井下鉆機隊探放水施工護孔管裝置的焊接

胡社昌， 朱永成

（淮南礦業集團地質勘探處 機電修配中心，安徽 淮南 232052）

0 引言

我處井下鉆機隊探放水施工所使用的護孔管裝置，由于組成該裝置的材料含碳量高，材質不匹配，焊接工藝的不合理和不穩定，有時在焊制過程中會產生微裂紋，用在井下探放水施工中，由于水壓力較大，會造成微裂紋的擴展甚至破壞，給井下安全生產帶來極大的威脅。為了解決護孔管焊接質量問題，我們先后采用了多種焊接工藝方法進行焊接試驗、分析和比較，并從中找出了最佳工藝方案，終于解決了護孔管在井下大的水壓力下施工使用所存在的質量與安全問題。

1 護孔管的組成及參數

護孔管裝置結構如圖1所示。其由護孔管和法蘭盤組成。尺寸參數為：護孔管（DZ40）為φ108 mm×4.5 mm×500 mm（直徑×壁厚×長度）；法蘭盤為 φ（250～300）mm×25 mm（直徑×厚度）。材料牌號：護孔管（DZ40）為 50Mn；法蘭盤為Q235-A。其材料化學成分見表1。護孔管與法蘭盤是采用組焊連接，焊縫為一端環形角焊縫，焊高不小于10 mm。

2 焊接質量分析

以前我們焊接護孔管采用的是普通手工電弧焊接工藝。選用酸性焊條，牌號為J422、直徑φ4.0 mm，選擇焊接電流為180A，較快焊接速度，一次焊接成型且達到焊高要求。但由于組成護孔管的DZ40管管壁較薄，含碳量較高，焊件法蘭盤較厚，直徑較大，對DZ40管的冷卻較快，焊接時DZ40管很容易被淬硬。又由于護孔管和法蘭盤材質不同，可焊性不好，焊接后極易產生焊接冷裂紋，該裂紋在大的水壓力作用下極易擴展甚至斷裂。利用以上方法所焊接的護孔管，在井下探放水施工中，曾出現過一次由于水壓力較大造成的焊管斷裂現象，險些造成井巷被淹事故。根據表1數值計算可知，ZD40管焊接時碳當量為：C當量=C+Mn/6+Gr/5+（Ni+Cu）/15=0.55+1.00/6+0.25/5+（0.30+0.25）/15=0.803。當C當量為0.4%～0.6%時，鋼材的淬硬傾向明顯，可焊性不好，當C當量大于0.60%時，焊接淬硬傾向嚴重，極易產生焊件裂紋，需要對焊件采取預熱溫度和更嚴格的工藝措施。近年來我們通過多種焊接工藝方法反復進行試驗和比較，找到了最佳焊接工藝方法，解決了護孔管焊接質量問題。現將焊接工藝方法介紹如下。

圖1 護孔管裝置結構

表1 材料化學成分表%

3 焊接工藝方法介紹

3.1 焊接工藝方法一

由于DZ40管含碳量高，C當量為0.803，焊接淬硬傾向十分嚴重，所以要對焊件進行預熱處理。預熱是為了降低焊縫熱影響區的冷卻速度，減少淬硬傾向，防止冷裂紋的產生。焊前預熱能均衡焊接區域的溫度，減小焊接熱應力，對焊縫融合良好大有好處。焊接電流的大小選擇很重要，必須嚴格掌握和控制。當電流過大時，焊接區溫度上升較快，產生的焊接熱應力也會明顯增高，出現裂紋的傾向也會增大。而焊接電流過小，使母材融合不好，也容易產生裂紋。此方法仍是采用普通手工電弧焊接，只是焊接時要控制好焊接電流與焊接速度。由于護孔管管壁較薄，為防止管壁被燒穿應選用直流焊機，采用直流反接法。具體操作步驟如下：

1）焊前先清理凈焊件油污、鐵銹與毛刺。

2）選擇焊條牌號為J506低氫型堿性焊條，直徑φ4.0mm。先將焊條放入烘干箱烘干，烘干溫度350～450℃、保溫1～2 h待用。

3）對護孔管進行預熱處理。將護孔管裝入箱式爐加熱至350～400℃、保溫1～2 h取出待組焊。在無條件的情況下，也可用氧-乙炔火焰將焊縫100 mm范圍內進行加熱，但加熱溫度要均勻。

