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[摘 要]主要介绍了现在广泛使用的海底管线铺设焊接技术——熔化极全自动气体保护焊。为了适应大管径、厚壁X65钢管的焊接要求，同时保证施工效率，开发了合理的坡口形式以及恰当的焊接参数，此工艺在海底管线的铺设中具有优越的焊接质量和效率。
[关键词]海底管线；大口径厚壁管道；窄间隙坡口；全自动焊；焊接缺陷
中图分类号：TD424 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0319-01
0.前言
随着中国海洋油气工业的快速发展，作为动脉和生命线的海底管线日益引起世界的关注。焊接质量和焊接速度直接决定着海底管线的铺设效率，所以近几十年来各种高效的焊接工艺在焊接施工中得到了飞速发展和应用。海管铺设的焊接工艺经历了手工电弧焊工艺、半自动焊工艺和全自动焊工艺，所涉及的焊接方法包含手工电弧焊、药芯自保护焊以及熔化极气体保护焊。早期的自动焊均为单炬单丝焊接系统，近20年来双头双丝焊接设备和工艺均得到了发展和应用。与单头单丝系统相比，双头双炬焊接系统效率提高一倍以上；同时由于二丝与一丝的熔池相距50mm，二丝熔池对一丝的焊道有回火作用，降低焊缝硬度的同时增加了焊缝韧性。
本文主要介绍了应用于荔湾3-1油气田的海底管线焊接施工中的GMAW全自动焊焊接工艺，在SERIMAX生产开发的双头双炬焊接设备基础上，对焊接工艺评定、焊工培训和焊工考试精心准备和组织实施。接下来主要对X65级别钢的全自动焊工艺及易见缺陷进行介绍。
1.试验管材
试验管材为国产的直缝埋弧焊管，尺寸为762mm×28.6mm的API 5L X65级钢。其化学成分及力学性能详見表1。钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，通常使用碳当量衡量钢材的焊接性。
对于中、高强度的非调质钢，国际焊接学会（IIW）采用公式：
Ceq=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5
经计算试验用X65钢的碳当量Ceq=0.31%，较低的含碳量使得X65钢具有良好的焊接性，可以看出X65钢具有较低的淬硬性，产生冷裂纹的倾向较低。但是X65钢的屈服强度相对较高，通常≥460Mpa，所
以在焊接前对管口进行110℃左右的预热，预热范围为坡口两侧50mm。因为壁厚为28.6mm，故使用电阻片加热方式。试验证明在预热的情况下，X65钢在使用熔化极气体全自动焊工艺不会产生冷裂纹。
2.焊接工艺设计
全自动焊采用下向焊，采用直流正接极性（焊丝接负），焊丝为AWS ER70S-6，直径为1.0mm，保护气体50%CO2+50%Ar，保护气体流速为55L/min。采用此种比例的混合气，在保证了焊接熔深的同时大大减小了由于CO2气体引起的飞溅。海管组对使用内对口器，在合适的焊接参数基础上，可以在内对口器的铜靴表面直接成形。全自动焊焊接参数取决于母材和坡口设计。荔湾3-1油气输送管道壁厚为28.6mm，故采用薄层多道焊工艺，现已成功开发该规格尺寸的全自动焊焊接工艺。
2.1 坡口设计
全位置自动焊采用的是窄间隙U型坡口，良好的坡口形式不止决定焊接接头的质量和性能，同时能减小焊接变形以及降低焊接材料的消耗。坡口的形状和尺寸见示意图1，坡口由专用的坡口加工机加工而成。
1.使用U型坡口的优点
（1）尺寸精密、管端垂直度高，有利于保证组对精度，并节省组对时间，从而提高施工效率；
（2）相比于半自动焊的V形坡口，U形坡口的焊缝金属填充量大大减少，故焊接效率将大大提高；
（3）由于坡口带有约2mm的钝边，在合适的焊接参数条件下可在内对口器的铜靴上直接背部成形；
（4）热影响区较小，可有效减少焊接变形。
2.2 线能量
由于X65级别钢材含有Nb、V、Ti等微量合金元素，为了避免由于沉淀相的溶入以及晶粒过热长大引起的脆化，选择线能量应相对小一些，同时为了避免出现冷裂纹的倾向，选择较小线能量的同时采用焊前预热110℃左右来降低焊缝的冷却速度，这样在焊后不出现延时裂纹的前提下保证了焊缝过热区的塑性和韧性。
热输入线能量的计算公式：
Q=n*U*I/V；
其中n为焊接工艺的加热有效系数，熔化极气体保护焊n取0.8，U、I分别代表焊接时电弧电压和焊
