J型坡口管道施工

顧永哲

（福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200）

1 J型坡口的形成

1.1 坡口的形式

一般的碳鋼管（不銹鋼管）在采用焊接連接的形式時，隨著管線壓力、溫度的不同，所選用的管道壁厚也不同。而不同的壁厚和焊接工藝方法將對應(yīng)不同的接頭（坡口）型式。國內(nèi)壁厚一般在26mm以內(nèi)可采用V型坡口（或其變化型式），大于20-60mm采用J型（或其變化型式等）。ASEM（美國機械工程師協(xié)會）B16.25標準中對于不同焊接工藝方法及相應(yīng)壁厚統(tǒng)一規(guī)定了焊接坡口的型式。以下示意圖為不同的坡口型式（單位為mm）：

圖1 不同坡型式示意圖

1.2 坡口加工及“C”值的確定

J型坡口一般應(yīng)使用坡口機加工。J型坡口加工C值（擴孔直徑或加工后管內(nèi)徑）非常重要，它將影響對口錯邊量及焊接的質(zhì)量。一般情況應(yīng)依據(jù)相應(yīng)表格查得“C”值，也可依據(jù)以下公式計算C值：

C=ф-0.79-1.75δ-0.25(mm)

ф=標準管外徑

0.79=最小的管外徑公差（mm），依據(jù)ASTM（美國材料與試驗協(xié)會）標準的規(guī)定

1.75=標準管壁厚的87.5%X 2，依據(jù)ASTM的規(guī)定，鋼管允許的最小壁厚為標準管壁厚的87.5%

δ=標準管壁厚(mm)

0.25=加工后管內(nèi)徑（C值）的正公差（mm）

實際的施工中無論查表或計算，均應(yīng)采用統(tǒng)一的C值。坡口加工前應(yīng)檢查坡口機是否運轉(zhuǎn)正常，加工的管口橢圓度是否滿足加工要求，必要時對管口進行校正。坡口加工時應(yīng)仔細核實加工尺寸，隨時使用游標卡尺測量擴孔尺寸，調(diào)節(jié)進刀量，確保C值不超差。

2 J型坡口焊縫收縮量的確定

J型坡口管道壁厚較厚，對應(yīng)的管線級別較高，安裝公差也相應(yīng)提高。預(yù)先測量出焊縫收縮量及變形對管道下料、現(xiàn)場組對安裝及管線與設(shè)備的連接都將起到非常重要的作用。

2.1 前提條件

選用材料和坡口形式及焊接工藝方法應(yīng)與實際工程施工所用相同或可代替，焊口已組對且架設(shè)牢固準備焊接。

工具（僅列出測量變形和收縮的工具）：鋼板尺、游標卡尺、水平尺、線墜、百分表。

2.2 焊縫收縮量的測量

圖2 樣沖眼作測量點

在焊口兩側(cè) 0°、90°、180°、270°四個方位各打 4 個樣沖眼作測量點（如圖2），預(yù)先測得兩個樣沖眼間的間距L0，焊縫焊接完成后從不同方位測量樣沖眼間的間距L，求得焊縫收縮量S=L0-L（記錄在焊縫收縮表中）。同時管端附近裝上百分表以觀察變形，焊接時采用對稱焊控制變形。

2.3 測量結(jié)果

最終的焊縫收縮量（焊縫熱處理完成后）可由記錄表中查得同一規(guī)格的焊縫收縮量取其平均值計算得出（一般應(yīng)至少取相同焊接工藝方法和環(huán)境下，同一規(guī)格的三個數(shù)據(jù)）。

表1是本人在秦山核電三期管道預(yù)制廠測得的一組數(shù)據(jù)：

表1

規(guī)格 材質(zhì) 焊接工藝 焊材牌號 外徑（mm）加工C值(mm)壁厚(mm)焊縫收縮量(mm)DN 250 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 273.1 240.05 18.26 3.2 DN 300 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 323.9 285.30 21.44 3.3 DN 300 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 323.9 285.30 21.44 3.2 DN 400 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 406.4 359.55 26.19 3.7 DN 400 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 406.4 359.55 26.19 3.6 DN 450 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 457.2 457.2 29.36 3.9 DN 450 DN450GTAW封底SMAW填充GTAW封底SMAW填充 457.2 404.75 29.36 3.8

