不锈钢管道NBG焊接工艺技术要点与应用研究

摘  要：基于STT表面张力过渡焊接技术，研究开发了不锈钢管道NBG无背部保护气体焊接技术。阐述了NBG焊接工艺特点与原理，从焊评制作、焊工培训与考试、设备与耗材选用、焊前准备、焊接操作、焊后检查与质量控制等方面对焊接过程要点进行了说明。NBG焊接技术在提高焊接效率、降低施工成本的同时，可以避免由于填充惰性气体导致的潜在不安全因素的产生，保证了项目实施安全性要求。

关键字：NBG；STT；不锈钢管道；降低成本；安全性

0 前言

随着大型石油储运及炼化项目的投建，项目工作量占比超过1/4的管道预制及安装越来越重要。焊接连接是管道工程中最重要且应用最广泛的连接方式，焊接质量的好坏直接影响着管道的使用安全和寿命。常见的不锈钢管道焊接方法为GTAW（根焊）+SMAW（填充/盖面），背面需充保护气体减少焊接氧化现象。气体消耗量随管径增大而明显增多，经济性差。对于大管径作业，需进行管内人工清理，若管内保护气体未排净，极易造成工人窒息而伤亡。本研究介绍一种不锈钢管道NBG（No Backing Gas）焊接施工技术，即无需背面充保护气体的不锈钢管道焊接工艺，综合阐述该技术相关原理、施工注意事项、质量控制要点等，推进BNG焊接技术在不锈钢管道焊接方面的应用。

1 工艺特点

NBG焊接工艺彻底杜绝了惰性气体使用造成安全隐患的同时，可使气体消耗量减少95%以上，焊材利用率较手工焊（90%）提高到98%；焊接速度快、效率高，效率达到传统氩电联焊2倍以上。适用于DN450以上管道焊接，且管径壁厚越大，经济效益越显著。对于管径＞800mm或壁厚＞30mm的不锈钢管道焊接，可选用自动SAW填充盖面，进一步提高焊接效率。

2工艺原理

NBG焊接工艺本质上属于熔化极气体保护焊（GMAW），封底焊采用GMAW-S焊接方法，即STT半自动封底焊接，背部不充保护气体；热焊道采用GMAW-P小电流快速焊接，避免或减小热焊道热输入大对封底焊道的后热氧化作用；采用GMAW-P、GTAW、FCAW-G或者SAW焊接方法进行填充及盖面层的焊接。

STT焊接是一种以表面张力为主要熔滴过渡力的熔化极气体保护焊，搭配美国林肯STT焊机，可根据瞬间电弧要求控制基值-峰值电流输出，基值电流影响背面成型，峰值电流影响正面成型[1]。在形成短路“小桥”后焊接电流瞬间减小，在表面张、重力和电磁力作用下，拉断金属“小桥”，使熔滴由短路过渡转变为自由过渡[2]。使用独立的波形控制技术，能够根据熔滴的不同过渡过程，自动调节电流和电压，有效控制电弧所需的瞬时热量，实现较小飞溅、成型美观，能够用于打底焊接，可用于替代“短路过渡”焊。

不锈钢管道NBG焊接工艺是对现有STT模型焊机的传感器反馈系统和控制系统进行优化升级，进一步提高对焊缝熔敷金属的控制能力。不锈钢管道焊接时，仅需在焊缝外部通过根部间隙送入少量惰性气体进行局部保护，可有效控制焊接熔滴的类型和形状，无需管内充满保护气体。该焊接工艺在保证根部焊道高质量的同时，减小了打底焊内部氧化现象，同时避免了人员因惰性气体窒息的风险，提高了安全性。

3焊接工艺流程及注意要点

3.1工艺流程

下料切割→坡口制备→管口组对→QC检查→设定焊接参数→STT封底焊（免充保护气）→热焊道焊接（GMAW-P小电流焊）→填充/盖面焊接（GMAW-P/GTAW/FCAW-G/SAW）→VT与NDT→验收合格。

3.2焊评与焊工[3]

依据ASME标准制作焊接工艺评定报告，编制WPS用于指导焊接作业。NBG焊工需进行理论/实践培训与考试，包括NBG原理、焊机调节、工艺参数选择、焊接要点等，考试试件经VT和NDT合格后上岗。

