鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和半自動焊或組合焊的焊接方法在氫氣輸送管道、加氫站施工中的適用性研究

鎢極氬弧焊、焊條電弧焊和半自動焊或組合焊的焊接方法在氫氣輸送管道、加氫站施工中的適用性研究

Summary：氫氣長輸管道，作為氫氣輸送方式之一具有極高的經(jīng)濟價值，氫氣作為一種零碳高效可再生的非化石能源，在世界能源轉(zhuǎn)型中的應(yīng)用價值日益凸顯，世界主要發(fā)達國家近年紛紛出臺政策大力支持氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我國作為產(chǎn)氫大國同時也具備用氫市場，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展巨大。本文針對氫氣管道焊接施工環(huán)節(jié)，結(jié)合公司2015年已施工完成的濟源—洛陽氫氣管道，以及國內(nèi)外氫氣管道施工焊接工藝標準開展理論和實際試驗研究，為氫氣管道施工建設(shè)提供技術(shù)支撐。Keys：鎢極氬弧焊；焊條電弧焊；半自動氣保焊絲外焊；全自動外焊0引言由于氫氣自身的化學屬性，使其在實際使用中很容易發(fā)生易燃易爆事件，其易燃等級被評為四級，易爆等級為一級，在氫氣體積密度達到4.2%—75.7%的狀況下，將會出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。用管道進行氫氣輸送勢必要采用合理的設(shè)計、安裝和可靠的管線焊接工藝，這樣才能保障氫氣在輸送過程中的安全性和經(jīng)濟性。預(yù)計到2030年我國將建成3000KM以上的氫氣長輸管道，但到目前為止我國氫能源管到建設(shè)還處于部署階段。對于氫氣管道施工焊接工藝，國外相對國內(nèi)要成熟一些，技術(shù)儲備和相關(guān)標準相對要完整一些。從氫氣管道選用的材料進行相關(guān)的焊接工藝研究，來確定更加合理的設(shè)計方案有利于降低氫能源的使用成本，同時提高施工效率。美國針對氫氣管輸系統(tǒng)降本提效方面也開展了大量研究工作，其中包括開發(fā)新型材料如纖維復(fù)合材料用于氫氣管輸，通過顯著減少接頭數(shù)量，以降低氫氣輸送管道建設(shè)成本。輸氫管道選材及安裝的基本要求輸氫管道基本采用低碳鋼，最大運行壓力5.5—10.3MPa，結(jié)合歐美地區(qū)已建成氫氣長輸管道20多年的安全運營情況，推薦選用管材為；ASTMA106GradeB、ASTMA53GradeB、API5LX42、和API5LX52等鋼級，本文將針對氫氣管道低碳鋼開展焊接工藝的研究論證。（ASTMA106Gr.B是美國牌號，A106Gr.B與國內(nèi)沒有對應(yīng)的牌號。材料的化學成分與國內(nèi)材料無對應(yīng)，力學性能與國內(nèi)(GB／T699)20#鋼相似，ASTM是一套美國鋼管標準，ASTM鋼管A106A對應(yīng)中國標準是GB8163材質(zhì)為10#鋼，A106B對應(yīng)中國標準是GB8163材質(zhì)為20#，A106Gr.B與國內(nèi)無對應(yīng)。）1.1、引起氫氣管道爆炸的條件有兩個:一是氫氣與空氣、氧氣、一氧化碳等氣體混合;二是有火源。