大直徑直縫焊管焊縫在線預(yù)熱工藝探討

申惠芳，孫靈麗，曾曉東

（1.中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司，北京100176；

2.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣 ，062658；3.江蘇天淮鋼管有限公司，江蘇 淮安223002）

大直徑直縫埋弧焊管應(yīng)用已擴(kuò)展到眾多領(lǐng)域，除輸送管線外，還向特種船舶如海洋鉆探采油平臺(tái)、海上浮吊等海洋結(jié)構(gòu)和火力發(fā)電機(jī)組等管道領(lǐng)域方向發(fā)展。大直徑直縫焊管作為海洋結(jié)構(gòu)用管具有明顯的優(yōu)勢(shì)，如壁厚均勻、工藝簡(jiǎn)單、成本低，性能受制管工藝影響較小，易于實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性的要求，且其規(guī)格調(diào)整靈活，可滿足不同管徑的要求。然而海洋結(jié)構(gòu)用管的服役環(huán)境與陸路流體輸送管有所不同，海洋結(jié)構(gòu)用管除了承受工作應(yīng)力外，還要經(jīng)受風(fēng)、浪、海水腐蝕、溫差和低溫等環(huán)境應(yīng)力的作用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)海洋結(jié)構(gòu)用管除了要求具有一般管道性能外，還對(duì)其強(qiáng)韌性、耐腐蝕性提出了更高的要求。通過(guò)試驗(yàn)可知，采用小焊接熱輸入和焊前焊縫預(yù)熱的工藝方法是提高焊接接頭綜合性能的有效途徑。

大型超超臨界火電機(jī)組四大管道，即主蒸汽管道、再熱蒸汽管道熱段、再熱蒸汽管道冷段和高壓給水管道，是火電機(jī)組的關(guān)鍵部件，其中再熱蒸汽管道冷段采用大直徑直縫結(jié)構(gòu)焊管，為了保證焊縫質(zhì)量，在焊接工藝上也要求對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱。

對(duì)于碳當(dāng)量和冷裂紋敏感系數(shù)較高的高強(qiáng)度、高韌性的大直徑直縫焊管，要求焊前對(duì)焊縫進(jìn)行預(yù)熱，焊后對(duì)焊縫進(jìn)行緩冷，有的結(jié)構(gòu)焊管品種還要進(jìn)行整體熱處理。焊縫預(yù)熱和緩冷的主要作用是：①預(yù)熱可以降低焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，對(duì)降低角接接頭的拘束度尤為明顯，隨著預(yù)熱溫度的提高，裂紋發(fā)生率下降；②可降低焊接應(yīng)力。均勻地局部預(yù)熱或整體預(yù)熱，可以減少焊接區(qū)域被焊工件之間的溫差（也稱(chēng)為溫度梯度），這樣，一方面降低了焊接應(yīng)力，另一方面降低了焊接應(yīng)變速率，有利于避免焊接裂紋產(chǎn)生；③減緩焊后的冷卻速度。有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋，同時(shí)也減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性。

1 現(xiàn)有的焊縫預(yù)熱方式

各JCOE焊管生產(chǎn)廠家現(xiàn)有的焊縫預(yù)熱工藝有以下2種方式：①用氣體火焰加熱焊縫全長(zhǎng)；②用電阻加熱焊縫全長(zhǎng)。這兩種預(yù)熱方式都是離線形式，即預(yù)焊后的管筒由吊車(chē)運(yùn)至焊縫預(yù)熱設(shè)備上進(jìn)行預(yù)熱，當(dāng)焊縫溫度加熱到160～220℃時(shí)，再由吊車(chē)將管筒吊運(yùn)至內(nèi)焊小車(chē)上進(jìn)行內(nèi)焊。

離線式焊縫預(yù)熱工藝的缺點(diǎn)是：

（1）內(nèi)焊時(shí)焊縫溫度不均勻。當(dāng)焊縫全長(zhǎng)加熱到160～220℃后再進(jìn)行內(nèi)焊，焊縫管頭和管尾有溫差，即內(nèi)焊到管尾時(shí)焊縫的溫度達(dá)不到管頭的溫度，焊縫質(zhì)量會(huì)有差異；

