大直径管道焊接技术的研究

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  [摘要] 本文对管线钢及其焊接特性进行了分析,对大直径管道内环焊缝焊接工艺和焊接方法进行比较,根据具体的焊接结构选择了备料方案和焊丝,设计了适合大直径管道内焊机根焊的坡口形式,提出了焊接质量检查的方法。
  [关键词] 大直径管道 焊接性能 焊接工艺分析
  
  随着我国经济的快速发展,被誉为工业动脉的大直径长输管道更是继公路、铁路、水运、航空后的第五种运输手段。而大直径管道建设的核心任务之一就是管道的环焊缝焊接。因此,开展管道工程的焊接技术的研究是管道优质、高效施工的必然要求。
  1大直径管道焊接的技术分析
  1.1管线钢及焊接性能分析
  管线钢根据显微组织形态通常可以分为三种类型,即铁素体-珠光体或少珠光体管线钢、针状铁素体管线钢、铁素体-贝氏体或马氏体管线钢。[1]针状铁素体管线钢为第二代微合金管线钢,它是目前也是今后10-20年输送管线工程的主流钢种,强度级别范围可覆盖X6O-X90。本文以针状铁素体管线钢X80为例研究其焊接性能, 其化学成分(表1)和力学性能(表2)如下:
   表1 X80化学成分%
  材料 C Si Mn Cr Ni Ti
  X80 0.05 0.23 1.37 0.045 0.14 0.018
   P S Cu Nb B Mo
   0.14 0.006 0.045 0.04 0.006 0.017
  
  表2 X80力学性能
  材料 抗拉强度(Mpa) 屈服强度(Mpa) 伸长率(%) 冲击吸收功Akv(-20℃)/J
  X80 ≥738 ≥639 ≥27.6 102
  
