導管架TKY節點半自動金屬粉芯焊接技術研究

辛宏光,李振亮,程顯平,王朝,王伊諾

(海洋石油工程(青島)有限公司,山東 青島 266520)

隨著海洋油氣資源的大力開發,油氣生產平臺需求量越來越大。導管架式油氣生產平臺作為海上油氣開發基礎設施,在渤海地區應用非常廣泛[1]。導管架在建造過程中會出現大量TKY節點,TKY節點作為導管架的關鍵結構,焊接效率的高低決定著導管架建造周期的長短。由于不同項目設計思路不同、適用水深不同,且導管架適用材料由于管徑的限制,并無成品件使用,需要在廠區進行單獨建造,并不能提前進行預制。傳統導管架建造方式為車間進行卷管以及管線接長工藝,總裝場地進行TKY節點的焊接。該建造方式的缺點是:總裝場地所需要吊裝設備較多、TKY節點焊接強度大,高空作業焊接難度高、施工效率低,因此制約建造效率和生產成本。為解決這一難題,改變傳統建造方式,將TKY節點在車間進行預制,總裝現場進行管環焊縫接長工作,可有效避免大量高空焊接工作[2-3]。

目前導管架TKY節點雖然在車間進行預制,但常采用手工電弧焊打底,藥芯焊絲氣體保護焊填充蓋面的焊接工藝,該工藝機械化程度低,焊接效率有待提高。該工藝制約焊接效率主要有兩點:一是焊接設備不同,需要進行更換設備;二是手工電弧焊焊接方法本身的制約性,焊條長度固定、焊接成型交差,需經常打磨,同時對焊工自身專業技能要求較高。針對以上問題,設計一種金屬芯焊絲氣體保護焊進行封底、藥芯焊絲氣體保護焊進行填充蓋面的半自動焊接工藝,以達到提高焊接效率的目的。

1 試驗母材

根據導管架服役環境要求,冬季環境下該地區最低溫度可到-20 ℃,材料在低溫環境下同時受到不同方向力的沖擊以及承受長時間的交變載荷,因此在進行材料選型,既要保證母材具有一定的壁厚、良好抗拉強度和屈服強度,同時又要保證在低溫沖擊條件下具有較高的吸收功,才能確保材料安全服役。根據項目施工需要、相關標準焊接評定準則和覆蓋范圍要求,焊接評定試驗所使用母材為:API 2H Gr.50和API 2W Gr.50。母材尺寸及其性能如表1所示,化學成分如表2所示。由表1可知,試驗材料屈強比為0.72和0.85,伸長率為54%和27%,表明材料具有良好的延展性,在受到一定外部沖擊載荷條件作用下發生變形時不會產生斷裂現象。在-40 ℃條件下材料的平均沖擊功分別為:395和306 J,說明該材料具有良好的沖擊韌性,能保證低溫服役環境條件下受到沖擊力時可保證材料的完好性,滿足服役要求。由化學成分可知,所添加的硅、錳、鎳等元素的含量低于5%,通過添加少量合金元素可進一步提高鋼的強度,保證導管架在服役條件下滿足強度要求。

表1 母材尺寸及其性能

表2 母材化學成分組成

2 焊接性分析

由母材化學成分組成表可知,材料API 2H Gr.50碳當量Ceq=0.411%,材料API 2H Gr.50碳當量Ceq=0.34%,說明該材料具有良好的焊接性。材料中添加其他合金元素增強鋼強度、改善韌性的同時,也提高了材料的淬硬性,會有冷裂紋出現的可能,因此施焊過程中以下措施避免冷裂紋的產生,焊前需對焊件進行預熱,最低預熱溫度為65 ℃;可采用火焰加熱或電加熱的方式進行預熱,為保證焊件達到指定的預熱溫度,在測定預熱溫度時,移除加熱設備,在距離焊件50 mm處背面進行溫度測定,從而保證預熱的有效性;在焊接時為保證接頭的焊接質量,停止焊接時采取緩冷措施,防止焊后溫度驟降。為保證焊接接頭力學性能,保證材料韌性要求,控制焊接時層間溫度在合理范圍內,焊接時層間溫度不能超過200 ℃。

3 焊接工藝

3.1 焊材選擇

根據母材的力學性能和化學成分分析,采用等強度或超強度匹配、等成分匹配原則要求,進行焊材的選型。所選用的金屬芯焊絲氣體保護焊焊絲等級為AWS A5.18 E70C-6M/E49C-6M,選用牌號為GCL-70M(京群)的焊材;藥芯焊絲氣體保護焊焊絲等級為AWS A5.20 E71T-1CJ,選用牌號為TWE-711Ni(天泰)的焊絲。焊接材料力學性能和化學成分見表3、表4。由下表可知,母材與焊材近似等強匹配和等成分匹配。

表3 焊材化學成分

3.2 焊接工藝參數

施焊過程所采用的具體焊接參數如表5所示,為滿足施工需要,根據焊接評定要求,焊接評定試驗件焊接位置采用6GR,其焊接接頭坡口形式如圖1所示。為保證焊接接頭有良好的力學性能,需要嚴格控制焊接如輸入,對于根部焊道焊接,使用GCAW-G焊接方法時,焊接熱輸入要小于2.0 kJ/mm,同時,保證焊接速度不能過快;對于后期焊道的填充和蓋面,使用FCAW-G焊接方法,焊接熱輸入不能超過2.5 kJ/mm,同時保證層間溫度不能過高。