3.3设备与耗材

焊接设备：NBG焊接工艺采用林肯STT模块化焊接设备，由焊接电源、送丝机、STT独立控制模组等构成，焊工选择STT焊接模式，焊机利用感应线检测电弧电压，从而实时控制电流电压，能够有效判断熔滴过渡的瞬时形态，综合利用表面张力实现焊接熔滴平稳过渡。

焊接材料：根据WPS选择焊材，焊丝应为高硅基材料，其中Si含量必须在0.65％-0.9％之间，焊丝直径以0.9mm左右为宜。能够充分利用焊丝中Si的脱氧作用，有效阻止合金元素氧化，提高熔敷金属流动性，有效提高焊缝融合效果。

保护气体：本技术需要局部充保护气体，可选用二元（98％Ar+2％CO2）或三元（90％He+7.5％Ar+2.5％CO2）混合气体，二元混合气体经济性较好，气体流量15-25 L/Min。

3.4焊前准备

防风棚搭设→工件切割→破口加工→焊前管道接地→管段组对→定位焊点→管道封口→连接焊机与气瓶→试验送丝是否顺畅。

使用自制盲板两端封堵，搭设防风棚，减少环境对焊接质量的影响。采用机械方式加工V型标准坡口，钝边1-2mm减小烧穿风险，加强对组对间隙（2-5mm）、错边量（1mm）标准要求。不锈钢热膨胀系数较大，为了减小工件受热产生的焊缝收缩变形，先焊接部分根部间隙应控制在2-4mm，后焊接部分控制在4-5mm。坡口进行彻底清理，去除铁锈、油漆、灰尘等污物；彻底去除焊缝及周边水分。

3.5焊接工艺参数

管道为全位置焊接，涉及平焊、立焊、仰焊等，采用多层多道焊工艺。封底焊选择GMAW-S（短路过度电弧焊）方法，使用林肯STT焊接设备，可调节至STT焊接模式，使用单面焊双面成型工艺[4]，厚度控制在3-4mm，减小后续烧穿情况；可调节送丝速度，焊接智能控制模块可根据反馈信号实时调配焊接电流与电压，线能量不大于0.69KJ/mm。填充焊第一层选择GMAW-P（脉冲电弧焊），利用小电流快速焊接，减小焊接热输入过大对根部焊缝的后热氧化作用，线能量不大于1.0KJ/mm。结合管径/壁厚，综合选择GMAW-P、GTAW、FCAW-G或者SAW焊接方法进行后续填充、盖面焊接。以304L材质不锈钢管为例，焊接过程参数见表3.5。

3.6焊接要点

封底焊接：焊机使用STT焊接模式，采用立向下焊接方式。为了防止焊接局部受热变形引起的根部间隙缩小，采用分块、对称的顺序施焊，见图3.6。图中6个方块为定位块，将管道平均分成6个区域，首先焊接区域1，按图中箭头方向从上往下施焊，随后对称焊接区域2，随后依次焊接区域3→4→5→6。这种焊接方式，可以使背部成型更美观，比较容易控制背面余高，确保焊接质量符合工艺要求。定位块切除后需彻底打磨干净，表面缺陷需进行NDT检验。

填充/盖面层焊接：热焊道（填充焊第1层）采用GMAW-P模式进行焊接，不需要更换焊接设备，仅需在焊机上简单调节，即可切换至脉冲电弧焊模式，采用立向上的方式焊接，先由一侧从底往上焊接完毕，再对称焊接另一侧。焊接底部时使用较小的焊接电流，随着焊接位置的上移，焊接电流适当增大。后续填充/盖面可根据情况选择焊接方法，在具备较好条件的预制厂内时，可使用自动埋弧焊焊机进行填充盖面，焊接效率和质量最好；在施焊条件较差的施工现场时，可直接利用STT焊机的GMAW-P模式，完成后续焊接，省去了拆装焊机的繁琐工作。根部填充层使用的焊接电流较小，每层可逐渐增大焊接电流。