  X80通过形变强化而使材料具有很高的强韧性,同时X80也是高度的洁净钢。因此该钢对焊接过程提出了特殊的要求:
  (1)防止焊接热影响区的晶粒粗化:焊接热影响区晶粒粗化是不可避免的现象,晶粒长大弱化了焊接接头的使用性能。由晶粒长大动力学可知,晶粒越细越容易长大。尤其是X80的原始组织为细小的针状铁素体组织,其晶粒直径在5-10μm之间。
  (2)防止焊接热影响区软化与脆化: 针状铁素体管线钢是利用形变使晶粒细化从而获得高的韧性。在热循环作用下发生了晶粒长大或第二相溶解等现象使晶粒粗化,而且使焊接热影响区(HAZ)的其它部位发生相变、再结晶、晶粒回复以及质点粗化等现象,导致了HAZ硬度下降而发生软化。研究表明,焊接热输入量越大,热影响区硬度就越低,软化现象就越严重;要提高热影响区的韧性,可以采取细化晶粒度的措施。
  (4)焊缝韧性的控制:由于制管过程中不进行焊后热处理,并且热输入的变化最终影响焊缝的组织,所以对焊缝韧性的控制可以通过对组织的控制来实现。
  (5)焊缝合金化:焊缝的形成是局部冶金化过程,它的化学成分不仅与焊接材料有关,还在很大程度上受到母材稀释和焊接工艺等多方面因素的影响。合金元素以多种方式影响着焊缝的韧性,促进针状铁素体形成的合金元素使焊缝金属韧化,引起固溶强化和沉淀强化合金元素可能使焊缝金属的韧性降低。
  (6)焊接热输入:焊接热输入即可改变焊缝金属一次结晶组织,又可改变焊缝金属的二次组织。同时,通过改变熔合比来影响焊缝的化学成分。一般认为,焊接热输入大时,熔池金属易过热,易于形成粗大的柱状晶。
  1.2解决的工艺主要措施
  焊接时常采用小的焊接热输入或高能束焊接方法使粗晶区范围变窄,以至于不影响焊接接头的服役能力;用小的焊接电流、降低残余应力,采用小线能量、短道焊、合理布置焊缝位置和焊接次序、焊接材料与母材获得一定的超合金化匹配;降低层间温度、适当降低焊接电流是解决上述问题的常用方法和手段。
  2焊接工艺的确定原则
  焊接工艺方法是设计的基础,设计以工艺要求为出发点,以工艺实践结果为成败的检验。广泛应用的大直径管道环焊缝的焊接方法有TIG焊、MIG/MAG焊及其改进方法。
  2.1常见焊接方法分析
  (1)手工焊手工焊主要指药皮焊条电弧焊(SMAW)和钨极惰性气体保护焊(TIG)。SMAW焊具有灵活简便、适应性强等特点,同时由于焊条工艺性能的不断改进,其熔敷效率、力学性能仍能满足当今管道建设的需要,尤其是焊接补焊时应用更广泛。焊条为纤维素型焊条和低氢型焊条,其下向焊和上向焊两种方法的有机结合及纤维素焊条良好的根焊适应性,在很多场合下仍是其它焊接方法所不能代替的;TIG焊,焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出,在电弧周围形成气体保护层隔绝空气,以防止其对钨极、熔池及邻近热影响区的有害影响,从而可获得优质的焊缝。
  (2)半自动焊即自保护药芯焊丝电弧焊(FCAW)半自动焊和CO2气体保护半自动焊、熔化极气体保护电弧焊(GMAW)它们都是下向焊方法。
  FCAW焊,其的特点是操作灵活、环境适应能力强、焊接熔敷效率高、焊接质量好、焊工易于掌握、焊接合格率高。这种焊接方法是目前国内管道工程中重要的填充、盖面焊方法;CO2气体保护半自动焊,随着焊接电源特性的改进,通过控制熔滴和电弧形态。这种焊接方法操作灵活,焊工易于掌握,对不同的坡口适应性强,焊接质量好,焊接效率高,焊道光滑,但焊接过程受环境风速的影响较大。STT半自动根焊要求管口组对过程中保持对口间隙均匀一致,否则将会在后序的填充、盖面焊道中产生坡口边缘未熔合、夹渣等缺陷。
  GMAW(MIG/MAG)焊,是采用连续等速送进可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属,形成熔池和焊缝的焊接方法。为了得到良好的焊缝,利用外加气体作为电弧介质并保护熔滴、熔池金属及焊接区高温金属免受周围空气的有害作用。以氩、氦或其混合气体等惰性气体为保护气体的焊接方法称为熔化极惰性气体保护电弧焊(MIG焊),通常该法应用于铝、铜和钛等有色金属。在氩中加入少量氧化性气体(O2、CO2或其混合气体)混合而成的气体作为保护气体的焊接方法称为熔化极活性气体保护电弧焊(英文简称MAG)。通常该法应用于黑色金属,可以得到稳定的焊接过程和美观的焊道。
  2.2焊接方法比较
  根据上述各种焊接方法的优缺点及长距离管道施工的特点,经过比较,在本文中可选择如下焊接方法:一是选用熔化极混合气体(C02+Ar)保护焊;二是选用非熔化极惰性气体(Ar)保护焊。下面针对实际情况就这两种焊接方法进行比较分析。
  从前面分析知道,TIG焊是一种可以获得较高力学性能且焊缝成形美观的焊接方法,焊接成本较高;焊接速度较低,生产效率不高。从产品的技术要求和经济指标两方面来考虑,TIG焊通常用来焊接工件厚度较小的薄壁结构零件,材料大多是不锈钢、耐热钢、高温合金,以及有色金属,如铝、铝合金、钛合金等,TIG焊是一种比较适用于薄壁結构零的焊接方法。
  MAG焊电弧稳定,熔滴细小且过渡稳定,飞溅很小。该焊接方法的电流密度高、母材熔化深,因而其焊丝的熔化速度和焊缝的熔敷速度高,焊接生产效率高。[2]
  (1)内焊机主要用来进行根焊的,是整体焊接中的一部分,而在大口径的长输管道焊接中一般常采用MAG焊的焊接方法,如果在内焊机中选用TIG焊的方法,则需要配备专用的TIG焊电源,这样就会增加施工单位的设备投资。再有考虑到焊接速度和施工的方便,在填充焊和盖面焊的时候肯定要采用MAG焊的焊接方法,如果根焊采用TIG焊,则会给施工组织带来不便,同时由于不同焊接方法的切换也会影响整体施工速度。
  (2)内焊机是一种机电一体化的自动化程度很高的专用施工设备,TIG焊和MAG焊两种焊接方法比较而言,采用TIG焊,实现自动化的难度更大。
  (3)相比较而言,使用TIG焊的方法,会有一定的污染,尤其是在工人对钨极进行修复的时候会对其健康造成不利的影响。
  根据上述分析可以很清楚地看出,在大直径管道焊接中采用MAG焊工艺更为经济、便捷、实用。
  3焊件焊接结构性设计
  焊接产品的质量和生产率除了由工艺方法决定之外,在很大程度上还由焊接件焊接结构设计来决定。其主要内容包括:
  3.1备料及待焊件装配公差
  在采用TIG焊工艺时,电弧运动轨迹中心线与接头中心线允差约为0.5mm;在采用MIG/MAG焊工艺时,允差为1.0mm;如果待焊件几何尺寸和稳定性较差,反映到接头中心线位置超过允差时,则必然产生各种焊接缺陷。因此,待焊件几何尺寸的稳定性在自动焊机的设计和使用中非常重要。
  3.2坡口形式
  坡口的目的在于使焊接易于进行,从而保证焊接质量。在坡口设计时主要考虑如下几个方面:
  (1)要求内焊完成后两钢管之间具有足够的连接强度。
  (2)內焊部分的坡口其角度、深度应保证能够一次填满,钝边的厚度保证能够焊透,同时又不至于焊穿。
  (3)另一侧的坡口要考虑尽量减少填充金属的数量,这样既可以节约成本,同时又可以减少焊接次数从而提高工作效率。
  通过借鉴ASME压力管道外焊坡口形式、林肯公司推荐的内焊接头坡口形式和CRC公司推荐的内焊接头坡口形式(图1)最终确定了本课题设计的内焊机适合坡口的形式。(图2)[3]
  
