深海脐带缆内套钢管全位置脉冲TIG对接焊研究*

杜兴吉，夏正文，王 坤

（浙江久立特材科技股份有限公司，湖州313012）

0 引 言

脐带缆一般由电缆、光纤、输送化学制剂和液压流体的钢管、外部保护层（钢管和复合材料）等组成，长度为几百至上万米。其主要作用为输送化学制剂、液压流体、电及信号，是海洋油气生产系统的生命线。脐带缆内部部件的损坏将会使通信中断并且影响整个生产系统的控制[1]。

深海脐带缆中的钢管一般采用S32750（SAF2507）超级双相不锈钢管，直径6.3～50.8 mm，壁厚0.5～3 mm。S32750中Cr和Mo的含量都很高，因此具有极好的抗点腐蚀、缝隙腐蚀和均匀腐蚀的能力，最小屈服强度是550 MPa，抗拉强度 800～1 000 MPa。

深海脐带缆由多管件结构组成。通常最里面的管（内管）为液压流体输送管，内管和外部保护层（外管）之间为电缆和光纤。在制造脐带缆前首先需要将每根约10 m的无缝钢管对焊后盘成一卷，最长可达20 km。

由于脐带缆用钢管在深海（有时深达2 000多米）下使用，且工作条件复杂、恶劣，难以维修，因此对其焊接接头质量要求非常严格。但在实际生产中，其焊接缺陷严重影响了盘管性能，尤其是降低了疲劳寿命。

管-管对接时，由于两端的钢管长度较长，且一侧钢管的一端已与盘卷在盘管机的钢管相连接，所以焊接过程中管子不能转动，无法旋转，须靠焊头带动钨极的旋转来实现全位置焊接。全位置焊接对两管端校直、管口整圆以及对中等焊接前的工作要求很高，同时在焊接过程中，也要求其具有较高的焊接精度和焊接操作技术。目前，国内应用于此类焊接的焊管设备基本都是从德国、法国和美国等国家进口的[3]。

本研究针对管-管焊接的特殊性，通过大量试验，找出了焊接工艺参数的最佳数值。

1 焊前准备

生产脐带缆内套钢管所用的超级双相不锈钢无缝管越长，所需要的对接焊也就越少，因此钢管自然是越长越好，但是这受到无缝管生产设备等条件的限制，因此一般长度为12～40 m。由于钢管比较长，这给对接焊前的精密对头造成了困难。其不锈钢钢管本身的质量也对对接焊质量有很大的影响，因此，需做好以下工作：

（1）校直。将准备焊接的两个管端处完全校直，每个管端校直长度大于400 mm，以保证管管对接时的对口装夹，使得完全校直端的两端轴线在同一条直线上。

（2）整圆。将校直好的准备对接焊的两个管端采用冷整圆方法进行整圆，使不小于50 mm的管端消除椭圆。

（3）管子切割后去除管口毛刺。并对管口两侧适当范围内的管壁内外表面清理。

2 管-管精密组对

2.1 影响管-管精密组对的因素

从工艺角度看，对焊焊件的要求通常以沿轴线全长的直线度、焊缝处的圆度、错边等要素来评价。焊件轴线的直线度是最基本的要求，由对焊两管件的同轴度来实现。装配所能达到的同轴度决定了焊件轴线所能达到的直线度和焊前加工尺寸在焊后的同轴度。因此装夹系统必须在定位夹紧时保证相应的位置公差—同轴度[6]。

对于全位置焊接而言，工件的组对精度对焊缝的质量稳定性起着决定性作用。全位置钢管自动焊要保证焊接工艺的重现性，焊接组对是焊前准备工作中最关键的环节。影响钢管组对精度的几个主要因素有以下几点：