注意事项：①为防止焊丝中的元素在焊接冶金过程产生的些许杂质溶入下一层焊道，进而影响焊接接头的腐蚀性能，每层焊接前，需将前一层焊缝表面彻底清理干净，可使用磨光机和钢丝刷去除焊渣和飞溅，同时将焊缝打磨成边高中略低的“U”形，能够极大减少夹渣等缺陷的出现。②封底焊采用轻微月牙形摆动的运条方式，确保根部及坡口两侧融合良好。在焊接区域1、2位置时，焊枪与管壁基本垂直，焊枪倾角约为0°-5°；在焊接区域3、4位置时，焊枪倾角应保持在10°-15°；在焊接5、6区域时，焊枪倾角保持在20°-25°为佳。③热焊道主要是为了加固打底焊道，同时给焊缝补充足够的热量保持焊缝较高温度，防止裂纹等缺陷的产生。该层与打底层的焊接时间间隔不能太长，应在保证增减温度满足要求的前提下，尽快完成焊接。为了避免烧穿和减小对打底焊道的影响，需采用小电流快速焊接，同时要保证坡口两侧熔合良好。④填充焊接至找平层时，低于母材表面0.5-1mm为宜，保证坡口两侧融合良好的同时，不能破坏坡口顶部棱角，以保证盖面焊接成型质量。受重力影响，区域3、4焊接时，熔敷金属下坠会导致焊层偏薄，盖面前可酌情在区域3、4位置补焊一层，能够使盖面成形更加美观饱满。盖面焊可根据焊缝宽度酌情考虑分道施焊，注意不要产生中心凹陷，焊缝表面无缺陷，焊缝顺直，焊纹成鱼鳞状为佳。⑤不锈钢焊接层间温度过高会引起热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降，同时会导致焊道过热而发黑，需控制层间温度小于150℃。⑥对焊接过程中的所有数据参数进行完整记录，对打底焊、填充盖面焊焊后正/背面成型和颜色进行拍照记录。

4 焊接质量检查

焊缝外观检查：焊缝宽度每侧比坡口宽1-2mm，余高1-3mm。焊缝应与母材圆滑过渡，焊缝表面不得存在裂纹、表面气孔和咬边等缺陷，飞溅应清理干净。内部焊缝背面成型良好，背面氧化的颜色和飞溅，需满足项目质量验收要求，淡黄色、红色或者蓝色可以接受，黑色氧化不可接受[5]，同时使用内窥镜检查管内清洁情况。

NDT与力学试验：根据ASME的相关检测及试验标准，对焊接接头进行NDT，同时抽取焊口进行破坏性力学试验，包括拉伸、弯曲验、冲击、刻槽试验[6]，均满足要求。进行金相组织观察，焊缝和母材组织以针状铁素体为主，SSC性能优良，但热影响区存在块状铁素体，抗腐蚀能力稍弱。对于硫化氢介质焊缝，依据NACE MR0175进行硬度检测、SSC试验和HIC测试，均符合标准要求[7]。有铁素体含量要求时，可采用Ferrite Scope测试与金相法Point Count测试，测试点取打底和盖面层3点、6点、9点钟位置区区域。

5结语

NBG技术在公司承建的多个项目（中海福陆、蓝星安迪苏等）得到了应用，一次拍片合格率均在98%以上，节约了施工成本和工期。该技术保证根焊高质量的同时，解决了不锈钢管道焊接时背面必须充保护气体的难题，从而避免了因惰性气体未排净导致管内作业人员窒息的风险，极大地提高了安全性。这体现了生命重于泰山、以人为本的施工理念。但NBG还存在诸多局限性，比如焊工理论与实操培训的首次投入成本较大、焊工操作技能对合格率影响较大，需加强焊工技能、坡口加工、焊口组对、工艺参数、外观与NDE检测等主要控制点检查，促进不锈钢管道NBG焊接技术得到进一步完善。

参考文献

[1]尹长华，王放，李剑.STT根焊技术在东西伯利亚-太平洋管道工程中的成功应用[J].管焊，2009，32（03）：57-60.

[2]张世刚.一种新型高效的焊接技术-表面张力过渡[J].城市建设理论研究， 2018（07）： 61.

[3]黄鹿，上村政德，王春波，刘元栋，谢正云，杨庆泽.NBG焊接质量控制在不锈钢管道上的探索与应用[J].管焊， 2023，46（02）： 60-64.

[4]杨燕.STT根焊技术在管道焊接中的应用[J].电焊机，2010，40（01）：93-96.

[5]刘金满.不锈钢管道焊接防止背面氧化工艺探讨[J].内燃机与配件， 2022（23）： 114-115.

[6]马文军，李琳，赵凯立，赵刚，张德杰，汪小华.一种长输管线用STT根焊+全位置气保护自动接工艺开发[J].石油化工建设， 2022，44（03）：70-72.

[7]刘永贞，刘博，任胜汉，段英新，吴红霞.采用STT根焊+半自动FCAW焊工艺的X65管线钢焊接接头硫化氢应力腐蚀性能[J].焊接技术， 2016，45（04）： 44-47.