為防止氫氣事故的發(fā)生，必須要千方百計地消除或防止產(chǎn)生上述兩個條件和其它隱患存在。根據(jù)這一基本點，氫氣管道中如有毛刺、鐵銹、焊渣、油劑等其它雜物時，極易被高速氫氣流帶動與管壁摩擦碰撞產(chǎn)生火花，造成燃爆的危險，所以相比其他管道施工技術(shù)要求更加嚴格。1.2、由于氬弧焊工藝的焊接特性，氬弧焊也是作為氫氣管道打底焊的首選工藝，低碳無縫鋼管焊接采用氬弧焊作底焊，是防止焊渣進入管道內(nèi)的一項安全技術(shù)措施，為此，宜采用氬弧焊作底焊，但施工費用高，施工效率低也是不利的一面。1.3、為確保氫氣管道系統(tǒng)安全運行，氫氣管道要求清潔度高，管道、管件、法蘭、閥門、墊片及與氫氣接觸的材料都必須在安裝前進行嚴格的脫脂。在管道安裝初期就要對每個環(huán)節(jié)每個步驟進行過程管控，最為重要的是確保焊渣、鐵屑、毛刺、油污等有害物質(zhì)不得滯留在管道內(nèi)部，并嚴格執(zhí)行投氣前的試壓、清洗、無油壓縮空氣吹掃等各項工作，管道防靜電措施也必不可少，相比天然氣等其它管道施工過程相對復(fù)雜，成本高。2、焊接方法適用性分析2.1、鎢極氬弧焊＋焊條電弧焊工藝，在2015年濟源市化工園區(qū)—洛陽市吉利區(qū)氫氣管道輸送工程中已經(jīng)應(yīng)用，工程選用手工鎢極氬弧焊加手工焊條電弧焊的焊接工藝，參考到國內(nèi)外在氫氣管道常用的一種根焊焊接方法，是為了消除根焊接時產(chǎn)生的管道內(nèi)部的焊渣和顆粒飛濺，氬弧焊焊接工藝是在焊接中不產(chǎn)生飛濺顆粒的最好方法，氬氣保護可隔絕空氣中氧氣、氮氣、氫氣等對電弧和熔池產(chǎn)生的不良影響，減少合金元素的燒損，以得到致密、質(zhì)量高且較為純凈的焊接接頭；且具有保證焊接質(zhì)量的可靠性，根據(jù)氬弧焊的特性，作為輸氫管道打底焊是優(yōu)選工藝。2.2、使用低氫焊條作為填蓋時的焊接材料，是其具有良好的塑性、韌性及抗時效性和抗裂性，低氫型焊條，脫硫、脫磷能力強，藥皮有去氫作用。焊接接頭含氫量很低，焊縫具有良好的抗裂性和力學性能，但工藝性能較差。2.3、手工鎢極氬弧焊＋手工焊條電弧焊工藝也有不利因素，手工鎢極氬弧焊在焊接過程中速度較慢，每分鐘6-8cm/min施工效率低，采用手工低氫焊條焊接需要進行焊條烘干處理和焊條保溫措施，受環(huán)境和人員技術(shù)影響焊道出現(xiàn)缺陷率較高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性不高，依賴于焊工個人技術(shù)水平，因此對焊工操作技能要求較為嚴格，需對焊工進行技能培訓，鍛煉焊工對工藝操作的熟練程度來確保管道環(huán)焊縫的焊接質(zhì)量。2.4、焊接設(shè)備：手工鎢極氬弧焊＋手工焊條電弧焊對焊接電源要求不是很高，一般采用直流電弧焊接電源即可實現(xiàn)焊接功能。2.5、焊接工藝：（以濟洛線為案列）手工鎢極氬弧焊＋手工焊條電弧焊，作為適用性可靠的工藝在國內(nèi)外抗氫、硫管道中仍作為首選工藝。但需要注意的是每道焊口起弧點和收弧點必須錯開8-10mm，確保焊口充分熔透，焊接時風速不應(yīng)超過2m/s，焊接電弧1m范圍內(nèi)的相對濕度不得大于90%，必須做到防風、防雨等措施。嚴禁焊縫一次成型，加強質(zhì)量管理，嚴格落實“三檢制”提高焊接合格率，減少焊縫返修率。