（4

6、）焊材氬弧焊選用焊絲型號ERNiCrMo-3，規(guī)格2.4mm；填充、MIG焊選用焊絲型號ERNiCrMo-3，規(guī)格1.14mm。焊接材料為焊接工藝評定指定的規(guī)格和型號，各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求，能夠匹配焊接設(shè)備進(jìn)行使用。3、主要施工過程（1）坡口加工坡口加工前，需先檢查管段的橢圓度和復(fù)層厚度，管段橢圓度必須在標(biāo)準(zhǔn)值±0.5mm以內(nèi)，復(fù)層厚度不得低于3mm。檢查時若橢圓度超標(biāo)或復(fù)層厚度低于標(biāo)準(zhǔn)值時，需按照焊評規(guī)定的堆焊工藝對管內(nèi)壁進(jìn)行堆焊，再按要求進(jìn)行打磨，最后對堆焊打磨面進(jìn)行PT檢測。復(fù)合管段坡口加工采用坡口機(jī)進(jìn)行機(jī)械加工，具體坡口形式如下：坡口加工時，復(fù)層厚度需控制在2.0-2.5mm

7、之間，復(fù)層臺階寬度需大于3mm，杜絕焊接時基層的碳元素過渡到鎳基層。坡口機(jī)加工成型后，需人工打磨坡口面及坡口兩側(cè)母材，再對坡口進(jìn)行PT檢測，確?；鶎雍蛷?fù)層結(jié)合面沒有分層缺陷。（2）坡口組對坡口組對前，需重新清理坡口表面，祛除鎳基復(fù)層表面氧化膜，再使用丙酮清洗坡口內(nèi)外表面，清洗后用清水沖洗并用絲布擦干。使用專用的鐵離子檢測試紙檢查坡口鎳基復(fù)層鐵離子含量，合格后方可進(jìn)行組對。采用外對口器進(jìn)行焊口組對，組對時需嚴(yán)格控制錯變量，保證錯變量在1mm內(nèi)，組對間隙嚴(yán)格控制在焊接工藝評定要求的范圍內(nèi)（1.6-4.0mm）。（3）打底焊接組對完成后需對焊口進(jìn)行點(diǎn)固焊接，采用搭橋方式點(diǎn)固或采用卡具進(jìn)行固定, 點(diǎn)固

8、、定位焊接只允許在基層進(jìn)行, 定位焊所用的焊材、焊接工藝參數(shù)及保護(hù)氣體等條件應(yīng)與正式焊接相同, 定位焊縫應(yīng)均勻分布，定位焊縫長度以10-15mm為宜。焊縫點(diǎn)固后，采用紙膠帶密封焊口，因?yàn)闅鍤饷芏缺瓤諝獯?，在焊縫頂端預(yù)留一個排氣口，方便空氣的排出?，F(xiàn)場安裝口在組對前，需提前將自制海綿封堵工裝安置于焊縫坡口兩端150mm處 ，管件預(yù)制時，可先進(jìn)行點(diǎn)固焊，再從管件端面裝入內(nèi)部充氬保護(hù)裝置。焊接前使用充氬置換方式對管道內(nèi)部坡口、熱影響區(qū)部位金屬進(jìn)行氣體置換。管道內(nèi)部受熱影響的鎳基金屬應(yīng)處于充氬保護(hù)狀態(tài)，三層焊縫金屬焊接完成前，不得拆除內(nèi)部充氬保護(hù)裝置。氣體置換完成后，需使用氧含量檢測儀進(jìn)行氣體純度檢查

9、，氣體純度檢查應(yīng)在焊縫頂端進(jìn)行，氧含量低于400ppm時，可進(jìn)行焊接操作。焊接前，應(yīng)進(jìn)行試焊，通過觀察焊道色澤來判斷充氬置換和氣體保護(hù)的質(zhì)量，只有在確認(rèn)充氬置換和外部氣體保護(hù)質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到合格要求后，方可進(jìn)行正式焊接。焊接時嚴(yán)格按照焊接工藝評定規(guī)定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接，根據(jù)焊工操作習(xí)慣和坡口組對情況，可在規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)焊機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，包括峰值電流、基值電流、占空比、脈沖頻率等，參考焊接參數(shù)如下：焊 接 參 數(shù) 推 薦 表焊接層次焊接方法前氣起弧緩升峰值占空比（%）脈沖頻率基值衰減收弧延氣焊接速度（cm/min）根焊GTAW+P5540.280762.0653.1454-10熱焊GTAW+P5

