高 山

（山东钢铁集团股份有限公司莱芜分公司机动力部，山东 济南 271104）

随着社会的发展进步，各行各业也在开拓发展，其中的海上石油工业，凭借着先进的科学技术与设备，也在向着深海进军，这便需要建造更加复杂、庞大的海洋工程钢结构，建造这些钢结构需要更长的时间，付出更多的人力。在钢管的建造过程中，其中首要的工作便是对钢管的焊接，这个步骤的工作量超过组块建造的17%，接近导管架建造的42%，因此，钢管焊接的过程直接影响到后续的建造，焊接工作效率高，焊接质量优异，是生产高品质成型钢结构的重要基础，在保证效率与质量的情况下，在焊接过程中节约成本也是焊接新工艺首要考虑的因素。

1 埋弧焊接工艺的概述

焊弧焊接不仅具有高效性，且焊接的制管品质也比较高，被广泛应用于制管的焊接过程中，一般情况下，海洋工程平台环境恶劣，对钢管结构的制作工艺要求较高，其对焊缝的力学能力以及钢材的原料要求远远高于一般钢结构，因此，在对海洋钢结构的焊弧焊接时，一般采用双丝或者单丝焊接[1]。在海洋石油行业的高速发展下，海洋平台的建设越来越多，也在向深海领域扩张，对制管焊接的要求越来越高。相比于单丝埋弧焊接，四丝埋弧焊接有更长的熔池时间，能够使冶金过程发生充分的反应，能够提供充裕的气体并排除近乎所有的杂质，大大降低了原材料的热循环次数，使该过程的热循环时间延长，避免了寒风热裂纹的出现，并使得气孔敏感性减弱，增加焊缝熔的宽阔性，保证制管连接的稳固性，并大大降低了焊接时间，从而提高海洋工程制管焊接的效率。

2 传统焊接工艺与四丝埋弧工艺

2.1 传统埋弧焊接工艺的不足

在传统的埋弧焊接工艺中，单丝埋弧的打底焊一般应用STT，而对制管的盖面、填充，一般采用埋弧焊，焊接的接头坡口，大多是X形破口，其中的钝边宽度为1mm[2]，组对间隙一般为3mm，焊接方式为正反两面实行焊接。而在埋弧焊接的另一种焊接方式中，双丝焊接是近几年开发的新焊接方式，但应用率较低，并未得到广泛的应用，其缺陷也比较显著，焊接效率过低，与以往的单丝焊接相比，并没有明显的提升。而传统的四丝焊弧焊接，双面焊接的厚度不超过23mm，达不到海洋工程制管的双面焊接厚度要求，其低温冲击只能在-15℃以上，不能满足到海洋工程制管的低温要求，并且传统的四丝焊弧焊接的性能低下，CTOD试验也不达标。

2.2 四丝埋弧工艺的改进

通过分析传统四丝埋弧焊接工艺的不足，探讨其改进方法，开发出创新的四丝埋弧焊接工艺，以提高海洋工程制管的焊接效率。本文研究的四丝埋弧焊接新工艺，具体内容如下：在焊机的选择过程中，采用升降式大臂焊机，还需要配置能够直线移动的重载地平车，在对四丝埋弧焊接的焊接速度也有较高的提升，其焊接速度超过2.1m/min，平均每小时的熔金重量超过42kg，现阶段，单丝埋弧焊姐工艺的焊接速度仅仅只有0.7m/min[3]，这意味着改进的四丝埋弧焊接工艺的焊接效率达到单丝埋弧焊接的3倍。对四丝埋弧焊接的电源选择中，采用的是5台高科技逆变电源，不仅能够产生可变交流电，也能自由调制相位、频率、波形平衡等，在原有的可调节参数上，改进的四丝埋弧焊接工艺的可调制参数达到21个，所有参数都决定着熔池的宽度、深度，以及焊缝的高度与形态，通过多参数的联合控制，使焊接的制管质量更高。而对四丝焊接工艺的控制过程，采用高科技、高性能的数字集成控制器，对焊接过程所需要的参数全部编程，进行全面的自动化焊接，降低了人工操作的不稳定性，使得制管焊接的精确度大大提高。

3 焊接新工艺开发

材料选择为GB712-2000钢板，焊丝采用JW-1.3mm，焊机采用SJ101，坡口采用55°X形坡口，其规格为320mm×320mm，在焊接控制系统选择中，采用高性能的数字化集控系统，并在焊接前制定好所有参数并完成程序的编辑，参数一旦制定好，就不能在焊接过程中改变，避免影响焊接工程的精确度，这也使得工作量大大减少，避免人为干扰。在影响焊接工艺的效率与质量因素中，有诸多因素，其中焊接热输入直接决定焊接热循环过程，一定要控制好焊接热输入的大小，在四丝埋弧焊接中，电流一般较大，因此，焊接热输入也需要较大的值，一般要达到-40℃的低温冲击，因此，要输入正确的热输入数据，并分析力学性能与热输入的平衡点。焊丝中心需要与焊缝中心重合，避免摆动电弧的产生，防止正反面错位，并保证焊丝倾角与间距的适当。在相位控制中，需要分析焊丝之间的相位角差距，避免焊接过程中电弧相互影响而降低焊接质量。在波形控制中，由于波形种类取决于电源模式，在交流电为电源的焊接工艺中，保证其他参数一定的情况下，使波形平衡越小越好。而在其他影响因素中，也需要选择最合适的值，焊丝干伸长一般为37mm；焊丝倾角一般为-13°，0°，13°，24°；焊丝间距一般为21mm，20mm，22mm；电弧需要严格控制，避免焊缝过宽。

4 无损检测与力学性能测试

4.1 力学性能测试

通过AWS D1.1-2008标准，对成型焊接制管进行拉伸试验，经过多次检测，发现成型焊接制管的抗拉强度原材料，远远超过焊接制管抗拉强度的标准要求，在对A8（38mm）-1与A8（38mm）-2的横向拉伸测试中，其横向拉伸强度皆超过590MPa，且断裂位置都在原材料部位，这表明焊缝的横向拉升强度超高，且其抗拉强度远远高于原材料，详细见表1，表2。

表1 焊缝拉伸测试结果

表2 横向拉伸测试结果

表3 37mm板冲击检测结果

在对焊缝的冲击检测中，将成型的焊接制管放在冷却槽中，使其温度降低至-15℃，试样缺口位置分别在根部熔合线、熔合线+4.5mm，熔合线+1.5mm、熔合线、焊缝中心，根据对焊接制管的多次冲击检测表明，其平均吸收能量＞40J，单个冲击吸收能量＞30J，为往后的-40℃超低温冲击提供了参考基础，详细见表3。

在对成型的焊接制管的弯曲检测中，对焊接制管进行多个方位的弯曲取样，在多次的弯曲检测中，发现其在弯曲角超过180°，压头直径为60.1mm的检测标准中，依旧符合标准，未发生折断现象。

4.2 无损检测

通过AWS D1.1-2008标准，对焊接成型的制管进行磁粉、超声、射线等效果进行检测，结果显示全部达标，焊缝完形光滑完美，表面气孔的出现概率为零，也没有产生裂纹、夹渣等现象。

5 结语

在海洋石油的深海开发中，海洋工程需要越来越先进的技术与设备支撑，而其中的焊接工艺作为海洋工程的首要步骤，更是海洋工程开展的基础，需要不断的创新完善，提高焊接过程的效率，保证海洋工程钢结构的质量，促进海洋工程事业的发展。