镍基合金复合管道焊接
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镍基合金复合管道焊接工艺的推广和应用
摘要：
镍基合金复合钢管具有良好的韧性、强度，以及耐各种形式腐蚀的性能，目前广泛应用于高压高含硫气田施工中。在普光气田安全隐患排查工程中，原料气管线全部更换为镍基合金复合管道，为提高功效保证焊接质量，该工程采用了新的焊接工艺（GTAW+P+MIG），依托本工程进行推广和应用。
关键字：镍基复合管；GTAW+P+MIG；背部充氩保护装置；焊接工艺
1、简介
镍基合金复合材料作为一种新型材料[1]，其同时兼具低合金钢的韧性和强度，及镍基合金全面的耐腐蚀性能，因而在高压高含硫气田施工中得到广泛的应用。普光气田作为高含硫气田，受条件限制，在建设初期并未采用镍基合金材料进行施工。
在2016年，普光净化厂原料气管线安全隐患治理工程中，设计将原料气管线进行材质升级，将原有管道更换成镍基合金复合钢管（Q245R+N08825），规格为φ711×（32+3）mm、φ610×（28+3）mm、φ508×（24+3）mm。
目前，镍基合金复合管道的焊接方法主要有GTAW（打底）+SMAW（填充、盖面）；TIP TIG焊打底、填充、盖面。该工程使用的镍基合金复合管材，因管径和基层厚度较大，采用GTAW（打底）+MIG（填充、盖面）的焊接方法。相比以上两种方法，该方法具有更高的焊接效率和焊接可靠性。经中石化第十建设公司进行焊接工艺评定，焊缝各项性能均满足设计要求。因此，本工程最终确定采用GTAW（打底）+MIG（填充、盖面）的焊接方法进行施工焊接。
2、施工机具准备
（1）焊接设备
氩弧焊：低频脉冲钨极氩弧焊（GTAW+P），设备型号山大奥太WSM-400。该设备能够实现焊接电流在恒流与脉冲之间的自由调节，在选用脉冲电流焊接时，通过调节基
值、峰值、脉冲频率以及占空比等参数，能有效降低焊接热输入，获得性能更优的焊缝。
MIG焊：熔化极惰性气体保护焊（MIG）喷射过渡，设备型号安意源 CH-500Pro。该设备能实现氩弧焊、手工电弧焊、气保焊和自保护焊丝焊之间的自由切换，每种材质均设置了相应的焊接程序，在该程序下，可调节，以满足焊接要求。
（2）焊接保护气体
镍基合金在焊接时非常容易氧化，对焊接保护气体的纯度要求较高，本工程氩弧焊使用纯度为%的氩气作为保护气体，MIG焊采用20%He+80%Ar（纯度%）。
（3）背部充氩保护装置
镍基合金复合管打底焊接时，背部气体保护效果尤为重要，保护装置的选用直接影响内部气体置换时间和置换体积，除考虑保护效果外，还应考虑保护装置安装和拆卸是否方便。
在工程前期，我们在试件上试验了多种保护装置，包括自制橡胶堵板、自制橡胶轮胎保护工装、自制手持保护罩、安意源筒式刚性背气装置PGE210、自制海绵封堵工装及锥形水溶纸等，各工装示意图如下：
图一、自制手持保护罩图二、自制海绵封堵工装图三、自制橡胶轮胎工装
图四、自制橡胶堵板图五、安意源背气装置图六、锥形水溶纸
经观察各种装置打底焊道内外表面氧化情况，并考虑装置在实际施工中安装和拆除的便利性，最终选用安意源筒式刚性背气装置PGE210进行前期管件预制，在后期安装过程中采用自制海绵封堵工装。
安意源筒式刚性背气装置PGE210操作简单，节省气体用量，气体置换速度快，但是采购成本高，每套装置只适用于一种管径规格，且在管道现场安装过程中，不便于安装和拆除，因此用于前期管件预制，以提高施工速度。自制海绵封堵工装制作简单，所用材料易于采购，制作成本低，可在焊口组对前置于焊口两侧，焊接完成后，由管端拉出，保护效果良好，但置换气体用量较大，置换时间也较长。
（4）焊材
氩弧焊选用焊丝型号ERNiCrMo-3，规格φ；填充、MIG焊选用焊丝型号ERNiCrMo-3，规格φ。焊接材料为焊接工艺评定指定的规格和型号，各项性能满足设计要求，能够匹配焊接设备进行使用。
3、主要施工过程
（1）坡口加工
坡口加工前，需先检查管段的椭圆度和复层厚度，管段椭圆度必须在标准值±以内，复层厚度不得低于3mm。检查时若椭圆度超标或复层厚度低于标准值时，需按照焊评规定的堆焊工艺对管内壁进行堆焊，再按要求进行打磨，最后对堆焊打磨面进行PT 检测。
复合管段坡口加工采用坡口机进行机械加工，具体坡口形式如下：
坡口加工时，复层厚度需控制在之间，复层台阶宽度需大于3mm，杜绝焊接时基层的碳元素过渡到镍基层。坡口机加工成型后，需人工打磨坡口面及坡口两侧母材，再对坡口进行PT检测，确保基层和复层结合面没有分层缺陷。
（2）坡口组对