表5 焊接工藝參數

圖1 焊接接頭坡口示意圖

3.3 焊接過程控制

為保證焊接接頭的焊接質量,在控制焊接參數基礎上,還需要對焊接過程進行控制,具體要求如下:

1)在進行焊接前,對焊接材料進行檢查,確保焊材牌號、尺寸符合試驗要求,同時檢查焊絲表面是否出現氧化膜等焊材變質現象;

2)為防止產生焊接裂紋,焊前需要保證最低預熱溫度,采用背面測溫的方式進行溫度控制,同時確保預熱時間足夠,使焊件水汽完全祛除;為使焊接接頭滿足沖擊韌性要求,嚴格控制層間溫度,使層間溫度不超過200 ℃;

3)焊件坡口表面25 mm范圍內要進行完全清理,確保表面無油污、氧化膜、灰塵等有害物質,確保坡口面附近母材保持金屬光澤;

4)焊接時保證連續施焊。焊接中斷要滿足以下條件:完成封底焊接和完成前六層焊接,或者保證熔敷金屬厚度達到焊縫厚度的1/3。再次焊接時要進行預熱,同時進行磁粉檢測,保證焊道無裂紋;

5)每層焊道焊接完成,為保證焊道的清潔程度,應使用機械方式將焊道的氧化膜、熔渣清理干凈,避免下道焊道熔合時出現缺陷;

6)為防止焊接變形,采取對稱焊接的方式,按圖2所示的施焊順序進行焊接。同時應保證每道焊道的焊接接頭相互錯開,避免產生裂紋等缺陷。

圖2 焊接施焊順序圖

4 試驗結果

按照AWS D1.1[4]的相關要求,焊接工藝評定試驗件在焊后24 h首先需進行無損檢測:外觀檢驗、磁粉檢測、射線檢測。DNT檢測合格后,按照AWS D1.1要求進行機加工,以便進行各類力學性能試驗。

4.1 無損檢驗

焊后24 h進行外觀檢測(VI)、磁粉檢測(MT)和超聲檢測(UT)。焊道表面成型良好,無咬邊等焊接缺陷;通過磁粉檢驗表明,焊道表面無裂紋等缺陷;通過超聲檢測表明,回聲良好,表明焊道內部無裂紋、未熔合等焊接缺陷,檢測結果符合AWS D1.1規范規定的相關要求。

4.2 力學性能試驗

根據AWS D1.1標準要求,所需進行的力學性能試驗類型包括:拉伸試驗、彎曲試驗、沖擊試驗、宏觀金相和硬度測試。

拉伸試驗結果如表6所示,焊縫抗拉強度均大于母材的抗拉強度(抗拉強度448 MPa);對試件進行4組側面彎曲試驗,試樣規格為10 mm×25.4 mm×250 mm,在38.1 mm壓頭直徑下彎曲180°后,試驗結果如表7所示。試樣表面無裂紋、無未熔合等缺陷,試樣凸面上沿任何方向都沒有出現單個超過3 mm的裂紋,實驗結果合格;將試件機加工成10 mm×10 mm×55 mm的標準試樣,試驗件取樣位置分別根部焊縫中心、根部熔合線、根部熔合線+1 mm、頂部焊縫中心、頂部焊縫熔合線、頂部熔合線+1 mm、頂部熔合線+5 mm處,每組試驗件分別取3組試樣,試樣缺口深度為2 mm,在-40 ℃下進行夏比V型沖擊試驗,沖擊試驗取樣點位置如圖3所示,試驗結果如表8所示,單個試樣吸收功均大于27 J,試樣均值均大于34 J,滿足沖擊要求。宏觀金相如圖4所示,焊道無裂紋、氣孔等缺陷,相鄰焊縫之間、焊縫與母材之間完全熔合,焊縫輪廓符合標準要求。維氏硬度值按照圖5所示硬度測點位置所示,對母材區域、熱影響區和焊縫金屬進行硬度測試。測試結果如表9所示,硬度值小于350HV10,符合要求。

表6 試件拉伸試驗結果

表7 彎曲試驗結果(側彎)

表8 沖擊試驗結果

圖3 沖擊試驗取樣點位置

圖4 試件宏觀金相

試件母材1熱影響區234焊縫56熱影響區789母材10T7187191246241244218301211300188T8200187236224233225291209297186試件母材11熱影響區121314焊縫1516熱影響區171819母材20T7179182209197218208231203223185T8177190198216212210232218238190

5 結論

1)針對TKY節點焊接設計開發的金屬粉芯焊絲氣體保護焊打底、藥芯焊絲氣體保護焊組合的半自動焊接工藝,具有機械化程度高、勞動強度低的特點;

2)選用GCL-70M和TWE-711Ni焊材,與母材等強度、等成分匹配;焊接參數、接頭形式以及焊接位置選擇合理,并通過采取一系列過程控制措施保證焊接質量;

3)焊后無損檢測證明焊道無裂紋、氣孔等缺陷,相鄰焊縫之間、焊縫與母材之間完全熔合,焊接接頭質量合格;力學性能試驗證明焊接接頭的拉伸性能、彎曲性能、沖擊韌性、金相以及硬度符合要求,表明該焊接工藝可應用于現場的實際施工。