全數字脈沖MIG焊在LNG項目低溫管線焊接中的應用

王志堅 孫建文

全數字脈沖MIG焊在LNG項目低溫管線焊接中的應用

王志堅 孫建文

【摘要】通過對LNG項目模塊化建造工藝管線中的低溫碳鋼ASTM A333 Gr.6和奧氏體不銹鋼ASTM A312 TP304L的焊接性分析，采用全數字脈沖MIG焊進行管道全位置焊接工藝評定，焊縫的性能滿足LNG項目技術規格書和ASME B31.3的要求，焊接效率比常規的手工焊填充、蓋面提高了一倍左右，確保了LNG項目的建造質量和進度。

1. 概述

2014年，中國石油集團承攬俄羅斯YAMAL LNG項目，該項目位于俄羅斯北極圈以內，亞馬爾半島上南坦別伊天然氣田每年有9個月的冰期，最低-52℃。工程為168個模塊，鋼結構重量5萬多t，工藝管線19萬m，尺寸0.5～72in（1in=25.4mm）。該項目中主要是管廊上的管線預制，預制長度在20～44m，其中LNG管線（運行溫度在-169 ℃）需要做深冷保溫。由于項目采用在青島預制，俄羅斯組裝，所以對精度要求高。

傳統的工藝管線焊接采用手工氬弧焊（GTAW）和焊條電弧焊（SMAW）進行焊接，焊接效率和合格率不高，提高工藝管線的焊接效率和合格率是保證項目進度的關鍵。為解決上述問題，我們進行了工藝管線的制作工藝改革，現場安裝部分的焊接采用半自動數字MIG焊進行全位置焊。本文著重討論在LNG項目模塊化建造中，設計溫度為-50℃和-196℃的低溫碳鋼管線和不銹鋼管線的全數字脈沖MIG焊的應用。

2. 材料焊接性分析

YAMAL LNG項目低溫管線主要包括低溫碳鋼管線和不銹鋼管線，最具代表性的低溫碳鋼管線材料為ASTM A333 Gr.6、A671 Gr.CC60，管件材料為ASTM A350 LF2 CL1、A420 WPL6，通常在-45℃的低溫環境下使用，其wC＜0.3%，淬硬及冷裂傾向都較小，韌性和塑性好，焊接時一般不易產生硬化組織和裂紋缺陷。不銹鋼管線為ASTM A312/A358/A403 TP304/304L, 316/316L，管件材料為ASTM A182 F304/304L，316/316L，通?？捎糜跍囟冗_-196℃的深冷工況，304L和316L具有超低碳含量，使得在近焊縫的熱影響區中盡量少析出碳化物，從而大大降低晶間腐蝕。

3. 焊接工藝評定

（1）母材的確定 LNG項目工藝管線的焊接標準為ASME B31.3和ASME IX，按照ASME IX標準，ASTM A333 Gr.6和304L的材料進行焊接工藝評定可以覆蓋YAMAL項目工藝管線材料的焊接。試驗用母材的化學成分和力學性能如表1、表2所示。

表1　低溫碳鋼的化學成分和力學性能

（2）焊接方法和焊接設備的確定焊接方法確定：根據LNG項目工藝管線的特點和項

目技術規格書要求，既要滿足項目的要求，又要提高工藝管線的焊接質量和效率，因此現場工藝管線采用手工氬弧焊進行根焊和熱焊，然后采用半自動全數字脈沖MIG焊進行填充和蓋面。因為氬弧焊根焊的焊道厚度只有2～3mm，所以必須再進行一道熱焊才能進行脈沖MIG焊。根據脈沖MIG焊的焊接特點，采用半自動脈沖MIG焊進行管線的填充和蓋面，可以大幅提高焊接效率，相應減少出現焊接缺陷的概率。

表2　不銹鋼的化學成分和力學性能

焊接設備的選擇：手工氬弧焊選用LINCOLN AC/DC TIG275進行根焊和熱焊，填充和蓋面的焊接選用松下全數字脈沖MIG/ MAG焊機500GL3（見圖1），采用脈沖模式進行焊接。