經(jīng)過對焊接過程和焊縫收縮量結(jié)果分析，J型坡口管道焊縫收縮具有以下特點：

●焊縫收縮量與所選焊接工藝方法和材料（質(zhì)）有關(guān),但差異不大；

●一般在焊至母材1/3至1/2之前焊縫收縮量較大；

●焊接速度快則焊縫收縮量較小；

●隨著管道壁厚增大，焊縫收縮量增大但變化幅度不明顯；

●焊縫收縮無法避免，焊接變形（水平度，管口垂直度等）均因焊口不對稱收縮產(chǎn)生，所以焊接變形可以通過對稱焊接來消除和控制；

●焊縫間隙大則收縮量相對較大。

3 J型坡口管道施工的關(guān)鍵點

J型坡口管道作為工藝管道的一種，典型預(yù)制安裝流程分別如下：

預(yù)制：管材（件）的領(lǐng)取→下料標識→坡口加工、鉆孔→組對→焊前預(yù)熱→焊接→焊后熱處理→NDE檢查→管段的酸洗清潔→包裝、儲存

安裝：管段（在線部件的領(lǐng)取）→管道放線、定位→支吊架安裝→組對→焊前預(yù)熱→焊接→焊后熱處理→NDE檢查→管道系統(tǒng)試驗與沖洗→系統(tǒng)移交

J型坡口管道與其它管道的施工順序區(qū)別不大，本文只對與J型坡口管道的坡口特點、焊縫收縮及變形控制相關(guān)的施工關(guān)鍵點（下料、管段的領(lǐng)取、放線定位、組對、焊接）進行闡述。

3.1 下料

管段的下料尺寸一般由圖紙設(shè)計長度（或管口間距）、焊縫間隙、焊縫收縮量以及連接管段（管件）的公差決定，可按下式計算：

L=L1+S-G-T

L=下料長度(此處的下料長度指加工好坡口后的尺寸，實際施工下料時應(yīng)考慮切割管端的平直度和機加工坡口可能損耗的長度，一般應(yīng)再加一定的加工坡口長度)

L1=圖紙設(shè)計長度(或測得的管口間距)

S=焊縫收縮量

G=焊縫間隙

T=連接管段(管件)的公差

一般V型坡口的管道涉及系統(tǒng)級別相對較低，對于安裝容差要求也相應(yīng)較低，管道下料尺寸為：碳鋼管取L=L1-3（mm）；不銹鋼管取L=L1。

J型坡口的管道可考慮焊縫收縮為4mm，焊縫間隙為1mm，公差相互抵消，此時下料長度為L=L1+4-1+0=L1+3（mm）。在實際施工中，在測得現(xiàn)場管口間距后再加3 mm確定下料長度，在安裝中則會產(chǎn)生滿意的結(jié)果。

3.2 管段及在線部件的領(lǐng)取

管段及在線部件領(lǐng)取時應(yīng)仔細核對標識及尺寸，部件是否存在缺陷,應(yīng)特別注意坡口保護。

因為現(xiàn)場空間及吊裝設(shè)施有限，而J型坡口的管段較重 （如DN300 SCH100：160kg/m）外形尺寸較大，所以施工前應(yīng)設(shè)計好合理的領(lǐng)用次序。

3.3 現(xiàn)場定位與放線

J型坡口管道施工中，首先由專業(yè)測量人員對將要安裝管道房間中易引出點進行三維坐標放線并提交書面的測量報告單。然后從基準點引線在附近墻上、鋼結(jié)構(gòu)或預(yù)埋件上，標記坐標。第三步則依據(jù)施工圖紙尺寸、坐標放線：

●根據(jù)支架圖和預(yù)埋件圖，在預(yù)埋件或鋼結(jié)構(gòu)上測量放出管道支架安裝位置中心線和標高線，并明確標識所在支架位號、角度和標高。

●根據(jù)管道安裝等軸圖在墻外壁或鋼結(jié)構(gòu)上測量放出管道安裝中心線，并明確標識管線號、標高，同時可依據(jù)此基準線測量出管道長度與圖紙的偏差，必要時可對管道進行預(yù)制加工，以確保管道安裝符合要求。

●準確定位初始管段，后序管段放線時應(yīng)多次測量來確定管線走向及下料尺寸（一般應(yīng)以管口上、中、下各引一點進行測量取平均值來確定下料尺寸），對于空間坐標難以準確放線的地方，由測量班使用儀器測量管口坐標是有必要的，它將減少后序工作因放線不準而導(dǎo)致的安裝偏差。

●連接特殊角度的管段時，應(yīng)最好在木板上投影放線，組對時依據(jù)投影線調(diào)整管段，這樣可以更好的保證連接管段的角度和尺寸均滿足要求。

3.4 組對

J型坡口管道焊接工藝、安裝精度及清潔度要求較高，故應(yīng)盡量提高預(yù)制裝配程度，減少現(xiàn)場組對施工。對于尺寸、角度暫時無法確定的管段，應(yīng)留有現(xiàn)場測量段，經(jīng)實測后進行二次加工、組對。