（1）钢管壁厚误差和管径误差。壁厚误差和管径误差的大小会严重影响到管子的组对精度，误差过大，管子组对时的错边量也大，从而影响焊接质量[5]。

（2）钢管的直线度。钢管的直线度特别是管端的直线度对对接的精度有着很大的影响。试验时的钢管管端的直线度有时达到500 mm偏差4～5 mm。

（3）组对夹具的加工精度。虽然用来定位两端钢管的左右侧夹具的圆槽是一次定位加工出来的，但实际上还是有一定的误差的。

（4）左右夹具之间安装焊接机头的轴向空隙大小。用来定位两端钢管的左右夹具之间安装焊接机头的轴向空隙越短，越能保证焊件焊接处的直线度。如封闭式焊接机头其轴向距离约50 mm，钢管左右侧都只要伸出25 mm即可。在实际作业过程中，大多数需加丝的开放式焊接机头轴向距离在140 mm左右，安装焊接机头的一侧钢管至少得伸出110 mm左右。因此选购焊接机头时轴向尺寸也是一个得考虑重要的因素。

对于钢管组对采用一端固定，另一端采用十字滑台进行高低位置、前后位置的微调的方法（或一端进行高低位置微调，另一端采用前后位置的微调），存在着一定的不足： 焊接后钢管的直线度、同轴度无法保证。可调整的定位装置，没有了现有定位装置的直线度保证。左右定位装置的安装误差、滑台的加工和安装误差、滑台手工调整误差等都会对焊接后钢管的直线度产生一定的影响。焊接后前后钢管的直线度可能较差，前后二根钢管的轴心也有可能不在同一条轴线上。

2.2 保证管-管精密组对的工装设备

全位置自动焊接机头通过其自身固有的夹块固定在一侧的不锈钢管子上，并将钢管快速装夹在对焊工装上。

管-管对接组对时，两端应齐平，无间隙，错边量不宜超过管壁厚度10%，且控制在±0.2 mm。为降低应力，对中时应尽可能使对焊两管处于自由状态，严禁在管子拉应力状态时对中固定。

在试验中，主要出现的缺陷有焊偏、错边及未融合等。究其原因，主要是组对装夹的问题。由于管子壁薄、外径小，接口处很窄，对中很难保证。所以，设计了一种在焊接小管径钢管时的高精度工装夹具以保证对中，该组对工装，主要由左、右、中三套夹具，三维微调装置和快速夹钳等组成，可实现准确、快速的组对，结构如图1所示。图中，中夹具下面有三维微调装置，主要解决两端钢管的准确组对问题，保证组对的准确性，其三个方向的调节精度可达到0.03 mm。同时为了满足焊接后钢管的直线度，左、右夹具上的V形槽 （半圆槽）是在一次定位同时加工出来的，并将安装焊接机头的位置减少到尽可能短，以尽可能减少钢管弯曲带来的错边。

图1 小管对接精密组对工装示意图

3 全位置焊接

焊接时须保证在整个焊缝周围具有连续不断的无紊流氩气保护。通常根据情况采用纯氩或高纯氩进行正面/背面的保护，焊接之前和焊接结束后应保证足够的提前充气和滞后停气；对于背面气体保护应控制其流量和规则性，避免管内产生高压；对于正面保护气体，气体流量不宜过大，否则会影响电弧的稳定性，造成电弧偏转[5]。

3.1 焊接机头的选择

对于直径5～58 mm，壁厚≤1.5 mm的薄壁钢管之间的对焊，一般采用密封式机头就可以了，被焊母材加热熔化后直接连接起来，由于采用密封式设计，气保护效果更加充分，并带有可保证被焊件精确定位的复式夹具。但密封式管焊接头不能进行填丝焊，只能用于3 mm以下的不锈钢管管焊。

