CN101850454A - 一种大口径长输钢质管道焊接工艺 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大口径长输钢质管道焊接工艺，涉及管道***技术领域。本工艺采用内焊机进行根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面焊的低氢焊接工艺，其特征是该工艺的坡口形状为内坡口：角度α＝37.5±0.5°，高度h＝1.27±0.30mm；钝边b＝1.8±0.2mm，圆弧半径R＝3.0±0.4mm；外坡口：角度β＝10.0±1.0°，与圆弧相切。本发明在保证质量的同时，实现了比传统的SMAW+FCAW工艺减少半自动焊填充量30％；在相同的条件下，大幅度提高劳动效率；是一种在大口径长输管道工程中高效、低成本的焊接工艺。

Description

一种大口径长输钢质管道焊接工艺

技术领域

本发明是一种大口径(管径φ≥813mm)长输钢质管道焊接工艺，涉及管道***技术领域。

背景技术

在长输管道工程中，纤维素型焊条电弧焊(shield metal arc welding)根焊+自保护药芯焊丝半自动焊(flux core arc welding)填充、盖面，即：SMAW+FCAW工艺是目前国内外焊接大口径(φ≥813mm)长输管道的主导传统工艺。该工艺在野外施工现场焊接大口径长输管道时，通常采用“焊接机组流水作业”。当外界因素一定时，焊接机组日焊接管道环焊缝的数量基本上是一个定值。如：中亚管线采用材质X70、管径φ1067mm(42英寸)、壁厚15.9mm的管材，采用SMAW+FCAW工艺，1个焊接机组20名焊工、日工作10个小时，可焊接30-35道环焊缝。如何大幅度提高半自动焊机组日焊接大口径管道环焊缝数量是一个值得研究的课题。

发明内容

本发明的目的是发明一种质量保证、效率高的大口径长输钢质管道焊接工艺。

从目前的钢质管道对口焊接工艺看，当环境、材质、管径、壁厚、有效工作时间等条件确定时，焊接机组日焊接管道环焊缝的数量取决于根焊的数量。如果单位时间内，根焊完成多，可以通过适当增加填充设备人员使机组焊接的环焊缝也越多。

提高机组日焊接环焊缝效率，有2个关键。减少根焊环节的时间是提高机组日焊接环焊缝数量的关键之一；另外在根焊速度提高的同时，适当减少坡口的填充量是提高机组日焊接环焊缝数量的关键之二。

根焊焊接方法的选定

长输管道焊接施工的根焊环节时间包括：吊管机吊运钢管行走时间、钢管组对时间、预热时间、根焊焊接时间。前两个时间与焊接方法无关，基本上是个定值。

预热时间是一个可变参数，它与焊接方法相关。高扩散氢含量的焊接方法必须采用较高的预热温度，而低扩散氢含量的焊接方法可以采用较低的预热温度。如对X70钢管，采用高氢纤维素焊条根焊，每100g熔敷金属扩散氢含量在25-35ml；而实芯焊丝富氩气体保护焊，每100g熔敷金属扩散氢含量在2-4ml；与纤维素焊条相比，扩散氢含量降低了90％；对于X70钢管，纤维素焊条根焊的预热温度为100℃，而实芯焊丝富氩气体保护焊可降至60℃。40℃的差别，在环境温度一定时，加热时间将不按照等比例增加。故采用低氢焊接方法进行根焊是减少预热时间的最佳选择。

根焊焊接时间也是一个可变参数，它与焊接方法相关。双手操作、自动化程度越低，根焊时间越长，例如：手工氩弧焊；焊条电弧焊由于焊条长度的限制、根部间隙、单手操作等因素，使得焊接速度很低；即使是纤维素下向焊条、熟练的焊工操作，焊接根焊速度大约为15-25cm/min；气保护实芯(药芯)半自动焊与纤维素焊条根焊类似；气保护实芯焊丝外部自动焊机，如意大利的PWT，虽然无间隙对口，但因防风棚、焊接速度(40cm/min左右)等原因，根焊焊接时间不可能减少太多。只有采用真正意义的、无间隙的自动焊才能将使焊接速度最快、根焊时间降到最低。

综合各种条件，既要是低氢方法、又要是自动焊、对口要无间隙，那么这样的根焊方法只能是内焊机。内焊机，是自动焊程度最高的焊接方法，是真正意义的自动焊。在对口器上装有多个焊枪，采用富氩气体保护、实芯焊丝填充，在管内自动焊接且速度最快。如：φ1067mm(42英寸)内焊机有6个焊枪；每3个焊枪完成半道内焊缝，3个焊枪同时焊接；整个焊口仅需80秒。另外，内焊机焊缝因熔敷金属含氢量仅为2-4ml，可以使得预热温度降为60℃。

鉴此，本发明采用的焊接工艺是用内焊机(internal welding machine)进行根焊+半自动焊填充、盖面焊，即IWM+FCAW工艺；具体是采用内焊机进行根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面焊的低氢焊接工艺。

