全数字脉冲MIG焊在LNG项目低温管线焊接中的应用

王志坚 孙建文

全数字脉冲MIG焊在LNG项目低温管线焊接中的应用

王志坚 孙建文

【摘要】通过对LNG项目模块化建造工艺管线中的低温碳钢ASTM A333 Gr.6和奥氏体不锈钢ASTM A312 TP304L的焊接性分析，采用全数字脉冲MIG焊进行管道全位置焊接工艺评定，焊缝的性能满足LNG项目技术规格书和ASME B31.3的要求，焊接效率比常规的手工焊填充、盖面提高了一倍左右，确保了LNG项目的建造质量和进度。

1. 概述

2014年，中国石油集团承揽俄罗斯YAMAL LNG项目，该项目位于俄罗斯北极圈以内，亚马尔半岛上南坦别伊天然气田每年有9个月的冰期，最低-52℃。工程为168个模块，钢结构重量5万多t，工艺管线19万m，尺寸0.5～72in（1in=25.4mm）。该项目中主要是管廊上的管线预制，预制长度在20～44m，其中LNG管线（运行温度在-169 ℃）需要做深冷保温。由于项目采用在青岛预制，俄罗斯组装，所以对精度要求高。

传统的工艺管线焊接采用手工氩弧焊（GTAW）和焊条电弧焊（SMAW）进行焊接，焊接效率和合格率不高，提高工艺管线的焊接效率和合格率是保证项目进度的关键。为解决上述问题，我们进行了工艺管线的制作工艺改革，现场安装部分的焊接采用半自动数字MIG焊进行全位置焊。本文着重讨论在LNG项目模块化建造中，设计温度为-50℃和-196℃的低温碳钢管线和不锈钢管线的全数字脉冲MIG焊的应用。

2. 材料焊接性分析

YAMAL LNG项目低温管线主要包括低温碳钢管线和不锈钢管线，最具代表性的低温碳钢管线材料为ASTM A333 Gr.6、A671 Gr.CC60，管件材料为ASTM A350 LF2 CL1、A420 WPL6，通常在-45℃的低温环境下使用，其wC＜0.3%，淬硬及冷裂倾向都较小，韧性和塑性好，焊接时一般不易产生硬化组织和裂纹缺陷。不锈钢管线为ASTM A312/A358/A403 TP304/304L, 316/316L，管件材料为ASTM A182 F304/304L，316/316L，通常可用于温度达-196℃的深冷工况，304L和316L具有超低碳含量，使得在近焊缝的热影响区中尽量少析出碳化物，从而大大降低晶间腐蚀。

3. 焊接工艺评定

（1）母材的确定 LNG项目工艺管线的焊接标准为ASME B31.3和ASME IX，按照ASME IX标准，ASTM A333 Gr.6和304L的材料进行焊接工艺评定可以覆盖YAMAL项目工艺管线材料的焊接。试验用母材的化学成分和力学性能如表1、表2所示。

表1　低温碳钢的化学成分和力学性能

（2）焊接方法和焊接设备的确定焊接方法确定：根据LNG项目工艺管线的特点和项

目技术规格书要求，既要满足项目的要求，又要提高工艺管线的焊接质量和效率，因此现场工艺管线采用手工氩弧焊进行根焊和热焊，然后采用半自动全数字脉冲MIG焊进行填充和盖面。因为氩弧焊根焊的焊道厚度只有2～3mm，所以必须再进行一道热焊才能进行脉冲MIG焊。根据脉冲MIG焊的焊接特点，采用半自动脉冲MIG焊进行管线的填充和盖面，可以大幅提高焊接效率，相应减少出现焊接缺陷的概率。

表2　不锈钢的化学成分和力学性能

焊接设备的选择：手工氩弧焊选用LINCOLN AC/DC TIG275进行根焊和热焊，填充和盖面的焊接选用松下全数字脉冲MIG/ MAG焊机500GL3（见图1），采用脉冲模式进行焊接。