接电流，V为焊接速度。全自动焊线能量约为Q=4～5 KJ/cm，热输入较小，不会使Nb、V、Ti等微量合金元素的沉淀相溶入，同时避免了过热区晶粒长大引起的脆化；为了降低冷却速度，增加冷却时间t8/5，采用焊前预热避免焊缝的冷裂倾向。
2.3 焊丝摆幅
由于双头双炬焊接系统的焊接工艺参数均由计算机控制，所以在焊接施工时焊接参数均依照设定值运行，这就要求在设计工艺时要确保精确。焊丝摆幅的设计原则为：
（1）确保坡口两侧母材完全熔化，并与焊接填充金属均匀结合；
（2）避免焊丝与坡口壁短路，打伤坡口或者损坏导电嘴，造成不可修复的缺陷。
如果焊丝摆幅过小，极易造成未熔合缺陷；如果焊丝摆幅过大，容易在坡口内壁产生弧坑或者损坏导电嘴。
3.评定实验
按照标准DNV OS F101和项目工艺规格书对焊件进行评定。
3.1 无损检验
1.全自动焊盖面焊道成形美观，不存在咬边、余高超标等缺陷，尤其3点钟至6点钟位置有明显优势；打底焊熔池直接在内对口器铜靴表面成形，内部焊道均匀，使用单丝根焊不会出现内凹、塌陷等缺陷。评定焊件均通过相关标准要求的规定。
2.外观检验合格后，采用射线检验方式进行检验，各项指标全部达到DNV OS F101 2007要求。
3.2 机械性能试验
依照DNV OS F101对焊件进行相关的力学性能
试验，各项指标全部达到要求，焊缝性能良好。
4.结论
全位置熔化极气体保护焊作为现在应用最为广阔的海底管线的焊接工艺，针对30in管径，壁厚28.6mm的大管径、厚壁X65级管线钢实属首次。从焊接工艺评定以及焊工资质认证实践证明，全自动焊工艺有以下优点：
（1）应用窄间隙U形坡口和双头双炬焊接系统，填充金属少，焊接热影响区小并有效减小了焊接变形，同时大大提高了焊接效率；
（2）根焊可直接在内对口器表面成形，并且美观均匀，保证根焊焊接质量，避免根焊清渣；
（3）采用薄层多道焊，并在焊前预热110℃左右，严格控制焊接工艺参数和层间温度，避免了冷裂纹倾向的同时保证了焊缝以及过热区的韧性和塑性，完全满足施工依照标准和工艺规格书的要求。
参考文献
[1] 张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，1996年.
[2] 曹军，焦向东等.海底管线铺设焊接工艺与设备研究[J].船海工程，Vol.39 No.3 Jun.2010.
[3] 张莉，张玉凤等.X65管线钢焊剂接头抗开裂性能及止裂性能[J].天津大学学报，Vol.37 No.4 Apr.2010.
[关键词]海底管线；大口径厚壁管道；窄间隙坡口；全自动焊；焊接缺陷
中图分类号：TD424 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）12-0319-01
0.前言
随着中国海洋油气工业的快速发展，作为动脉和生命线的海底管线日益引起世界的关注。焊接质量和焊接速度直接决定着海底管线的铺设效率，所以近几十年来各种高效的焊接工艺在焊接施工中得到了飞速发展和应用。海管铺设的焊接工艺经历了手工电弧焊工艺、半自动焊工艺和全自动焊工艺，所涉及的焊接方法包含手工电弧焊、药芯自保护焊以及熔化极气体保护焊。早期的自动焊均为单炬单丝焊接系统，近20年来双头双丝焊接设备和工艺均得到了发展和应用。与单头单丝系统相比，双头双炬焊接系统效率提高一倍以上；同时由于二丝与一丝的熔池相距50mm，二丝熔池对一丝的焊道有回火作用，降低焊缝硬度的同时增加了焊缝韧性。
本文主要介绍了应用于荔湾3-1油气田的海底管线焊接施工中的GMAW全自动焊焊接工艺，在SERIMAX生产开发的双头双炬焊接设备基础上，对焊接工艺评定、焊工培训和焊工考试精心准备和组织实施。接下来主要对X65级别钢的全自动焊工艺及易见缺陷进行介绍。
1.试验管材
试验管材为国产的直缝埋弧焊管，尺寸为762mm×28.6mm的API 5L X65级钢。其化学成分及力学性能详見表1。钢材的化学成分对焊接热影响区的淬硬及冷裂倾向有直接影响，通常使用碳当量衡量钢材的焊接性。
对于中、高强度的非调质钢，国际焊接学会（IIW）采用公式：
Ceq=C+Mn/6+（Ni+Cu）/15+（Cr+Mo+V）/5
经计算试验用X65钢的碳当量Ceq=0.31%，较低的含碳量使得X65钢具有良好的焊接性，可以看出X65钢具有较低的淬硬性，产生冷裂纹的倾向较低。但是X65钢的屈服强度相对较高，通常≥460Mpa，所
