直縫埋弧焊管焊縫形貌控制

摘 要：焊縫余高過高及焊縫魚脊背，都會使得焊縫與母材過渡角過小，從而引起焊趾處應力集中，導致服役條件下管道疲勞破壞；加大鋼管的外防腐作業難度，造成焊縫部位防腐層厚度減薄甚至開裂。針對這些問題，分析了影響焊縫余高質量的主要因素，以及改善焊縫形貌所采取的工藝措施，如銑邊坡口和焊接工藝參數的優化設計、焊頭位置參數的調整。焊縫形貌的改善在實際生產中取得了滿意的效果。

關鍵詞：直縫埋弧焊管；焊縫形貌；焊縫余高；焊縫魚脊背；防腐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.021

0 前言

隨著油氣管道建設的快速發展，行業競爭也愈演愈烈，客戶對鋼管內外質量需求也在不斷提高，不僅要求焊縫內在質量缺陷少、具有良好的力學性能，而且還要求焊縫的外觀形貌越來越美觀，即焊縫余高不能超高、焊縫不能存在魚脊背，焊縫與母材需平滑過渡等。

目前，我公司鋼管防腐多采用三層聚乙烯（3PE）技術，那么在直縫埋弧焊管防腐過程中，由于焊縫余高的存在，焊縫部位的防腐層厚度要小于管體，且焊縫余高越大，兩者之間差值越大，GB/T 23257-2009等相關標準中都明確要求焊縫部位的防腐層厚度不能小于管體防腐層厚度的70%，故防腐工序為保證焊縫部位的防腐層厚度能滿足要求，必須增加整個管體的防腐層厚度，如此防腐成本就會大大增加，并且焊縫若存在魚脊背，易造成焊縫防腐層開裂，大大增加防腐作業難度。

1 現狀分析

API SPEC 5L（45版）焊縫余高要求：當鋼管壁厚≤13mm時，內焊縫≤3.5mm，外焊縫≤3.5mm；當鋼管壁厚>13mm時，內焊縫≤3.5mm，外焊縫≤4.5mm；我公司內控標準對焊縫余高要求：內焊縫≤3.0mm，外焊縫≤2.5mm，分析目前我公司直縫埋弧焊管的焊縫形貌，當壁厚≥10mm時，外焊縫余高可以控制在2.5mm以內，但當8mm≤壁厚<10mm時，外焊縫余高很難控制在2.5mm以內，基本都在2.8mm；當鋼管20mm≤壁厚≤25mm壁厚時，外焊縫存在明顯魚脊背，如圖1所示，因這些問題也常遭到防腐工序的質量投訴。

分析產生焊縫余高過高和焊縫魚脊背的原因，主要有以下幾個方面：

（1）坡口參數設計不合理。坡口參數包括鈍邊、坡口角度、坡口深度，若鈍邊過大或坡口的角度和深度設計的過小，都會造成焊縫熔池填充空間變小，使得焊縫余高超高。

（2）焊接參數設計不合理。焊接參數包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度，若焊接電流過大、焊接電壓過小、焊接速度過慢都會造成焊縫余高超高、產生焊縫魚脊背。

（3）焊頭位置參數設計不合理。焊頭位置參數包括焊絲干伸長、焊絲間距、焊絲傾角，焊接時，若焊絲干伸長過大或焊絲間距、傾角過小，同樣會造成焊縫余高超高。

2 焊縫形貌控制的工藝措施

2.1 優化銑邊坡口尺寸

針對生產鋼管8mm≤壁厚<10mm時存在的焊縫余高超高，以及鋼管20mm≤壁厚≤25mm壁厚時存在的焊縫魚脊背問題，重新設計優化了坡口參數。

（1）針對8≤壁厚<10mm的鋼管，生產采用的坡口角度90°，鈍邊4mm，m值2.5～3mm。若想降低外焊縫余高，必須增大外坡口尺寸即n值，目前90°坡口刀已為所使用的最大角度，故只能更改鈍邊尺寸h和坡口深度（即n、m值），于是在現有刀盤尺寸的基礎上，對銑邊刀盤進行改造，通過增加墊片，將鈍邊h值由4mm減小至極限值3.4mm，上坡口斜面長度m值由2.5～3mm減小至極限值2～2.5mm。