   图1美国CRC公司推荐的接头形式
  
   图2 适合本文研究内焊机的坡口形式
  3.3焊丝的选择
  在焊丝的选择上有药芯自保护焊丝和实芯焊丝可供选择,这两种选择各有利弊。如果选用药芯自保护焊丝,可以不用保护气体,这样就可以不涉及保护气体供给系统,使得整机的结构相对简单。但是与实芯焊丝相比其熔敷率低,这样就会使焊接效率下降;再有目前市场上的药芯焊丝其直径一般都在1.6mm以上,实际上1.6mm的也并不多,而焊丝直径大,所需的焊接电压、焊接电流相对较大,滴状过渡,熔滴过大,熔深大,不易控制,难以保证成型,从这点来看使用药芯焊丝是不理想的。
  3.4焊前准备
  TIG焊对材料的表面质量要求很高,焊前必须经过严格清理,清除填充焊丝及工作坡口和坡口两侧表面至少20mm范围内的油污、水分、灰尘、氧化膜等,直至露出金属光泽,并用丙酮清洗该区域。
  MIG/MAG焊对焊件的焊前准备要求较TIG焊低,需清除坡口面及周围10mm内焊接部位的油、锈、氧化皮等至露出金属光泽。
  3.5焊缝质量的检测与评判
  焊缝检验的常用方法有:目视检验、耐压检验、无损探伤、力学性能试验、金相检验、化学分析试验。管道质量检测采用无损探伤,执行焊缝质量I级标准,即焊缝内应无裂纹、未熔合、未焊透和条状夹渣。[3]
  另外,在实际焊接中,还应该按管道最后验收标准中的几何尺寸和形位公差对待焊件的模拟焊接件进行试验,实测及分析,根据此结果,对待焊件的几何尺寸公差、对口调整方式和调整范围进行分析和调整
  4 小结
  本文对管线钢及其焊接特性进行了分析,对大直径管道内环焊缝焊接工艺和焊接方法进行比较,根据具体的焊接结构选择了备料方案和焊丝,设计了适合大直径管道内焊机根焊的坡口形式,提出了焊接质量检查的方法。
  在工艺上,TIG焊与MIG/MAG焊相比较,TIG焊接质量更好,但MIG/MAG焊接速度更快、焊接效率更高,焊接成本更低。在满足焊接要求的情况下,优先考虑MIG/MAG焊接工艺,提高生产效率,节约制造成本。在焊丝的选择上优先选择1.6mm以下的实芯焊丝;在焊缝质量检测采用无损探伤,执行焊缝质量I级标准。
  参考文献:
  [1] 吴冰,X80管线钢焊接性能研究西南交通大学研究生学位论文2008.4:P8.
  [2] 杨宝雷,薄板不锈钢焊接成本的分析与对比[J]. 现代制造工程, 2005(8): P107-108.
  [3] 詹花,大口径管道内焊机数控系统及气动系统研究,天津大学研究生学位论文 2004.8P54.
  [4] 陈路. 工程焊接技术与质量试验检测评定标准实用手册[M]. 北京: 北京电子出版社, 2003.
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