采用普通C O2氣體保護焊（見圖2）與脈沖MIG焊（見圖3）分別焊接低溫碳鋼。CO2氣體保護焊焊接參數：焊接電流為176A，電弧電壓為20.8V；脈沖MIG焊焊接參數：焊接電流為134A，電弧電壓為20.4V。從對比結果可知，脈沖MIG焊從控制熱輸入、飛濺和焊縫成形來看，優勢是顯而易見的。

（3）碳鋼管線的焊接工藝評定根據YAMAL項目碳鋼低溫管線設計溫度為-50℃的要求，碳鋼管線焊接工藝焊材采用合金鋼焊絲、廣泰KT—80Ni1/KM—80Ni1(ER80S—Ni1)的TIG絲和MIG絲，滿足-60℃低溫沖擊吸收能量≥27J。焊接工藝評定要求如表3、表4所示。

（4）不銹鋼管線的焊接工藝評定YAMAL項目不銹鋼管線系統的設計溫度要求不同，包括-50℃、-104℃和-196℃，因此焊接工藝評定的低溫沖擊溫度選擇-196℃，選擇廣泰KT—308L/ KM-308L (ER308L)的焊絲作為填充材料，并且要求焊絲的沖擊側向膨脹率＞0.38mm，鐵素體含量≤6FN。具體的焊接工藝評定要求和焊接參數如表5、表6所示。

圖 1

4. 焊接工藝評定性能試驗及分析

（1）碳鋼管線力學性能試驗焊接工藝評定試驗結果如表7所示。低溫碳鋼工藝評定的拉伸、彎曲和沖擊韌性均滿足YAMAL項目的要求，焊接接頭進行焊后退火，焊縫的沖擊韌性有明顯提高。

（2）304L不銹鋼力學性能試驗 焊接工藝評定試驗結果如表8所示。不銹鋼工藝評定的拉伸、彎曲和沖擊韌性均滿足YAMAL項目的要求，沖擊試件在-196℃的側向膨脹率均＞0.38mm，鐵素體含量＜4FN。

圖 2

圖 3

（3）焊接接頭金相組織分析低溫碳鋼母材、焊接接頭金相顯微組織如圖4所示。

母材組織和熱影響區為體素體+珠光體，焊縫組織是以鐵素體為主，含少量珠光體的狀晶，組織均勻，低溫斷裂韌性良好。

表3　低碳鋼焊接工藝評定設計

表4　焊接參數

表5　奧氏體不銹鋼304L焊接工藝評定設計

表6　焊接參數

表7

表8

不銹鋼母材、焊接接頭金相顯微組織如圖5所示。母材的組織為均勻奧氏體，焊縫組織為奧氏體+少量的鐵素體，鐵素體含量＜4FN。

5. 焊接效率和焊接合格率分析

為滿足YAMAL項目的建造進度，在進行工藝管線的焊接工藝評定時，不僅進行了脈沖MIG填充和蓋面的焊接工藝評定，還進行了手工焊填充和蓋面的焊接工藝評定。我們分別進行了低溫碳鋼兩種規格試件的焊接工藝評定，即：φ355.6mm×12.7mm和φ219.1mm×5.8mm，不銹鋼也進行了兩種規格試件的焊接工藝評定，即：φ219.1mm×10.31mm 和φ219.1mm×5.8mm，并分別進行了2G和5G位置的焊接，同時對手工焊和脈沖MIG填充和蓋面的焊接時間進行了統計，脈沖MIG焊填充和蓋面的焊接效率是手工焊的兩倍左右。焊接效率與焊接位置和管壁厚度有關，管壁越厚，脈沖MIG焊的焊接效率越高，5G位置的焊接效率優勢大于2G位置的。在焊接合格率方面，采用脈沖MIG焊的工藝評定試件全部合格，采用手工焊的則出現了一些焊接缺陷。

6. 結語

脈沖MIG的焊接工藝通過了YAMAL項目業主和第三方的認可，已成功用于YAMAL項目低溫碳鋼管線、不銹鋼管線和深冷管線的焊接，焊接效率比焊條電弧焊的焊接效率提高了一倍左右，焊接一次合格率也明顯提高，可達到99%。

圖 4

圖 5

20150307

作者簡介：王志堅等，中國石油集團海洋工程有限公司。