（2）整體加熱管筒焊縫效率低，能耗大，不利于節(jié)能；

（3）氣體火焰加熱焊縫全長(zhǎng)的預(yù)熱方式，造成環(huán)境污染；

（4）焊縫離線預(yù)熱采用吊車(chē)吊運(yùn)，加上預(yù)熱時(shí)間，周期較長(zhǎng)，影響焊接設(shè)備的利用率。

因此，考慮采用中頻感應(yīng)預(yù)熱器，使焊縫預(yù)熱和焊接在線同步進(jìn)行，這樣焊縫預(yù)熱溫度會(huì)比較均勻，而且可以降低能耗，提高焊接設(shè)備的利用率，改善操作環(huán)境。

以現(xiàn)有的1422 JCOE焊管機(jī)組為例，探討采用中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備，實(shí)現(xiàn)管筒焊縫預(yù)熱和焊接同步的2種工藝方案。

1 422 JCOE焊管機(jī)組管筒有關(guān)參數(shù)如下：

管筒直徑：508～1 422 mm；

管筒壁厚：6.4～60.0 mm；

管筒長(zhǎng)度：8 000～12 500 mm（未包括引弧板長(zhǎng)度300 mm和熄弧板長(zhǎng)度500 mm）；

焊縫預(yù)熱溫度：160～220℃；

管筒預(yù)熱 （內(nèi)焊）線速度：0.9～1.6 m/min；

管筒預(yù)熱處V形角最大寬度：30～35 mm；

工作狀態(tài)：間隙、連續(xù)工作制。

2 管筒內(nèi)焊前焊縫在線預(yù)熱工藝方案

2.1 中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備

與中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備生產(chǎn)廠家技術(shù)溝通后，根據(jù)管筒尺寸、預(yù)熱溫度和內(nèi)焊速度要求，初步提出的中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備如下：

中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備由電源柜、感應(yīng)預(yù)熱器、電容器、控制柜、操作臺(tái)、測(cè)溫裝置及冷卻系統(tǒng)等組成。中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備感應(yīng)器功率200 kW，頻率可達(dá)1 000 Hz。考慮到感應(yīng)預(yù)熱過(guò)程的熱傳導(dǎo)和鋼管內(nèi)焊速度，感應(yīng)器長(zhǎng)度為900 mm；管筒焊縫V形角最大寬度30～35 mm，為充分加熱，預(yù)熱器寬度為100 mm（如圖1所示）。因此感應(yīng)器尺寸為900 mm×100 mm×35 mm，感應(yīng)器上面有2對(duì)小滾輪（圖1中未標(biāo)示），預(yù)熱時(shí)將感應(yīng)器貼在管筒底部。

感應(yīng)加熱器、電容器放置在T形鋼臂上，T形鋼臂的尺寸為13 000 mm×100 mm×350 mm，T形鋼臂上有3～4對(duì)滾輪，可在內(nèi)焊小車(chē)底板上滾動(dòng)。

圖1 管筒焊縫與感應(yīng)器相對(duì)位置示意圖

電源柜尺寸1 600 mm×1 000 mm×2 000 mm。電源柜放置在內(nèi)焊小車(chē)尾部側(cè)邊，通過(guò)電纜和連接母排與感應(yīng)器連接。連接母排長(zhǎng)度12 500 mm，寬100 mm，高270 mm，連接母排布置在T形鋼臂下側(cè)面，感應(yīng)器安裝在電容器柜上。

紅外測(cè)溫儀尺寸很小也很輕，可裝在內(nèi)焊臂上，放在鋼管內(nèi)表面，用于測(cè)量管筒內(nèi)壁預(yù)熱溫度，防止因?yàn)轭A(yù)熱溫度過(guò)低或過(guò)高影響焊接質(zhì)量。

