堆焊内补口技术在长输管道死口连头中的应用

1堆焊内补口技术在长输管道死口连头中的应用研究ApplicationofinternalweldingtechnologyinthelongdistancepipelinedieLiantou董龙涛1沈柏佳2李玮1梁龙旭3李广华3（1．华东管道设计研究院，江苏徐州0516）（2．中天合创能源有限公司，内蒙鄂尔多斯0477）（3.胜利油田金岛工程安装有限责任公司，山东东营0546）摘要：本文介绍了耐蚀合金堆焊内补口新技术在鄂尔多斯煤化工示范项目厂外输水长输管道死口连头中的应用，解决了长输管道内壁防腐层连续的技术瓶颈，重点介绍了管端内壁堆焊工艺要点；“三段式死口连头”；在不锈钢焊层上面焊接低碳钢焊材的复合焊接方法；堆焊及复合焊接质量检验结果等。关键词：中天合创、堆焊内补口、长输管道死口连头、三段式死口连头、复合焊接。引言鄂尔多斯煤炭深加工示范项目厂外输水系统工程，由中天合创能源有限公司投资建设，华东管道设计研究院设计，管道线路全长207.7km，同沟双线铺设，管径为φ914mm和φ813mm，材质为L450M。全线采用一泵到底，常温密闭工艺输送净化后的黄河水。工程设计“死口”200个左右。管道外壁采用3PE缠绕防腐，管道焊缝外壁采用聚乙烯热收缩套补口，管道内壁防腐采用加强级无溶剂环氧涂料涂覆，管道焊缝内壁采用“补口机器人“防腐处理。由于管道补口机器人无法进入长距离直管道以及具有一定坡度的管道内部进行防腐补口，“死口”焊缝成为管道内壁防腐连续性的盲点。过去的一般做法是：通过一段“死口”短节连接两段管道，短节焊接完成后，在短节上面开“天窗”，通过“天窗”对短节焊缝内壁进行“补口”处理，然后焊接封闭“天窗”。但“天窗”焊缝内壁无法补口，成为管道内壁防腐层连续性的瓶颈所在。工程设计采用胜利油田金岛工程安装有限责任公司的不锈钢堆焊内补口技术，解决死口连头内补口问题〔1〕。堆焊内补口技术是通过在钢管管端内壁预先堆焊一定宽度和厚度的耐蚀合金层，然后再对钢管进行内、外壁防腐处理，管道焊接施工时，用耐蚀合金焊材+低碳钢焊材的复合焊接方法，在焊接施工的同时，耐蚀合金焊层熔合预先堆焊层，保证管道内壁防腐层连续。堆焊内补口技术包括耐蚀合金管端堆焊、耐蚀合金与低碳钢管道复合焊两个部分。该技术在中、小孔径短距离管道中应用400公里以上，应用在大孔径长输管道中，中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目厂外输水项目设计应用该技术属国内首创，国际尚无先例，为慎重起见，对该技术重新进行实验评价。1设计方案按照《中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目厂外输水系统线路工程施工技术要求》，设计死口连头方案如下：1.1堆焊方案〔如图1〕所示。1.1.1堆焊焊材：Φ1.2mmER309L不锈钢焊丝，堆焊层宽度和厚度：双层阶梯型堆焊，底层堆焊宽度130mm，厚度不小于1.5mm；顶层堆焊宽度80mm，厚度不小于1.5mm。堆焊层总厚2度不小于3.0mm，不超过4.0mm。堆焊不平度不大于0.5mm；管端堆焊完成后，钢管管端直径缩径小于5mm如〔图1〕所示。图1不锈钢管端堆焊示意图1.1.2堆焊层表面以下2.75～3.25mm取一处，进行铁素体含量分析，铁素体含量为3～8%。1.1.3堆焊工艺按NB/T47014-2011作焊接工艺评定。焊接工艺评定所用的钢管须和本工程用钢管一致。1.2死口连头方案为适应堆焊“死口”焊接在堆焊管端之间进行的要求，采用“三段式死口连头”〔2〕，其中预制管A、B为长度约6m左右钢管，预制死口短节约2.2m，预留“死口”总长度约13m。如〔图3〕所示。在具体施工中，预先在死口短节两端管端内壁堆焊ER309L不锈钢焊层〔如图3〕；分别在预制管A和B的一端内壁堆焊ER309L不锈钢焊层〔如图3〕，另一端不堆焊。在死口组对时，“死口”预制管A、B未堆焊端分别与管道左、右段修整组对，预制“死口”短节与预制管A、B的堆焊端组对。