10、600.2120702.0803.1455-12注：1、前氣：提前送氣時間（S）。2、起弧：起弧電流（A）。3、緩升：焊接電流的上升時間（S）。4、峰值：脈沖輸出時的峰值電流（A）。5、占空比：脈沖輸出時峰值電流所占的時間比例（%），可以控制焊縫熔深，以實(shí)現(xiàn)全位置焊接和薄板焊接。6、脈沖頻率：脈沖輸出時的工作頻率（次/S）。7、基值：脈沖輸出時的維弧電流（A）。8、衰減：焊接電流的下降時間（S）。9、收?。汉附酉⒒∏暗碾娏髦担ˋ）。10、延氣：焊接結(jié)束后的繼續(xù)送氣時間（S）。焊接時，焊縫顏色以銀白和金黃為合格，若焊縫出現(xiàn)氧化，需對已焊焊縫進(jìn)行打磨清除。氬弧焊打底根焊完成后，需進(jìn)行PT檢測，確認(rèn)

11、坡口在焊接過程中沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象。若出現(xiàn)分層，需從基層對缺陷進(jìn)行打磨清除，直至PT檢測合格后方可進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊時嚴(yán)格執(zhí)行補(bǔ)焊工藝。根焊完成后，采用氬弧焊對基層與鎳基復(fù)層之間的臺階進(jìn)行封焊，封焊完成后，采用MIG焊再熱焊一遍，保證焊縫強(qiáng)度。MIG時嚴(yán)格控制層間溫度及焊接線能量，焊縫金屬顏色以銀白或金黃為合格。熱焊MIG焊的焊接參數(shù)如下：焊 接 參 數(shù) 推 薦 表焊接層次焊接方法填充金屬極性送絲速度（in/min）弧長噴嘴型號焊接速度（cm/min）型號規(guī)格導(dǎo)電嘴型號熱焊MIGERNiCrMo-31.14反接210-2205-1038XTB21-24T045整個打底焊接完成后，需進(jìn)行射線檢測，級合

12、格，若焊縫不合格，需進(jìn)行割口處理，打磨后重新組對焊接。（4）填充、蓋面 打底焊接合格后方可進(jìn)行填充、蓋面，焊接時必須嚴(yán)格控制焊接線能量，減小焊接熱輸入，焊槍擺動幅度不能過大，焊縫寬度控制在4-10mm以內(nèi)。焊接參數(shù)如下：焊 接 參 數(shù) 推 薦 表焊接層次焊接方法填充金屬極性送絲速度（in/min）弧長噴嘴型號焊接速度（cm/min）型號規(guī)格導(dǎo)電嘴型號填充MIGERNiCrMo-31.14反接220-2305-101200B20-22TT045蓋面MIGERNiCrMo-31.14反接200-2100-55818B19-21TT045焊接過程中應(yīng)注意以下問題：焊前調(diào)節(jié)配比器，保證He與Ar比例為

13、2：8，配比器中Ar流量約為85-90L/min，He流量約為10-15L/min。焊接時若焊道保護(hù)效果不理想，需跟換噴嘴型號。焊接時干伸長一般控制在6-8mm，焊接時盡量保持焊槍與焊道垂直（也可稍作傾斜），焊槍擺動過程中兩邊稍作停留（約0.2-0.5秒），保證焊道與兩側(cè)母材熔合良好，避免形成點(diǎn)狀未熔合。中間快速帶過，采用較快焊接速度，單層焊接厚度不超過3mm。焊接過程中若出現(xiàn)送絲不暢，應(yīng)停止焊接，檢查送絲機(jī)，如果送絲配件使用時間較長，可直接更換送絲軟管和導(dǎo)電嘴。為保證焊縫性能，焊接過程中層間溫度不得大于60，若溫度高于60，需停止焊接，進(jìn)行自然冷卻。根據(jù)焊縫寬度，提前規(guī)劃蓋面焊縫道數(shù)進(jìn)行排焊，嚴(yán)格控制焊縫余高不超過2.5mm，局部超過2.5mm的焊道需進(jìn)行打磨。焊接完成后，仔細(xì)清理焊縫，清除飛濺，委托RT檢測，級合格。若焊縫不合格，需按要求進(jìn)行返修，同一部位只允許返修一次，返修前應(yīng)認(rèn)真分析缺陷性質(zhì)及部位，使用砂輪機(jī)對缺陷進(jìn)行徹底清除，對清理完成部分進(jìn)行PT檢測，檢驗(yàn)合格后方可進(jìn)行補(bǔ)焊，焊縫返修使用正式的焊接工藝進(jìn)行。若返修不合格，需進(jìn)行割口處理，重新加工坡口，組對焊接。4、結(jié)束語通過施