在內(nèi)焊設(shè)備不進(jìn)行內(nèi)焊和焊縫預(yù)熱時(shí)，內(nèi)焊小車(chē)后退，T形鋼臂脫離內(nèi)焊小車(chē)，其一端固定在支柱上，伸出的約13 000 mm懸臂，由2個(gè)可傾倒的氣缸支撐架托住。整個(gè)T形鋼架臂放置在內(nèi)焊臂的正下方（如圖2所示）。

圖2 T形鋼臂示意圖

2.2 內(nèi)焊小車(chē)的修改

要求內(nèi)焊小車(chē)上的V形輥改為2個(gè)懸臂的錐形輥，端部間距約為150 mm（如圖3所示）。固定在內(nèi)焊小車(chē)上的V形輥和旋轉(zhuǎn)托輥架的底板要切斷，切斷后兩端間距為150 mm；內(nèi)焊小車(chē)靠?jī)?nèi)焊臂這一端，150 mm寬的兩側(cè)和底面，做成喇叭形，便于感應(yīng)預(yù)熱器、電容器柜和T形鋼臂進(jìn)入。內(nèi)焊小車(chē)的其他部件和參數(shù)不需修改。

圖3 V形輥、旋轉(zhuǎn)輥與感應(yīng)器相對(duì)位置示意圖

2.3 管筒焊縫預(yù)熱和內(nèi)焊操作工藝過(guò)程

當(dāng)內(nèi)焊小車(chē)接收到待焊的管筒后，內(nèi)焊小車(chē)和管筒前進(jìn)（如圖2所示），內(nèi)焊臂進(jìn)入待焊管筒內(nèi)，T形鋼臂同時(shí)進(jìn)入內(nèi)焊小車(chē)和待焊管筒之間形成的空間（如圖3所示）。當(dāng)內(nèi)焊小車(chē)和管筒繼續(xù)前進(jìn)，T形鋼臂上的位置傳感器根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)，氣缸支架依次傾倒，直到內(nèi)焊臂的焊絲進(jìn)到管筒的引熄弧板上方，T形鋼臂也同時(shí)到達(dá)管筒前端部，兩者之間有位置差，此時(shí)內(nèi)焊小車(chē)和管筒停止移動(dòng)。當(dāng)內(nèi)焊臂焊絲下降，感應(yīng)器上升貼在管筒底部，內(nèi)焊小車(chē)和管筒后退 （如圖2所示），管筒預(yù)熱和內(nèi)焊開(kāi)始，當(dāng)內(nèi)焊小車(chē)后退到一定位置時(shí)，T形鋼臂上的位置傳感器根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)，氣缸支架依次豎立起來(lái)，托住T型鋼臂，直到管筒的預(yù)熱和內(nèi)焊結(jié)束。準(zhǔn)備下一根管筒的預(yù)熱和內(nèi)焊，這樣使預(yù)熱和內(nèi)焊同步進(jìn)行，克服了管筒離線預(yù)熱存在的各種問(wèn)題。

采用中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備，對(duì)管筒焊縫預(yù)熱和內(nèi)焊同步進(jìn)行的設(shè)計(jì)方案和有關(guān)專(zhuān)家討論過(guò)，專(zhuān)家認(rèn)為對(duì)于φ508～φ1 422 mm管筒，內(nèi)焊小車(chē)空間寬度（150mm）窄小，操作過(guò)程中有一定的難度。如生產(chǎn)直徑較大的直縫焊管，可將內(nèi)焊小車(chē)上的2個(gè)懸臂的錐形輥和旋轉(zhuǎn)托輥的間距加大，使T形鋼臂比較自由地進(jìn)入和退出內(nèi)焊小車(chē)，那么該設(shè)計(jì)方案更加可靠。