2.6、焊接技術(shù)參數(shù)：手工鎢極氬弧焊＋手工焊條電弧焊焊接參數(shù)如表1所示表1（cm/min）鎢極氬弧焊＋全自動外焊工藝3.1氬弧焊打底工藝是一個成熟可靠的工藝，在國內(nèi)外目前已建成的氫氣長輸管道中都得到很好的應(yīng)用，尤其是在抗硫管道中案列較多，屬于成熟的焊接工藝，因此不再闡述。3.2、全自動外焊工藝是由氬弧焊打底后進行的填蓋工藝，通過管道自動焊設(shè)備能夠從管道外部完成管環(huán)焊縫全部焊道焊接的自動焊接工藝，我局在2015-2017年中俄二期工程廣泛使用，2016-2021年中俄東線全自動的使用率為98%。2020-2021年小口徑全自動外工藝在青藏工程全面用于填蓋工藝，雖非輸氫管道但在焊接工藝上可以借鑒，且操作人員在天然氣工程中應(yīng)用較多，焊接工藝參數(shù)、焊接規(guī)程等資料存檔豐富。3.3、管道全自動外焊與焊條電弧焊相比有如下特點。3.3.1、焊接效率高，每分鐘17-20cm/min，是手工電弧焊的3～5倍。3.3.2、焊縫接頭少，焊縫成形美觀，對于氫氣管道焊接來說減少接頭有利于提高焊接質(zhì)量和管輸運行安全。3.3.3、設(shè)定統(tǒng)一的焊接參數(shù)，焊接過程穩(wěn)定，焊接缺陷少，無損檢測合格率高。3.3.4、受氣體保護焊特性影響，焊縫力學性能較好，具有強烈的抗裂性。3.3.5、相對手工電弧焊不產(chǎn)生藥皮，層間清理簡單，同時提高焊接效率。3.3.6、焊接時有害煙塵少，依靠設(shè)備自主完成焊接過程，操作簡單，依賴人的技術(shù)降低，減輕人員勞動強。3.3.7、由于采用氣體保護焊接，抗風能力差，必須采取防風措施，對使用設(shè)備要求高。3.3.8、焊接設(shè)備整體偏大能耗高不環(huán)保，增加焊接成本，設(shè)備維護和修理較復(fù)雜。3.4、全自動外焊工藝在填蓋時焊絲的選擇：首選藥芯氣保護焊絲（E70C-GM藥芯焊絲），可用于低碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼等鋼材的焊接。較其他焊材相比，藥芯氣保護焊絲有四個優(yōu)點：1、藥芯氣保護焊絲的工藝性能好。它采用氣渣聯(lián)合保護，焊縫成形美觀；除此之外，它還加入了穩(wěn)弧劑，使得電弧穩(wěn)定，熔滴過渡均勻。2、藥芯氣保護焊絲可使用較大的焊接電流進行全方位的焊接。3、藥芯氣保護焊絲適用于各種鋼材的焊接，而且它還能調(diào)整焊劑的成分和比例，可以提供所要求的焊縫化學成分。4、藥芯氣保護焊絲的熔敷速度快，生產(chǎn)效率高。3.5焊接設(shè)備：采用cpp900-w1和相匹配的電源實現(xiàn)全自動焊填蓋作業(yè)，可參考青藏工程的焊接參數(shù)和施工經(jīng)驗。3.6、鎢極氬弧焊＋全自動外焊工藝與鎢極氬弧焊＋焊條電弧焊焊接工藝相比較，管道根焊打底工藝相同，能夠保證管道內(nèi)部焊接質(zhì)量，不會產(chǎn)生飛濺的等雜質(zhì)，符合氫氣管道的基本要求，但施工效率較慢。