要提高机组日焊接环焊缝数量，就应减少坡口的填充量，即减少半自动焊填充焊丝，必须减少填充区域焊缝的截面积。采用大口径管道坡口机，通过多把刀具将管口车削成既能利于焊工操作、又能保证质量且填充量少的坡口型式。

钝边b的确定：

①通过宏观金相分析，内焊机焊接能熔化钝边b最小为0.5mm；

②自保护药芯焊丝半自动焊做热焊，丝速、电流、焊接速度及熔深有一定的关系；通过在平、立、横不同位置，丝速在280cm/min，焊速在18-25cm/min，电流200-250A，线能量在13-16KJ/cm，宏观金相表明最小熔深在2.0mm；若IWM+FCAW工艺选择钝边b为1.8mm，则内外焊最小互熔0.7mm；通过试验，最终钝边b选择b＝1.8±0.2mm。

上半部坡口形状及尺寸：

①钝边b上部是选择自动焊的V型45°还是选择圆弧是值得考虑的。考虑到自动焊的V型45°在钝边处是个尖角，半自动焊的熔渣进入不易浮出等因素，最终放弃而选择圆弧过渡；由于半自动焊熔池较大，在5mm左右，若圆弧尺寸过小，将出现熔渣与铁水不易分清的现象，焊接速度稍慢时也将发生熔渣在熔池下部的现象；通过试验，最终选择了R＝3.0±0.4mm的圆弧；

②与圆弧相接的坡口角度：5-8°焊工均可以焊接，但操作困难；经过9°、10°、11°、12°等坡口角度试验后，最终选择了β＝10±1°。

IWM+FCAW的坡口见图1、图2，其中内坡口角度α＝37.5±1.0°，高度h＝1.27±0.23mm；钝边b＝1.8±0.2mm，圆弧半径R＝3.0±0.4mm；外坡口角度β＝10.0±1.0°，与圆弧相切；

管口组对见图3，采用内焊机(内焊机中有内对口器的功能)组对；组对间隙c＝0±0.25mm；管口错边量m＝1.25±1.25mm(见图4)。

IWM+FCAW工艺与SMAW+FCAW传统工艺的对比(见表1)

SMAW+FCAW(焊条根焊)工艺，大口径管道通用的坡口角度Y＝23±1°，钝边B＝1.6mm；组对间隙C＝3.0mm；以中亚天然气管线φ1067mm、15.9mm壁厚为例，则这种钝边V型坡口FCAW的填充面积约为155mm²；而IWM+FCAW工艺坡口FCAW的填充面积约为109mm²；IWM+FCAW与SMAW+FCAW工艺比较，FCAW填充面积减少了46mm²。

图5是IWM+FCAW与SMAW+FCAW工艺填充面积比较图，其中阴影部分为IWM+FCAW工艺节省的环焊缝填充面积，大约为SMAW+FCAW工艺的30％。中亚天然气管线φ1067mm、15.9mm壁厚，IWM+FCAW工艺与SMAW+FCAW传统工艺的详细对比见表1。

表1：IWM+FCAW工艺与SMAW+FCAW传统工艺的详细对比

IWM+FCAW工艺的主要特点：

(1)该工艺特别适合于钢级≤X80、能应用内对口器地域的大口径(φ≥813mm)长输钢质管道焊接施工；

(2)该工艺是一种低氢焊接工艺，利用了世界上根焊最快的、低氢焊接方法-内焊机，和大口径长输管道焊工最熟练的焊接方法-自保护药芯焊丝半自动焊，是自动焊和半自动焊完美的结合；

(3)通过内焊机实现了预热温度低、根焊速度最快、管墩高度降低了25％；

(4)通过半自动焊的大熔深，内焊机无间隙对口、采用独特的窄坡口，在保证射线检测合格率、焊缝力学性能的同时，实现了比传统的SMAW+FCAW工艺减少半自动焊填充量30％；

(5)在相同的填充焊接设备、人员条件下，大幅度提高劳动效率；通过适当增加2-3台焊接工程车、4-6名焊工，使日焊接速度大体是CRC自动焊的90％、是传统的SMAW+FCAW工艺的2倍，是一种在大口径长输管道工程中很值得推广的、高效、低成本的焊接工艺。

附图说明

图1IWM+FCAW坡口剖视图

图2IWM+FCAW坡口剖视放大图

图3IWM+FCAW两管对口的坡口剖视放大图

图4IWM+FCAW两管对口错边的坡口剖视放大图

图5IWM+FCAW与SMAW+FCAW工艺填充面积比较图

其中1-管道

具体实施方式

实施例.本例取材于中亚天然气管线采用IWM+FCAW工艺的试验情况。

中亚天然气管线采用X70、φ1067mm(42英寸)、壁厚15.9mm钢管，焊接评定执行API 1104-2005版标准。采用内焊机进行根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面焊的低氢型焊接工艺焊接。