坡口组对前，需重新清理坡口表面，祛除镍基复层表面氧化膜，再使用丙酮清洗坡口内外表面，清洗后用清水冲洗并用丝布擦干。使用专用的铁离子检测试纸检查坡口镍基复层铁离子含量，合格后方可进行组对。
采用外对口器进行焊口组对，组对时需严格控制错变量，保证错变量在1mm内，组对间隙严格控制在焊接工艺评定要求的范围内（）。
（3）打底焊接
组对完成后需对焊口进行点固焊接，采用搭桥方式点固或采用卡具进行固定, 点固、定位焊接只允许在基层进行, 定位焊所用的焊材、焊接工艺参数及保护气体等条件应与正式焊接相同, 定位焊缝应均匀分布，定位焊缝长度以10-15mm为宜。焊缝点固后，采用纸胶带密封焊口，因为氩气密度比空气大，在焊缝顶端预留一个排气口，方便空气的排出。
现场安装口在组对前，需提前将自制海绵封堵工装安置于焊缝坡口两端150mm 处，管件预制时，可先进行点固焊，再从管件端面装入内部充氩保护装置。焊接前使用充氩置换方式对管道内部坡口、热影响区部位金属进行气体置换。管道内部受热影响的镍基金属应处于充氩保护状态，三层焊缝金属焊接完成前，不得拆除内部充氩保护装置。气体置换完成后，需使用氧含量检测仪进行气体纯度检查，气体纯度检查应在焊缝顶端进行，氧含量低于400ppm时，可进行焊接操作。
焊接前，应进行试焊，通过观察焊道色泽来判断充氩置换和气体保护的质量，只有在确认充氩置换和外部气体保护质量已经达到合格要求后，方可进行正式焊接。焊接时严格按照焊接工艺评定规定的焊接参数进行焊接，根据焊工操作习惯和坡口组对情况，可在规定参数范围内适当调节焊机各项参数，包括峰值电流、基值电流、占空比、脉冲频率等，参考焊接参数如下：
注：1、前气：提前送气时间（S）。
2、起弧：起弧电流（A）。
3、缓升：焊接电流的上升时间（S）。
4、峰值：脉冲输出时的峰值电流（A）。
5、占空比：脉冲输出时峰值电流所占的时间比例（%），可以控制焊缝熔深，以
实现全位置焊接和薄板焊接。
6、脉冲频率：脉冲输出时的工作频率（次/S）。
7、基值：脉冲输出时的维弧电流（A）。
8、衰减：焊接电流的下降时间（S）。
9、收弧：焊接息弧前的电流值（A）。
10、延气：焊接结束后的继续送气时间（S）。
焊接时，焊缝颜色以银白和金黄为合格，若焊缝出现氧化，需对已焊焊缝进行打磨清除。
氩弧焊打底根焊完成后，需进行PT检测，确认坡口在焊接过程中没有出现分层现象。若出现分层，需从基层对缺陷进行打磨清除，直至PT检测合格后方可进行补焊，补焊时严格执行补焊工艺。根焊完成后，采用氩弧焊对基层与镍基复层之间的台阶进行封焊，封焊完成后，采用MIG焊再热焊一遍，保证焊缝强度。MIG时严格控制层间温度及焊接线能量，焊缝金属颜色以银白或金黄为合格。热焊MIG焊的焊接参数如下：
整个打底焊接完成后，需进行射线检测，Ⅰ级合格，若焊缝不合格，需进行割口处理，打磨后重新组对焊接。
（4）填充、盖面
打底焊接合格后方可进行填充、盖面，焊接时必须严格控制焊接线能量，减小焊接热输入，焊枪摆动幅度不能过大，焊缝宽度控制在4-10mm以内。焊接参数如下：
焊接过程中应注意以下问题：
①焊前调节配比器，保证He与Ar比例为2：8，配比器中Ar流量约为85-
90L/min，He流量约为10-15L/min。
②焊接时若焊道保护效果不理想，需跟换喷嘴型号。
③焊接时干伸长一般控制在6-8mm，焊接时尽量保持焊枪与焊道垂直（也可稍作倾斜），焊枪摆动过程中两边稍作停留（约秒），保证焊道与两侧母材熔合良好，避免形成点状未熔合。中间快速带过，采用较快焊接速度，单层焊接厚度不超过3mm。
④焊接过程中若出现送丝不畅，应停止焊接，检查送丝机，如果送丝配件使用时间较长，可直接更换送丝软管和导电嘴。
⑤为保证焊缝性能，焊接过程中层间温度不得大于60℃，若温度高于60℃，需停止焊接，进行自然冷却。
⑥根据焊缝宽度，提前规划盖面焊缝道数进行排焊，严格控制焊缝余高不超过，局部超过的焊道需进行打磨。
焊接完成后，仔细清理焊缝，清除飞溅，委托RT检测，Ⅱ级合格。若焊缝不合格，需按要求进行返修，同一部位只允许返修一次，返修前应认真分析缺陷性质及部位，使用砂轮机对缺陷进行彻底清除，对清理完成部分进行PT检测，检验合格后方可进行补焊，焊缝返修使用正式的焊接工艺进行。若返修不合格，需进行割口处理，重新加工坡口，组对焊接。
4、结束语
通过施工前的充分准备，以及施工过程中对各项施工工序的严格把关，普光净化厂原料气管线安全隐患治理工程（一、二标段）复合管焊接一次合格率达到了%，圆满完成了工程既定的96%的目标。在今后高含硫气田镍基合金复合管建设施工中，推广GTAW（打底）+MIG（填充、盖面）焊接工艺打下了坚实的基础，也积累了宝贵的经验。
参考文献：
[1]杨瑞成，聂福荣，郑丽萍：；兰州工业大学学报；2002，28（04）：29-33