管段組對前應(yīng)核查預(yù)留洞、連接設(shè)備的位置是否偏差，從而確定管段組對時應(yīng)調(diào)節(jié)的辦法；應(yīng)核對管段、在線部件的標識是否正確，坡口有無損傷；應(yīng)消除離坡口50mm范圍內(nèi)的污物、毛刺、水分和鐵銹等，如果管道坡口表面附近有油污、油脂等則應(yīng)用丙酮清理至干凈為止；對于帶有管座或其它管件需現(xiàn)場安裝的管段應(yīng)在組對焊接前將孔開好并加以保護；應(yīng)核實在線部件的方向后再進行組對。

組對：J型坡口組對間隙為0～1.5mm，如預(yù)制管段有一定誤差，可用間隙的大小加以調(diào)節(jié)。錯邊量一般不超過0.8mm，遇到有錯邊時應(yīng)使錯邊在管口周向均勻分布。不允許強行對口，但可采取修磨坡口（因坡口中有一定范圍的鈍邊可調(diào)節(jié)）或加熱矯正等措施幫助組對。組對中如經(jīng)設(shè)計同意使用臨時附件（吊耳、搭板等）時，則附件材料應(yīng)與母材相同或相容，焊接材料應(yīng)與母材相熔，臨時附件去除后，應(yīng)對附件焊接點修磨后做磁粉檢驗，并對該區(qū)域進行焊后熱處理。對好口的管段應(yīng)進行對稱點焊，為便于端頭熔透，點焊焊肉的兩端都必須修成緩坡形，同時點焊焊縫必須具有足夠的強度。為避免系統(tǒng)變形過大，應(yīng)避免連續(xù)組對，最好在焊縫焊接完成之后進行下段管段的組對。

組對好的管段如永久性支架暫時不能安裝時，應(yīng)使用臨時支撐件支撐而保證不出現(xiàn)彎曲，向外伸出或失衡等，臨時支撐應(yīng)是剛性的且具有足夠的尺寸和強度以支撐管道的重量直至永久性支撐安裝完畢。

3.5 焊接

組對好的焊縫經(jīng)QC檢查后即可進行焊接。施焊前焊工應(yīng)對焊接設(shè)備及工具進行仔細的檢查，確保焊接設(shè)備及工具處于良好的工作狀態(tài)。同時應(yīng)檢查點焊縫是否有損傷和裂紋，焊縫處是否有銹斑等污物，如不符合要求，則應(yīng)使用合適的方法去除缺陷后施焊。

焊接過程中，焊工應(yīng)嚴格按規(guī)定的焊接工藝進行。為減小焊接變形應(yīng)盡量采用對稱施焊配合分段跳焊和退焊法進行焊接，并控制好層間溫度，以減小焊接應(yīng)力和變形，保證焊縫質(zhì)量。同時，焊接時應(yīng)由專人觀察管道的變形情況而調(diào)整焊接順序，必要時在管口附近加一個如下圖所示的臨時支架是比較好的辦法，這樣可從管壁與支架的間隙清楚觀察到變形的大小，從而及時做出相應(yīng)的焊接調(diào)整。

焊接時，應(yīng)將焊接的接地線連接牢靠，不得因接地傷擊管道和設(shè)備；應(yīng)特別防止焊接電纜拖動時在設(shè)備和管道上打弧。在焊接帶有閥門的管段時，要確保焊接電流不經(jīng)過閥門，接地鉗應(yīng)連接在管段一側(cè)，并嚴格控制層間溫度，以防損壞閥門密封環(huán)。焊接過程中，不得震動、敲擊被焊部件。

一般情況下，在焊縫根部焊完后應(yīng)檢查有無裂紋或其它缺陷，同時在焊至焊縫厚度1/3時，做層間RT也是控制最終焊縫缺陷的有效辦法。對因故中途停焊的焊縫，必須保證已焊厚度達到焊縫厚度的1/3后方可停焊，且不可將一條管線上的多個焊縫同時施焊，這樣可能會因為多個焊縫同時收縮而造成焊縫開裂。

4 J型坡口管道安裝中應(yīng)注意的事項

4.1 清潔度

J型坡口的管道涉及重要管線，清潔度要求非常重要。在安裝過程中應(yīng)按以下幾點加以控制：每根管段及在線部件安裝前均要檢查清潔度是否符合要求；管道組對、焊接前要檢查其內(nèi)部清潔度，小口徑管道可用壓縮空氣吹掃，大口徑管道可用吸塵器吸或用結(jié)實的布拖；對于暫不連接的管口應(yīng)用管帽牢固封堵，此管口被最終連接或進行檢查時才可打開。每根管線與其它管線或設(shè)備相連時應(yīng)再次檢查管內(nèi)清潔度是否符合要求（對于U型彎的低部可采用內(nèi)窺鏡檢查）。由于設(shè)計變更等必須切割管段（如增加排氣污口），應(yīng)仔細操作以確保無外部雜質(zhì)進入管道內(nèi)部。當(dāng)管道內(nèi)部要求打磨等可能產(chǎn)生灰塵時，應(yīng)安裝塞子防止灰塵掉入不可接近的內(nèi)部，對打磨后的粉塵應(yīng)使用吸塵器清掃，管口封閉焊接前一定要拆除密封塞等（必要時應(yīng)做記錄）。每次清潔度的驗證應(yīng)由QC人員嚴格按程序檢查。