（2）針對20mm≤壁厚≤25mm壁厚鋼管，生產采用的坡口角度內90°外75°，鈍邊8.5mm，n-m值1～1.5mm。如要增加坡口角度，目前比75°大的只有90°，但通過對焊縫橫截面熔敷量模擬計算，若角度從75°增加到90°，熔池金屬填充量在原基礎上會增加40%左右，熔敷量變化太大，若要采用原有的焊接規范，焊縫就會低于母材，若要余高合適，就必須增加焊接熱輸入量，如此會對焊縫內在力學性能產生較大影響。故針對大壁厚鋼管，筆者從改變鈍邊尺寸和坡口深度上考慮，但鈍邊尺寸過小易產生成型不穩定、焊接燒穿等缺陷，故調整坡口深度n和m值，通過改變n-m的差值調整坡口深度，將n-m值由1～1.5mm增加至2.5～3mm，從而將外坡口寬度增加了2mm。

因此，針對不同壁厚的生產要求，以生產數據為基礎，參考試驗結果，應制定適用的鈍邊尺寸和坡口深度。

2.2 優化焊接參數

通過對焊接電流、焊接電壓、焊接速度進行了調整，取得了良好的效果。

（1）針對8mm≤壁厚<10mm的鋼管，車間以前采用的焊接規范如下，見表1：

外焊縫余高2.8mm，超出標準要求2.5mm，根據焊接理論，在使用較小的焊接電流情況下，焊縫熔池攪拌作用減弱，焊絲的熔化量減小，焊縫余高會降低，但為了降低外焊縫余高，減小外焊電流會使得外焊熔深變淺，又會影響焊縫的內外質量，極易產生焊接缺陷。為此通過調整外焊電焊機電流檔位，以減小外焊電流增加內焊電流為目的，對焊接規范重新設計優化，優化后的焊接規范如表2：

（2）針對20mm≤壁厚≤25mm，為了降低外焊縫余高，外焊后絲使用較小的電流，如壁厚為21.6mm的焊接規范如表3：

按照以上規范焊接后外焊縫余高1.5mm，寬度24mm，兩側焊縫偏低，盡管余高不高，但是卻存在明顯魚脊背，很容易導致防腐層開裂，于是筆者針對大壁厚鋼管，重新設計焊接規范，增加電流電壓，一方面讓焊縫盡量飽滿，另一方面增加焊縫寬度，優化后的焊接規范見表4：

2.3 優化焊頭位置參數

在同樣焊接規范條件下，焊絲伸絲長度降低、焊絲間距和傾角增大，焊縫余高都會降低，故針對8mm≤壁厚<10mm和20mm≤壁厚≤25mm鋼管，優化前后外焊焊頭位置參數見表5和表6：

在整個焊接工藝參數優化調整過程中，僅通過調整銑邊坡口、焊接規范、焊頭位置參數中的單個值，取得的效果并不明顯，而需要幾個項點同時調整優化，才能取得一定效果。在整個工藝參數優化過程中，始終要以酸蝕焊縫試樣為基礎，以焊縫余高、焊縫內在質量、焊縫理化性能為依據，既要嚴格控制焊縫的外觀形貌，又要保證焊縫的內在質量和理化性能符合工藝要求，因此以上數據的積累建立為提升鋼管質量提供了可靠依據。

3 調整后焊縫效果

通過焊縫形貌工藝參數的優化調整，直縫埋弧焊管焊縫形貌得到改善，對于8mm≤壁厚<10mm的鋼管，在主機保證預焊縫無錯邊修補的前提下，外焊縫可以控制在2.2～2.4mm；對于20mm≤壁厚≤25mm的鋼管，外焊縫余高可控制在1.5～2.0mm，且魚脊背情況大有好轉，如圖3所示，焊縫外觀形貌得到改觀，既提升了鋼管整體品質，又大大降低了防腐成本和作業難度。

4 結論

（1）通過對銑邊坡口參數和焊接工藝參數的優化設計，以及焊頭位置參數的調整，直縫埋弧焊管焊縫形貌得到了一定的改善，并且焊縫內在質量和理化性能也能滿足工藝要求。

（2）針對鋼管壁厚≥16mm的外焊縫，余高不能太低否則焊縫不飽滿易出現邊緣未熔，余高盡量控制在1.5mm以上。

（3）焊接工藝參數優化調整的過程中，僅通過調整銑邊坡口、焊接規范、焊頭位置參數中的單方面，效果并不明顯，而需要幾個項點同時調整優化，才能達到滿意效果。

作者簡介：劉文友（1986-），男，江西萍鄉人，工學學士，工程師，主要從事埋弧焊管質量與工藝管理工作。