4）取出焊件進行組裝、校正和點固定位，并清理凈焊渣與飛濺。

5）選擇焊接電流為170～180A進行焊接，一次焊接成型且達到焊高要求。護孔管與兩法蘭焊接均為一端環形角焊縫、焊高不小于10 mm。焊接時焊把要沿焊縫作小幅度的鋸齒擺動，焊接速度要慢(一般1.5～2.5 mm/s)，焊后要清凈藥皮認真檢查焊縫，焊縫成型要好，不能出現微裂紋、咬邊咬肉、氣孔、夾渣等缺陷。

6）輕輕敲擊焊縫，以消除焊接應力，并及時保溫緩冷。

需要說明的是，采用該工藝方法進行焊接的關鍵點就在于焊接時手工運條速度一定要慢、要穩，這點很重要。因為焊接速度慢時，焊接電弧在焊接處停留時間長，焊件所獲得的熱量更大，焊縫熱影響區域面積會增大，這有利于減緩焊縫的冷卻速度，減少或消除冷淬裂現象的發生。由于用該工藝方法操作，焊件所獲得的線能量大，焊縫會出現部分碳的燒損，但正由于碳的燒損，焊縫含碳量下降，焊件的淬裂傾向反而會減小。近年來我們利用該方法焊制了多批護孔管裝置，經各鉆機隊領用均未發生過質量問題。此種工藝方法在井下使用壓力不大，對焊件強度要求不高的場合下采用，是一種較理想的焊接工藝方法。

3.2 焊接工藝方法二

該方法不需要對焊件進行預熱處理。由于護孔管結構尺寸較大，成批生產對于沒有專業熱處理設備的企業來說，預熱處理是一件比較困難的事，因此我們對焊件采取兩遍焊縫的方法，這樣，前一層焊縫相當于對后一層焊縫預熱，而后一層焊縫相當于對前一層焊縫進行了一次后熱和回火處理。因而可以降低焊縫冷卻速度，促使氫擴散，有利于防止產生焊接冷裂紋。并選擇了抗裂性比較好的低氫型J507焊條進行焊接，也取得了良好的焊接效果。具體方法介紹如下：

1）選用直流焊機，采用直流反接法。首先清理掉焊件油污、鐵銹與毛刺。

2）選擇抗裂性比較好的J507低氫型焊條進行焊接。首先對焊條進行烘干處理，烘干溫度350～450℃，保溫1～2 h待用。

3）組裝定位。將護孔管與法蘭盤進行組裝、校正，用φ3.2 mm焊條進行點固定位，并清凈焊渣與飛濺。

表2 焊接工藝參數

4）焊接采用兩遍焊縫。焊接工藝參數見表2。 護孔管與法蘭盤連接均為一端環形角焊縫、焊高不小于10 mm。

a.第一遍焊縫：焊條J507、直徑φ3.2 mm、焊接電流120～130 A進行打底焊，正常焊接速度，清凈焊渣與飛濺，檢查焊縫成型要好。

b.緊接著進行第二遍焊縫：焊條J507、直徑φ4.0 mm、焊接電流170～180A，正常焊接速度，焊高達到要求。焊后清理凈焊渣與飛濺并認真檢查焊縫質量，要求焊縫成型要好，不能出現焊縫微裂紋、咬邊咬肉、氣孔、夾渣等質量缺陷。

5）輕輕敲擊焊縫以消除焊接應力并及時保溫緩冷。

需要特別提醒的兩點是：a.在工藝方法一中，焊件不能采用高溫預熱處理。如果采用高溫預熱處理，則容易破壞護孔管的強度，影響使用安全，同時影響施焊條件、降低效率、增加生產成本。b.無論是冬季或者夏季在進行護孔管焊接時，焊件都不能放在風口處進行焊接，即使夏季焊接時焊件也不能吹風扇，冬季焊接時焊件不能放在風口處，冬、夏季焊件焊后都要及時用保溫材料或耐火石棉板覆蓋，保溫緩冷，這很關鍵。在條件允許的情況下將焊件隨爐保溫冷卻會更好。

最后還需要說明的是，采用上述工藝方法所焊接的護孔管，只能用在井下對護孔管強度要求不高、工作壓力不大于1.6 MPa的場合。當工作壓力大于1.6 MPa的情況下使用，由于薄壁護孔管的強度小，會出現裂管現象。在工作壓力大于1.6～6.0 MPa的情況下，我們更改了護孔管的壁厚，采用φ108 mm×6.5 mm壁厚的DZ40管代替現用的φ108 mm×4.5 mm壁厚的DZ40管，使用安全得到了更好的保證。

4 使用效果

采用以上方法所焊接的護孔管，通過井下1a多的使用再沒有出現過焊管裂紋及斷裂現象，一舉解決了護孔管在井下大的水壓力下施工使用所存在的安全與質量問題。