與手工焊條電弧焊相比較全自動外焊焊接速度顯著提高，應(yīng)用的數(shù)字化控制系統(tǒng)減少了焊縫人為干預(yù)的幾率，精準的控制焊道的層數(shù)和道數(shù)，在焊接質(zhì)量上合格率高于手工焊條電弧焊，施工效率高、員工勞動強度低，因此，鎢極氬弧焊＋全自動外焊工藝在焊接工藝評定、機械性能試驗以及應(yīng)力腐蝕破裂試驗和氫致開裂性能檢測合格后在輸氫管道上應(yīng)用有較高的適用性焊接技術(shù)參數(shù)：（鎢極氬弧焊＋全自動外焊工藝參數(shù)）如表2所示表2（cm/min）鎢極氬弧焊＋半自動氣保護焊絲外焊工藝4.1、結(jié)合全自動外焊接工藝，采用半自動氣保護焊接工藝與全自動外焊接工藝同氣體、同焊材、同性能的原則，進行氣保護藥芯或?qū)嵭竞附z半自動焊工藝在氫氣管道應(yīng)用研究，實現(xiàn)全位置填蓋焊接來解決手工焊效率低和自動焊不能用于山區(qū)施工的問題，同時滿足氫氣管道焊接工藝需求，此項氣保半自動管道焊接工藝在我局尚未應(yīng)用，開展氣保半自動焊接工藝研究的同時也填補了此項空白，半自動氣保護焊接電源設(shè)備（非普通二保焊）可采用以下兩種方案。4.1.1、方案一：高速脈沖實芯焊絲半自動氣保護焊接工藝，以一脈多滴的形式實現(xiàn)電弧過渡完成焊縫填蓋，2019年12月去廠家考察調(diào)研，并獲得詳細資料，焊工操作簡單易學，焊接熔池容易控制，焊接方向可向上或向下，但在長輸油氣管道施工中并無業(yè)績，需做相關(guān)的焊接工藝評定來確定焊機的可靠性和適應(yīng)性，最終形成可在長輸氫氣管道上應(yīng)用的焊接工藝。4.1.2、方案二：利用公司現(xiàn)有的熊谷MPS-500藥芯自保護焊接設(shè)備進行氣路、送絲系統(tǒng)的改裝，選用φ1.6的藥芯氣保護焊絲進行填蓋焊接，焊工技能上比原有藥芯自保護焊絲更加容易操作且焊接質(zhì)量高，此項工藝在行業(yè)內(nèi)陜京四線—張北支線已有應(yīng)用，符合國家管網(wǎng)要求，管道局研究院也相同的焊接工藝，此工藝不僅能減少設(shè)備購買費用，同時也減少培訓費用，因此、在經(jīng)過試焊研究和工藝評定測試合格的情況下應(yīng)用在輸氫管道中的適用性和經(jīng)濟性都很高。4.1.3氣保護下向焊藥芯焊的優(yōu)點:1，堿性焊絲擴散氫含量容易更低。2，堿性焊絲焊縫含氧量更低，沖擊值更好。3，向下焊焊縫每層更薄，熱輸入量更小，力學性能會進一步上升。4，當前的能源局壓力容器標準NB/T47018提到可以接受堿性藥芯焊絲。5，對焊縫吸收空氣中的O2，N有抵抗作用，所以韌脆轉(zhuǎn)變溫度，CTOD性能也會更好。焊接技術(shù)參數(shù)：（鎢極氬弧焊＋半自動外焊工藝參數(shù)）如表3所示表3（cm/min）5、其它根焊工藝5.1、STT/RMD根焊焊接在管道行業(yè)內(nèi)大量應(yīng)用過一個時期，焊接速度快、焊接合格率高，焊口組對規(guī)范要求比較苛刻，對焊工操作技能要求較高，STT根焊技術(shù)是解決熔化極氣體保護焊短路焊技術(shù)但在焊接時飛濺只能減少80％～85％，少量的微顆粒飛濺存在對輸氫管道不利因素，應(yīng)在實際操作中分析和研究同時研發(fā)清渣機具，使STT工藝在氫氣管道焊接中達到所要求的基本條件。5.2、小口徑管道氬弧內(nèi)焊機打底工藝：一種新型的氬弧焊接工藝把氬弧根焊直接推入自動化行列，使施工工效大幅度提升，內(nèi)焊機依靠兩套獨立控制的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動焊接槍頭在管道內(nèi)壁實現(xiàn)圓周運動。