1、坡口的形状

如图1和图2所示。坡口在施工现场，采用坡口机加工。内坡口角度α＝37.5°，高度h＝1.27mm；钝边b＝1.8mm，圆弧半径R＝3.2mm；外坡口角度β＝10°，与圆弧相切；坡口在施工现场，采用坡口机加工；采用内焊机(内焊机中有内对口器的功能)组对，组对间隙c＝0.02mm；管口错边量m≤2.5mm(见图4)；IWM+FCAW工艺坡口截面积为109mm²。

2、焊接设备

内焊机+半自动焊工艺采用的设备为：φ1067mm(42英寸)CRC内焊机、林肯DC-400直流电源及送丝机LN-23P。

3、焊接工艺参数及射线检测、力学性能试验结果

预热、层间温度≥60℃。根焊采用实芯焊丝伯乐蒂森TS-6(AWS A5.18ER70S-G)φ0.9mm，丝速94-96cm/min(电流205-215A)，焊速78cm/min，富氩(75％Ar+25％CO2)气体流量25-30l/min，电压22-23V；热焊填充盖面，采用自保护药芯焊丝80ksi等级焊丝，φ2.0mm；热焊丝速在280cm/min(电流210-250A)，电压20-22V，焊速20-25cm/min；填充盖面丝速在250-275cm/min(电流190-250A)，电压18-22V，焊速17-25cm/min。

半自动焊采用美国林肯自保护药芯焊丝LINCOLN PRIMACORETM  SW88P(AWSA5.29E81T8-G)的试验结果：合格。射线检测无未熔合、未焊透，φ1.0-2.0mm单个气孔4个；4个拉伸样抗拉强度为698-707MPa，其中1个断在熔合区；个刻槽锤断未见缺欠；8个侧弯中6个未见缺欠，其中1个有0.6mm裂纹，1个有1.0mm裂纹；-10℃低温冲击(夏比V型标准试样10×10×55)平、立焊缝区(各3个)平均为153J、147J，单个最低值为78J；平、立焊缝熔合区(各3个)平均为241J、165J，单个最低值为74J(中亚管线环焊缝低温冲击标准：-10℃，全尺寸标准试样，平均值≥60J，最低值≮45J)。各区域HV10硬度≤240(中亚管线环焊缝HV10≤265)。

半自动焊采用美国郝伯特焊丝HOBART FABSHIELD X80(AWS A5.29E81T8-Ni2J)的试验结果：合格，数据大体与林肯相似。

施工工序：

分为坡口加工、提前预热、组对管口、预热、内焊机根焊、FCAW热焊、FCAW填充1、FCAW填充2、FCAW填充3、FCAW填充4、FCAW盖面。

机组人员：

合计65人；其中：机组长2人，HSE员1人，技术员1人，质量员1人，管工3人，坡口工3人，内焊机操作工3人，FCAW焊工22人，吊管机挖掘机焊接工程车等特种车辆操作人员10人，电力机械维修人员2人，普工10人，后勤及汽车司机7人。

机组主要设备：

坡口加工：20吨吊管机1台、管道坡口机1台；

组对管口：挖掘机1台、70吨吊管机1台、40吨吊管机2台；

焊接设备：内焊机1台、100KW焊接工程车1台、80KW焊接工程车11台、林肯DC-400焊机26台、林肯LN-23P送丝机44台。

质量与进度

从2008年8月8日-2009年2月28日，中亚管道哈国段“SMAW+FCAW”机组累计有效工日为110个，累计焊接3410道口，一次射线检测合格率为95.7％；每个工日平均在31道环焊缝。

而采用“IWM+FCAW”工艺试验，机组累计有效工日124个，累计焊接7597道环焊缝，一次射线检测合格7308道，合格率为96.2％；每个工日平均在61道环焊缝。其中有一段时间，现场工作10个小时，日平均焊接80道环焊缝，日最高焊接108个环焊缝；1个月计焊接了2520道环焊缝，折合管线长度28公里(88道公里)，创造了陆地管道焊接的奇迹。

对IWM+FCAW机组不合格的289道环焊缝进行分析，其中：属于根焊，由内焊机引起的不合格为228道，占不合格总数的79％，原因主要是内焊工均是新手，对设备保养不及时、配件有时供应不足；而由于半自动焊接所引起的不合格为61道，占不合格总数的21％。

通过在中亚天然气管道上的试验得出以下结论：IWM+FCAW与传统SMAW+FCAW相比是一个合格率高、人员设备利用率高、成本低、低氢型的焊接工艺。

Claims (1)

1.一种大口径长输钢质管道焊接工艺，采用内焊机进行根焊+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面焊的低氢焊接工艺，其特征是该工艺的坡口形状为：内坡口角度α＝37.5±0.5°，高度h＝1.27±0.30mm；钝边b＝1.8±0.2mm，圆弧半径R＝3.0±0.4mm；外坡口角度β＝10.0±1.0°，与圆弧相切。

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