铜衬垫自动焊在小口径管道工程上应用

铜衬垫自动焊在小口径管道工程上应用

摘要:随着油气长输管道自动焊技术的迅速发展,自动焊适用的管径范围将进一步由目前的大管径向小管径发展。文中针对无间隙带铜衬垫自动焊技术在国内某小口径长输油气管道工程上的应用情况,从焊接方式选择、焊接材料选择,焊接接头冲击韧性、韧脆转变温度,焊缝无损检测以及在管道材料和施工方面需要注意的事项进行了阐述,文中的结论可为设计人员合理设计和充分发挥自动焊的优势提供一定的参考与借鉴。

关键词:自动焊技术;铜衬垫;设计;施工

0引言

目前,管道自动焊技术在我国大口径、高压力长输油气管道建设领域得到了一定的发展,例如正在建设期间的中俄东线天然气管道工程,采用内焊机根焊的自动焊工艺,应用比例高达90%以上[1-4]。鉴于内焊机尺寸的限制,该种自动焊工艺目前仅可应用于管径813mm及以上的管道工程中,对于小管径的管道工程(管径610mm以下)尚未得到应用。国内某油气管道地处以平坦开阔的高山平原,沿线海拔高、氧气缺乏,对焊接作业及焊工身体健康挑战巨大。为了进一步降低焊工劳动强度、提升焊接效率,该工程采用了无间隙带铜衬垫自动焊工艺进行现场的环焊缝焊接施工。文中详细论述了大口径管道自动焊技术的设计要求、焊接要求及现场施工需要采用的技术措施等内容,为无间隙带铜衬垫自动焊工艺在长输油气管道中的应用提供技术支持。

1焊接设计方案

1.1焊接方式选择。考虑到本工程沿线地形、地貌和沿途气候等外界环境因素,同时也考虑到管道直径、壁厚和材质等因素,该工程主线路的焊接方式如下:(1)对于一般段焊接,推荐采用气体保护实心焊丝外焊自动焊根焊(无间隙、铜衬垫)+药芯焊丝气体保护自动焊填充、盖面(等壁厚焊接);(2)对于管道连头焊口和地形起伏较大不适合自动焊的区域,推荐采用氩弧焊根焊+药芯焊丝自保护半自动焊填充盖面;(3)返修焊口采用手工焊。

1.2焊接坡口形式。根据GB?T31032—2014《钢质管道焊接及验收》的要求,设计推荐对接钢管环焊缝坡口形式,具体如图1和图2所示。

1.3焊接材料选择。为使焊缝的力学性能与管体母材相匹配,针对不同的焊接方式,应选用不同焊接材料,同时应根据实际管材的强度指标来进行焊材匹配,所选焊接材料须经焊接工艺评定试验合格后,方可使用。本工程钢管焊接工艺及焊接材料推荐见表1。

2焊接工艺评定要求

焊接工艺评定应按照GB?T31032—2014《钢质管道焊接及验收》的要求,依据焊接工艺方案及设计文件编制预焊接工艺规程,并对预焊接工艺规程进行评定,依据合格的焊接工艺评定报告制订工程的焊接工艺规程。

2.1环焊接头的冲击韧性。本工程一般段埋地管道冲击试验温度取-10℃,而环焊缝在埋地工况下的环境条件与管体一致,所以为保证环焊缝在运行期间的韧性要求,应进行与管体相同温度即-10℃下的夏比冲击试验[5-6]。对于焊缝全尺寸试样,在-10℃冲击试验温度下,每组(3个)试样的平均夏比冲击吸收功值应不小于40J;单个试样的最小值应不小于30J[7]。