每套旋轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動一把焊接槍頭和一套送絲機構(gòu)。整體焊接機構(gòu)由兩個送絲機、兩個旋轉(zhuǎn)機構(gòu)兩套焊槍運動調(diào)整機構(gòu)組成。5.3、由于是在管道內(nèi)部進行無焊接間隙根焊打底作業(yè)，因此無需防風棚設(shè)施，雙槍焊接速度為每分鐘10-12cm/min較手工氬弧焊提高效率2～3倍，結(jié)合全自動外焊工藝即可實現(xiàn)輸氫管道焊接全自動化作業(yè)，目前全自動氬弧內(nèi)焊機已完成樣機的組裝和試驗工作，但尚未在工程應(yīng)用，焊接工藝評定有待于深入研究和關(guān)注。5.4、熊谷A-802小口徑全自動內(nèi)焊機在青藏高原試驗段120道焊口中的應(yīng)用，根焊合格率達到98％，但實芯焊絲也會產(chǎn)生微小飛濺顆粒，因此，也應(yīng)該考慮到如何及時的清理才能保證施工時全自動焊接的高效功能。6、加氫站施工：站場安裝工藝中涉及的工藝管道直徑會更小，管道局今年起也在倡導(dǎo)小直徑管道焊接的全自動化工藝，管道局研究院也利用自動焊機做了相關(guān)工藝研究，并且在青藏工程末站進行了小范圍試驗性的應(yīng)用。6Φ33mm.1、適合站場的工藝：石油天然氣站場施工小口徑Φ33mm-Φ114管道通常采取手工鎢極氬弧焊（全氬）來完成工藝焊接，Φ159以上口徑即可采用氬電聯(lián)焊完成焊接，兩種方法均適用于加氫站焊接工藝。6.2有色金屬的焊接仍可采用手工鎢極氬弧焊全氬工藝和氬電聯(lián)焊工藝，與碳鋼不同的就是在焊接需要對管道內(nèi)部進行充氬保護防止管道內(nèi)部焊縫發(fā)生氧化，焊接時根據(jù)焊接工藝要求嚴格控制焊接熱輸入量，同時防止焊縫內(nèi)部焊道氧化現(xiàn)象的出現(xiàn)。6.3、站場施工小管徑工藝管道在全自動化時主要考慮的是設(shè)備控制系統(tǒng)的完整性和焊接電弧熱輸入量的精準性，市場上好的氬弧全自動設(shè)備具有自動編程能力的控制器，只需要輸入管徑、壁厚、管子材料以及坡口形式，即可自動生成焊接程序，大大簡化了編制焊接工藝參數(shù)的難度。在焊接中采用U型坡口和零間隙組對形式，也可以采用V坡口，根焊完全自熔，且成型美觀，熱影響區(qū)極窄，焊接中不用擔心焊道背部產(chǎn)生未焊透，單邊未熔，即是管道內(nèi)部有輕微錯口也完全可以熔合，正面焊接焊工不用觀察熔孔，不會有穿絲，焊瘤等缺陷出現(xiàn)。焊機可采用脈沖電弧，大電流時容易熔透鈍邊，小電流時冷卻熔池，因此對鈍邊不均和錯邊的容忍度較大，且焊接時的熱輸入（線能量）低，熱影響區(qū)小，焊接速度快，其工效是一個手工氬弧焊工的3-4倍，適合厚壁管的多層焊接，自動化程度高，可控制焊接電流、焊接速度、送絲速度、弧長及擺動參數(shù)。在焊接過程中，可以實時電調(diào)電流、焊接速度、送絲速度、弧長、擺速，擺幅，擺動中心位置的控制。7、結(jié)論：7.1通過上述分析和查閱相關(guān)資料，根據(jù)氫氣管道的基本要求能夠適用根焊的焊接方法，手工焊鎢極氬弧焊為最佳工藝，其特點是能夠適應(yīng)各種金屬的焊接，并且對組對間隙、錯邊量有較大的容忍度，符合輸氫管道對管道內(nèi)部無飛濺的基本要求。對于使用半