以在焊接前对管口进行110℃左右的预热，预热范围为坡口两侧50mm。因为壁厚为28.6mm，故使用电阻片加热方式。试验证明在预热的情况下，X65钢在使用熔化极气体全自动焊工艺不会产生冷裂纹。
2.焊接工艺设计
全自动焊采用下向焊，采用直流正接极性（焊丝接负），焊丝为AWS ER70S-6，直径为1.0mm，保护气体50%CO2+50%Ar，保护气体流速为55L/min。采用此种比例的混合气，在保证了焊接熔深的同时大大减小了由于CO2气体引起的飞溅。海管组对使用内对口器，在合适的焊接参数基础上，可以在内对口器的铜靴表面直接成形。全自动焊焊接参数取决于母材和坡口设计。荔湾3-1油气输送管道壁厚为28.6mm，故采用薄层多道焊工艺，现已成功开发该规格尺寸的全自动焊焊接工艺。
2.1 坡口设计
全位置自动焊采用的是窄间隙U型坡口，良好的坡口形式不止决定焊接接头的质量和性能，同时能减小焊接变形以及降低焊接材料的消耗。坡口的形状和尺寸见示意图1，坡口由专用的坡口加工机加工而成。
1.使用U型坡口的优点
（1）尺寸精密、管端垂直度高，有利于保证组对精度，并节省组对时间，从而提高施工效率；
（2）相比于半自动焊的V形坡口，U形坡口的焊缝金属填充量大大减少，故焊接效率将大大提高；
（3）由于坡口带有约2mm的钝边，在合适的焊接参数条件下可在内对口器的铜靴上直接背部成形；
（4）热影响区较小，可有效减少焊接变形。
2.2 线能量
由于X65级别钢材含有Nb、V、Ti等微量合金元素，为了避免由于沉淀相的溶入以及晶粒过热长大引起的脆化，选择线能量应相对小一些，同时为了避免出现冷裂纹的倾向，选择较小线能量的同时采用焊前预热110℃左右来降低焊缝的冷却速度，这样在焊后不出现延时裂纹的前提下保证了焊缝过热区的塑性和韧性。
热输入线能量的计算公式：
Q=n*U*I/V；
其中n为焊接工艺的加热有效系数，熔化极气体保护焊n取0.8，U、I分别代表焊接时电弧电压和焊
接电流，V为焊接速度。全自动焊线能量约为Q=4～5 KJ/cm，热输入较小，不会使Nb、V、Ti等微量合金元素的沉淀相溶入，同时避免了过热区晶粒长大引起的脆化；为了降低冷却速度，增加冷却时间t8/5，采用焊前预热避免焊缝的冷裂倾向。
2.3 焊丝摆幅
由于双头双炬焊接系统的焊接工艺参数均由计算机控制，所以在焊接施工时焊接参数均依照设定值运行，这就要求在设计工艺时要确保精确。焊丝摆幅的设计原则为：
（1）确保坡口两侧母材完全熔化，并与焊接填充金属均匀结合；
（2）避免焊丝与坡口壁短路，打伤坡口或者损坏导电嘴，造成不可修复的缺陷。
如果焊丝摆幅过小，极易造成未熔合缺陷；如果焊丝摆幅过大，容易在坡口内壁产生弧坑或者损坏导电嘴。
3.评定实验
按照标准DNV OS F101和项目工艺规格书对焊件进行评定。
3.1 无损检验
1.全自动焊盖面焊道成形美观，不存在咬边、余高超标等缺陷，尤其3点钟至6点钟位置有明显优势；打底焊熔池直接在内对口器铜靴表面成形，内部焊道均匀，使用单丝根焊不会出现内凹、塌陷等缺陷。评定焊件均通过相关标准要求的规定。
2.外观检验合格后，采用射线检验方式进行检验，各项指标全部达到DNV OS F101 2007要求。
3.2 机械性能试验
依照DNV OS F101对焊件进行相关的力学性能
试验，各项指标全部达到要求，焊缝性能良好。
4.结论
全位置熔化极气体保护焊作为现在应用最为广阔的海底管线的焊接工艺，针对30in管径，壁厚28.6mm的大管径、厚壁X65级管线钢实属首次。从焊接工艺评定以及焊工资质认证实践证明，全自动焊工艺有以下优点：
（1）应用窄间隙U形坡口和双头双炬焊接系统，填充金属少，焊接热影响区小并有效减小了焊接变形，同时大大提高了焊接效率；
（2）根焊可直接在内对口器表面成形，并且美观均匀，保证根焊焊接质量，避免根焊清渣；
（3）采用薄层多道焊，并在焊前预热110℃左右，严格控制焊接工艺参数和层间温度，避免了冷裂纹倾向的同时保证了焊缝以及过热区的韧性和塑性，完全满足施工依照标准和工艺规格书的要求。
参考文献
[1] 张文钺.焊接冶金学[M].北京：机械工业出版社，1996年.
[2] 曹军，焦向东等.海底管线铺设焊接工艺与设备研究[J].船海工程，Vol.39 No.3 Jun.2010.
[3] 张莉，张玉凤等.X65管线钢焊剂接头抗开裂性能及止裂性能[J].天津大学学报，Vol.37 No.4 Apr.2010.