2.2环焊缝韧脆转变温度测试要求。施工过程中,管道在吊装下沟时,在合理布置吊管机吊点间距的情况下,其轴向应力值最高可达屈服强度的80%,管道环焊缝与轴向应力正好相交,成为管道吊装下沟过程中的最薄弱环节。针对环焊缝,不仅需要满足运行阶段不启裂韧性要求,还要满足施工期间吊装过程中不发生断裂的要求。因此,在焊接工艺评定时,应测定并提供0,-10,-20,-30,-45,-60℃下的冲击吸收功。每种焊接工艺的韧脆转变温度不得高于-20℃。

3焊缝的无损检测

对于采用无间隙带铜衬垫自动焊的管道焊缝,在每个焊接机组的前100道焊口采用100%AUT和100%X射线检验,百口之后采用100%AUT和10%X射线检验。2种检测方式均合格,则该焊口合格。热煨弯管与直管段的焊缝、沟下连头焊缝、碰死口焊缝,应进行100%X射线检验和100%PAUT检测。2种检测方式均合格,则该焊口合格。对于穿越二级及二级以上公路、铁路、河流大中型穿越、山体定向钻穿越等,应100%射线照相和100%的超声波探伤,其中自动焊的焊口选用AUT检测,非自动焊的焊口选用PAUT检测。2种检测方式均合格,则该焊口合格。返修环焊缝在修补后再采用100%射线照相和100%PAUT检测。2种检测方式均合格,则该焊口合格[8]。焊缝在同一位置返修不允许超过2次,根部缺陷允许返修1次,焊道中出现的非裂纹性缺陷应进行返修,所有带裂纹的焊口应从管线上切除。连头口、变壁厚口、金口中的烧穿、根部(管内壁以上2.5mm)未熔合、根部未焊透、根部内凹及其他超标缺陷作割口处理。所有自动焊焊口出现烧穿一律做切口处理。管道的射线检测和超声波检测执行SY?T4109—2013《石油天然气钢质管道无损检测》要求,射线检验和超声波探伤合格标准为Ⅱ级及以上。自动超声波检测执行GB?T50818—2013《石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范》。

4自动焊的施工技术要求

4.1材料方面。(1)为了保证环焊缝接头力学性能稳定,设计人员在进行自动焊使用地段设计时,应在设计文件中合理控制所用钢管的化学成分范围,尤其是铜含量。(2)为了保证自动焊有效进行,应严格控制钢管管端尺寸偏差,降低组对难度,外周长偏差应在0~6mm。制管焊缝处的直径偏差应不大于1.5mm,管端150mm范围内的内、外制管焊缝余高宜为0~0.5mm。

4.2施工方面。(1)建议选用抗烧损能力强的铜衬垫,如选用铬镐铜和普通纯铜表面喷涂镍铬陶瓷,这2种材料的衬垫抗烧损能力都比较强。(2)需要进行焊接工艺评定,确定合适的热输入,避免铜元素热烧损附着铜现象。(3)需要对铜衬垫+外焊自动焊工艺配套的无损检测工艺进行试验验证,确定合理的检测方案,尤其关注根焊铜开裂裂纹的检出能力,开展相关的无损检测仿真模拟及试验验证工作。(4)铜衬垫+外焊自动焊工艺对坡口加工精度及组对精度要求很高,需要配套的坡口加工设备。(5)建议加强焊接质量管控机制,衬垫更换频次,并对错边量、组对、温控等环节加强管控,制订相应的工艺规程,并将上述管控要点加以明确。

5结论

随着长输油气管道自动焊技术迅速发展,自动焊适用的管径范围将进一步由目前的大管径向小管径发展。无间隙带铜衬垫自动焊技术可填补小管径内焊机应用受限的空白,将应用越来越广泛。目前我国自动焊技术正处于快速发展时期,更需要油气管道设计人员合理设计管道路由,制订合理的自动焊工艺及指标要求,充分发挥自动焊的优质、高效的优势。

作者:张小强 蒋庆梅 谷青悦 王琴 单位:中国石油天然气管道工程有限公司 北京斯派克工程项目管理有限责任公司 中国石油西部管道分公司