3 管筒外焊前焊縫在線預(yù)熱工藝方案

如前所述，如果采用管筒內(nèi)焊前焊縫在線預(yù)熱工藝方案，意味著一些小直徑直縫焊管可能不能生產(chǎn)。如果仍維持生產(chǎn)φ508～φ1 422 mm直縫焊管，則采用管筒外焊前焊縫在線預(yù)熱工藝方案更加合理。因?yàn)橥夂腹に囋O(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，空間尺寸較大，而且焊縫處在12點(diǎn)鐘位置，中頻感應(yīng)器小滾輪可直接貼在焊縫上方，中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備的其他部件可布置在外焊小車(chē)側(cè)邊，這樣焊縫在線預(yù)熱和外焊同步進(jìn)行就很好解決了。這就要求預(yù)焊后的管筒先外焊再進(jìn)行內(nèi)焊，將改變內(nèi)、外焊的焊接工序和焊接區(qū)域的設(shè)備平面布置，也需要認(rèn)真研究。

對(duì)大直徑直縫埋弧焊管，先外焊后進(jìn)行內(nèi)焊，從埋弧焊接機(jī)理本身看，有關(guān)專(zhuān)家認(rèn)為技術(shù)上是可行的，而且國(guó)內(nèi)的天水鍛壓機(jī)床有限公司曾在JCOE機(jī)組上進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)，試驗(yàn)是成功的。

采用先外焊后內(nèi)焊的焊接工序和焊接區(qū)域的設(shè)備平面布置變化，對(duì)新建的JCOE機(jī)組是沒(méi)有問(wèn)題的。但在國(guó)內(nèi)目前直縫埋弧焊管機(jī)組產(chǎn)能過(guò)剩的情況下，建設(shè)新的JCOE機(jī)組，短時(shí)間內(nèi)可能性不大。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的JCOE機(jī)組，管筒幾乎都是采用先內(nèi)焊后外焊的焊接工藝，這些機(jī)組的焊接工序和設(shè)備布置已經(jīng)確定。管筒能否先外焊，采用中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備，使外焊和焊縫預(yù)熱同步，然后再進(jìn)行內(nèi)焊，這可能需要對(duì)每套JCOE機(jī)組進(jìn)行認(rèn)真研究分析后才能確定工藝方案。可能有些JCOE機(jī)組僅進(jìn)行少量的改造，就能實(shí)現(xiàn)預(yù)焊和檢查修補(bǔ)后，管筒通過(guò)輥道可直接輸送到外焊設(shè)備，使焊縫預(yù)熱和焊接同步進(jìn)行，外焊檢查修補(bǔ)后管筒通過(guò)輥道返回到內(nèi)焊設(shè)備上進(jìn)行內(nèi)焊。有些JCOE機(jī)組可采用吊車(chē)，將預(yù)焊和檢查修補(bǔ)后的管筒直接吊運(yùn)到外焊設(shè)備上，使焊縫預(yù)熱和焊接同步進(jìn)行，外焊檢查修補(bǔ)后管筒再吊運(yùn)到內(nèi)焊設(shè)備上進(jìn)行內(nèi)焊，然后進(jìn)行下道工序。

總之，對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大部分JCOE機(jī)組，如要生產(chǎn)大直徑直縫埋弧焊管，采用中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備，使焊縫預(yù)熱和外焊在線同步，外焊后再內(nèi)焊，是完全可行的。

4 結(jié) 語(yǔ)

要建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)，海洋工程需要更多高質(zhì)量的厚壁高強(qiáng)度直縫埋弧焊管，加上其他工業(yè)部門(mén)的需要，大直徑直縫埋弧焊管市場(chǎng)更大。在現(xiàn)有的JCOE機(jī)組上，實(shí)現(xiàn)焊管焊縫預(yù)熱和焊接同步的工藝，是提高直縫埋弧焊管質(zhì)量最簡(jiǎn)單而投資又少的措施。

根據(jù)不同的厚壁高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)焊管管筒尺寸，本研究探討了采用中頻感應(yīng)預(yù)熱設(shè)備，提出管筒內(nèi)焊前焊縫在線預(yù)熱和管筒外焊前焊縫在線預(yù)熱2種管筒焊縫預(yù)熱和焊接同步的工藝方案，有不妥之處將做進(jìn)一步探討。

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致謝：此篇文章寫(xiě)作過(guò)程中得到王三云教授的很多幫助，表示感謝。