组对完成后，分别焊接预制管未堆焊端与管道左、右段，取出“死口”短节，分别对预制管A、B与管道左、右段焊缝进行内壁防腐补口处理，然后放入已经组对完成的预制“死口”短节，用复合焊接方法连头焊接，焊后对焊缝进行100﹪超声波检验和100﹪射线检验，检验合格后无需对焊缝内壁补口处理，不锈钢堆焊层与复合焊打底焊层熔合，不锈钢层与管道内壁环氧涂层形成管道内壁连续防腐层。（1管道左端；（2预制管A；（3预制死口短节；（4预制管B；（5管道右端。图3死口组合示意图1.3复合焊接方案〔如图2〕所示。根据设计要求中“对于“特殊死口”的焊接材料和焊接工艺，在征得设计、业主的同意后，施工单位可根据焊接工艺评定报告进行优化。”的规定，复合焊层采用ER309L定位、打底和过渡，E71T8-Ni1J焊材填充和盖面，使焊层形成打底→过渡→扩散→填充→盖面的复合焊接方式，使焊层平滑过渡。3图2复合焊层示意图2方案实验按照1.3所示死口连头组合方案和1.1所示不锈钢管端堆焊方案以及1.2所示死口连头复合焊接方案，设计实施方案如下：2.1管端不锈钢堆焊2.1.1堆焊焊材：Φ1.2mmER309L不锈钢焊丝〔化学成分如表1〕所示。表1ER309L焊丝理化性能熔敷金属化学成分熔敷金属力学性能CSiMnCrNiσ0.2（Mpa）Rm（Mpa）A﹪0.030.601.82413420510252.1.2堆焊设备：双枪四钨极管端内壁自动堆焊机〔如图4〕所示图4双枪四钨极管端内壁自动堆焊机2.1.3堆焊方式：TIG(TungstenInertGasWelding)螺旋堆焊，前枪底层堆焊宽度130mm，厚度≧1.5mm；后枪跟进覆层堆焊宽度80mm，厚度≧1.5mm，双枪同时停弧，双层堆焊同时完成。2.1.4堆焊参数：2.1.4.1前枪（底层）堆焊参数〔如表2〕所示表2前枪堆焊参数4焊道宽度焊道厚度焊道螺距堆焊速度基值电流峰值电流基准电压脉冲10mm1.5～1.7mm4mm410/min100A300A11.5V有2.1.4.2后枪（覆层）堆焊参数〔如表3〕所示表3后枪堆焊参数焊道宽度焊道厚度焊道螺距堆焊速度基值电流峰值电流基准电压脉冲10mm1.5～1.7mm4mm410/min100A280A11V有2.1.5堆焊层外观检验：2.1.5.1实际堆焊层外表面外观平滑，无夹渣、气孔等明显缺陷，焊层平整，不平度≦0.4mm〔如图5〕所示。图5堆焊层外观2.1.5.2等离子坡口切口外观平滑，堆焊层与母材熔合完好，无肉眼可见缺陷，切口端面与钢管垂直〔如图6〕所示图6等离子坡口切口端面。2.1.5.3堆焊后管端缩径小于5‰，Φ914管端最大缩径小于4mm，〔如图7〕所示图7堆焊后管端实际缩径量实测。2.1.6焊层微观组织分析：2.1.6.1分析方法将堆焊试件打磨、冲洗、分别采用王水，FeCl3腐蚀后，用酒精冲洗然后吹干，分别观察分别分析堆焊层近表面区微观组织、堆焊层中部区显微组织、堆焊层近母材区显微组织。52.1.6.2堆焊层近表面区显微组织〔如图8〕所示从图8可以看出，在堆焊层的近表面晶粒转化为等轴晶，有些部分的枝晶方向发生紊乱。这是由于在表面处空气对流冷却等原因，既可以通过基体又可以通过周围环境散热，而且由于电弧的能量分布不均匀，只要某一微小区域晶体的择优取向与该区的散热方向一致，该晶体即可长大，故堆焊层上部的组织有时也会出现枝晶生长紊乱区.图8堆焊层近表面显微组织2.1.6.3堆焊层中部区显微组织〔如图9〕所示从图9可以看出，在堆焊层中部的树枝晶组织生长方向比较混乱。这是因为熔池中部的散热有很多渠道，并且由于堆焊时的能量分布不均匀，造成该区域散热的多方向性，因此堆焊层中部组织生长方向比较混乱。图9堆焊层中部显微组织2.1.6.4堆焊层中部区显微组织〔如图10〕所示从图10可以看出，在靠近母材部分的堆焊层出现大体垂直于熔合线定向生长的树枝晶。这是因为在熔合线的前沿溶质富集而出现成分过冷，致使树枝晶的生长。