采用普通C O2气体保护焊（见图2）与脉冲MIG焊（见图3）分别焊接低温碳钢。CO2气体保护焊焊接参数：焊接电流为176A，电弧电压为20.8V；脉冲MIG焊焊接参数：焊接电流为134A，电弧电压为20.4V。从对比结果可知，脉冲MIG焊从控制热输入、飞溅和焊缝成形来看，优势是显而易见的。

（3）碳钢管线的焊接工艺评定根据YAMAL项目碳钢低温管线设计温度为-50℃的要求，碳钢管线焊接工艺焊材采用合金钢焊丝、广泰KT—80Ni1/KM—80Ni1(ER80S—Ni1)的TIG丝和MIG丝，满足-60℃低温冲击吸收能量≥27J。焊接工艺评定要求如表3、表4所示。

（4）不锈钢管线的焊接工艺评定YAMAL项目不锈钢管线系统的设计温度要求不同，包括-50℃、-104℃和-196℃，因此焊接工艺评定的低温冲击温度选择-196℃，选择广泰KT—308L/ KM-308L (ER308L)的焊丝作为填充材料，并且要求焊丝的冲击侧向膨胀率＞0.38mm，铁素体含量≤6FN。具体的焊接工艺评定要求和焊接参数如表5、表6所示。

图 1

4. 焊接工艺评定性能试验及分析

（1）碳钢管线力学性能试验焊接工艺评定试验结果如表7所示。低温碳钢工艺评定的拉伸、弯曲和冲击韧性均满足YAMAL项目的要求，焊接接头进行焊后退火，焊缝的冲击韧性有明显提高。

（2）304L不锈钢力学性能试验 焊接工艺评定试验结果如表8所示。不锈钢工艺评定的拉伸、弯曲和冲击韧性均满足YAMAL项目的要求，冲击试件在-196℃的侧向膨胀率均＞0.38mm，铁素体含量＜4FN。

图 2

图 3

（3）焊接接头金相组织分析低温碳钢母材、焊接接头金相显微组织如图4所示。

母材组织和热影响区为体素体+珠光体，焊缝组织是以铁素体为主，含少量珠光体的状晶，组织均匀，低温断裂韧性良好。

表3　低碳钢焊接工艺评定设计

表4　焊接参数

表5　奥氏体不锈钢304L焊接工艺评定设计

表6　焊接参数

表7

表8

不锈钢母材、焊接接头金相显微组织如图5所示。母材的组织为均匀奥氏体，焊缝组织为奥氏体+少量的铁素体，铁素体含量＜4FN。

5. 焊接效率和焊接合格率分析

为满足YAMAL项目的建造进度，在进行工艺管线的焊接工艺评定时，不仅进行了脉冲MIG填充和盖面的焊接工艺评定，还进行了手工焊填充和盖面的焊接工艺评定。我们分别进行了低温碳钢两种规格试件的焊接工艺评定，即：φ355.6mm×12.7mm和φ219.1mm×5.8mm，不锈钢也进行了两种规格试件的焊接工艺评定，即：φ219.1mm×10.31mm 和φ219.1mm×5.8mm，并分别进行了2G和5G位置的焊接，同时对手工焊和脉冲MIG填充和盖面的焊接时间进行了统计，脉冲MIG焊填充和盖面的焊接效率是手工焊的两倍左右。焊接效率与焊接位置和管壁厚度有关，管壁越厚，脉冲MIG焊的焊接效率越高，5G位置的焊接效率优势大于2G位置的。在焊接合格率方面，采用脉冲MIG焊的工艺评定试件全部合格，采用手工焊的则出现了一些焊接缺陷。

6. 结语

脉冲MIG的焊接工艺通过了YAMAL项目业主和第三方的认可，已成功用于YAMAL项目低温碳钢管线、不锈钢管线和深冷管线的焊接，焊接效率比焊条电弧焊的焊接效率提高了一倍左右，焊接一次合格率也明显提高，可达到99%。

图 4

图 5

20150307

作者简介：王志坚等，中国石油集团海洋工程有限公司。