深海脐带缆中的超级双相不锈钢管，其壁厚一般0.5～3 mm，基本也是在3 mm以下的。但是脐带缆所用钢管在深海下使用，且工作条件复杂、恶劣，对抗腐蚀等性能要求非常高，需要加填充焊丝改变焊缝成分以提高焊缝接头的质量。由于保护气体为纯氩，无氧化性，焊丝熔化后成分基本不发生变化，所以焊丝成分即为焊缝成分。所以脐带缆钢管对接焊中一般采用了加丝的开放式全位置TIG焊机。但开放式全位置TIG焊机也给钢管的精密组对带来了困难，更何况对接的是十多米、甚至数十米长的钢管。

焊接试验设备为法国宝利苏迪全位置焊管机，主要组成部分包括：PS164-2便携式电源、MUIV8/38P焊接机头 （适用范围为准8～38 mm）和Polyfil-3送丝机等。内置60个预置程序，基本涵盖了常用的多种不同材料，不同管径和厚度的焊接应用。可通过内置打印机打印出焊接实时参数，通过内部存储器或存储卡存储程序，直接调用内存中的16个程序。从而大大降低了对操作人员的技术要求，并保证了焊缝质量。

全位置自动焊接机头上的钨极在齿条的驱动下沿管子外壁连续旋转，从而实现全位置自动焊接。

通过对各焊接工艺参数的优化配置，可获得非常理想的薄壁不锈钢管件焊缝质量和外观成形。

3.2 对焊试验

试验用的是S32750（SAF2507）超级双相不锈钢无缝管，规格准14.7 mm×1 mm，长度12 m。

双相不锈钢管的焊接材料或填充材料通常采用比母材含镍高的材料，对于含氮的双相不锈钢要求焊材和母材的含氮量相同，以保证焊缝金属有足够的奥氏体量。所以焊丝采用了25.10.4 L，直径为1.0 mm。

钨极直径为 2.4 mm，喷嘴直径为10 mm，外保护气体为99.99%的氩气，喷嘴气体流量约为6～10 L/min，内保护气体为纯氮气，气体流量约为10～15 L/min。

管-管对接不留间隙，组对时也不能使用点焊，以免降低焊缝的抗腐蚀性能，在精密组对工装上组对后，钨极与管壁间距1.2～1.5 mm，并使钨极位于对接口中央，起弧位置5点，一次焊接成形。焊接速度为90～110 mm/min，脉冲持续时间0.2 s。焊接电流68～74 A，电压12～14 V。

对盘管前经X射线平板检测系统检测合格后的部分接头分别进行了拉伸、弯曲、压扁等力学性能试验。

拉伸试验按照ASTM A1016/A1016M，ASTM E8/E8M和ASTM A370执行，测试的试样数量符合ASTM A789/A789M要求。拉伸试验断裂处均在母材上，试验结果见表1。

表1 拉伸试验结果

硬度试验表明，母材和带焊接接头的管材洛氏硬度平均值约为30。

压扁试验按照ASTM A1016/A1016M和ASTM A370执行，每一批管。下压量100%时，均无裂纹现象，焊缝处也完好。

弯曲试验采用半管冷压弯曲，焊缝对准上压头，冷弯半径15 mm，面弯和背弯180°均未出现开裂现象。

力学性能试验结果证明，焊缝质量良好，焊缝的综合力学性能与母材接近。

用几十根钢管经对焊、抛光、焊缝100%经X射线平板检测系统检测合格后盘成了几百米长的盘管。盘成盘管后的焊缝也没有出现裂纹等外观上的缺陷。

经最高100 MPa的压力试验表明，环焊缝的性能也能满足产品安全性和可靠性要求。

4 实际应用及结论

在生产线上经过大量的对接焊试验，选择了合理的焊接规范参数，并且通过对未盘卷的一头管子内通保护气体，获得了焊缝内外表面成形美观、根部焊透性好、接头质量稳定可靠等性能优良的焊接接头。

采用全位置TIG对接焊机进行焊接，从拉伸、弯曲试验，压力试验和X射线平板检测系统检测结果来看，其焊接接头的力学性能可满足要求。

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