图10堆焊层近母材区显微组织2.1.7堆焊熔合区微观硬度分析：2.1.7.1分析方法：将焊后的管件制成20*10*10mm的试样，表面用水砂纸磨平并打磨光滑，硬度测定载荷300g，加载时间15s。测试时首先测试熔合线位置的硬度值，然后以6200μm为间距沿垂直熔合线方向分别向基体和熔覆层取点，直至硬度值稳定在一定范围内。2.1.7.2实验结果〔如表4和图11〕所示。表4从母材到堆焊层的硬度值距熔合线距离/mm-1.0-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81.0洛氏硬度HRC25.025.127.530.031.830.526.224.020.219.018.9图11从母材到堆焊层的硬度变化2.1.7.3从图11可以看出硬度关系为：热影响区母材堆焊层，这是因为堆焊后的热影响区对母材稀释造成的碳迁移使其硬度值较母材有所增大，堆焊层的硬度由熔合线到堆焊层表面呈下降趋势，这是由于堆焊层的外表面在堆焊时温度较高造成部分合金元素烧损或挥发，致使堆焊层外表面的金属硬度较比内层金属硬度有所下降。根据GB/T9711-2011《石油天然气工业管线输送系统用钢》的规定，试样硬度没有超过32HRC，不是硬度缺陷。2.1.8堆焊工艺评定2.1.8.1导向弯曲试验：按照NB/T47014-2011标准要求，对L450M+堆焊E309L不锈钢复合管进行破坏性试验，母材性能未见异常，试验结果合格〔如表5所示〕。表5导向弯曲试验数据式样编号式样类型式样厚度mm弯心直径mm弯曲角度°试验结果PQR-1-4-1侧弯1428180合格PQR-1-4-2侧弯1428180合格PQR-1-4-3侧弯1428180合格PQR-1-4-4侧弯1428180合格2.1.8.2化学成分分析表明在堆焊层表面以下2.72mm处铁素体含量5﹪，满足设计要求〔如表6所示〕。表6堆焊层化学成分分析数据7堆焊层化学成分﹪式样序号C﹪Si﹪Mn﹪S﹪P﹪PQR-1-50.0200.401.5090.00110.011堆焊层铁素体含量式样序号铁素体含量﹪PQR-1-552.1.9小结：管端耐蚀合金堆焊可以满足管道“死口“焊缝防腐要求。2.2死口连头复合焊接由于不锈钢焊材与普通低碳钢的熔点相差较大、线膨胀系数相差较大（100℃时不锈钢16，低碳钢10.6），在管道焊接中，既要保证堆焊层的耐腐蚀性能，又要保证低碳钢焊层的力学性能，使堆焊复合钢管的复合焊接具有不同于同种金属焊接的特殊性。在中天合创鄂尔多斯煤炭深加工示范项目厂外输水系统线路工程死口连头施工中，我们采取了渐进过渡的方法，取得了一定经验。由于长输管道“死口”连头施工中无法对焊缝内壁充氩进行熔池背面保护，打底焊层和过渡焊层均采取Φ1.2mmDW309L药芯焊丝熔化极氩气保护立向下焊接方法。由于野外施工气温和风速变化的影响，在采用氩弧焊或手工电弧焊焊接时，容易造成焊段间断续冷热，引起焊道应力波动变化的可能，为避免这种可能和加快“死口”连头速度，确保焊接质量，采用Φ2.0mmE71T8-Ni1J药芯自保护焊丝半自动立向下焊方法。表7E71T8-Ni1J焊丝理化性能熔敷金属化学成分熔敷金属力学性能CSiMnCrNiσ0.2（Mpa）σb（Mpa）δ﹪0.030.050.872.380.6741449529在不锈钢层上面复合焊接低碳钢焊材的技术关键在于使二者形成完全冶金熔合，主要手段是通过不锈钢过渡焊层和低碳钢扩散焊层焊接参数，实现不锈钢→低碳钢的平滑过渡。焊层各功能〔如图12〕所示。每一道焊层焊接完成后，需清理焊道并立即进行下一层焊道的焊接。2.2.1定位焊：2.2.1.1焊接参数：电流70A，电压21V，DC-；2.2.1.2焊接要求：a、在钢管圆周上均匀分布5处，每一处焊缝长度300mm左右，累积焊缝长度约等于1500mm；b、焊接速度快；c、双面成型背面无咬边凹陷；焊道正面外观平滑；d、定位焊层不能作为打底焊层存在。2.2.2打底焊：2.2.2.1焊接参数：电流：75A，电压：21V，DC-。2.2.2.2焊接要求：a、将定位焊层熔透；b、焊接速度快，双面成型，背面无咬边凹