4.2 施工順序的確定

J型坡口管道的安裝順序應(yīng)在依據(jù)傳統(tǒng)的由內(nèi)向外等原則外還應(yīng)從以下幾個方面統(tǒng)籌考慮：

●施焊及焊后修補的難易。J型管道焊口質(zhì)量要求非常高，一般要求作RT外還應(yīng)作UT，所以應(yīng)將那些難以施焊的焊口（靠墻洞，其它管線下方等）先施焊，對可能出現(xiàn)質(zhì)量問題而修復(fù)補焊困難的焊口最好應(yīng)等待其焊口檢驗合格后再進行其它管道的安裝，有些管段連接V型坡口的管道，應(yīng)將其留在最后施焊。

●充氬的難易。應(yīng)對需充氬的焊口優(yōu)先考慮組對施焊，以免因接管太多而造成充氬效果不好或難以充氬。

●組對的難易。一般來說，現(xiàn)場安裝管線應(yīng)連貫進行，但J型坡口的管道因變形較大，對口要求高，所以應(yīng)考慮將那些難以組對的焊口優(yōu)先組對施焊。

4.3 調(diào)節(jié)管段的確定及安裝

調(diào)節(jié)管段也叫現(xiàn)場測量段，它的重要作用是彌補焊縫收縮，焊接變形等造成的安裝偏差。原則上每條管線應(yīng)在X、Y、Z軸上都有一段帶調(diào)節(jié)段的管段，這樣可以修正難以控制和預(yù)見的空間變形而帶來的管線無法連接。一般應(yīng)將調(diào)節(jié)段設(shè)在與其它管線或設(shè)備相連的管段上。調(diào)節(jié)段的下料尺寸應(yīng)在幾次測量現(xiàn)場管口尺寸取平均值后加一個焊縫收縮量（一般取3mm）。每條管線的調(diào)節(jié)段應(yīng)在最后安裝。如與設(shè)備最終連接則應(yīng)考慮2個焊縫焊接收縮而對設(shè)備產(chǎn)生應(yīng)力帶來設(shè)備精度超差的可能。必要時此管段下料尺寸應(yīng)加2個焊縫收縮 （可取6mm），安裝時用千斤頂?shù)阮A(yù)先推開管線，將管段放入后，邊施焊邊放千斤頂?shù)霓k法來控制焊縫收縮對設(shè)備產(chǎn)生的應(yīng)力，同時可加裝百分表觀測設(shè)備的變形，隨時調(diào)整焊接部位。

4.4 其它易出現(xiàn)的問題及其解決辦法

4.4.1 坡口的破損

因運輸或焊口點焊后未及時施焊等原因造成坡口的鈍邊破損可采用相應(yīng)的焊接工藝手工氬弧焊修補后，打磨光滑再做PT檢驗的辦法彌補。

4.4.2 安裝變形過大

施工中因為預(yù)制精度超差，或?qū)附幼冃慰刂撇划?dāng)?shù)仍蛟斐砂惭b變形過大，管口偏離坐標造成后序管段無法組裝對口的情況，可采用以下辦法修正：

●在變形較小時，可用熱處理的辦法矯正。

●在經(jīng)過設(shè)計部門同意后將對接坡口修改為V型坡口后組對。

●在設(shè)計部門同意的情況下，在一定范圍內(nèi)（一般不超過8mm），對管口進行修正后組對，如下圖所示在秦山核電三期施工中一根與主管道相連的管段因預(yù)制偏差造成管口組對焊縫間隙超差，經(jīng)申請設(shè)計確認后，對一端坡口堆焊，再用手工修磨成過渡均勻的“J”型坡口，做PT合格后重新組對焊接（圖3）。

圖3

●在不得以的情況下，可將變形對應(yīng)側(cè)的焊縫磨開一定深度后再施焊利用焊縫收縮來修正變形，這種方法應(yīng)由焊接水平非常高的焊工進行。

●以上辦法均難以解決時，只有切除并更換管段，對于現(xiàn)場一端管口手工加工J型坡口。

5 結(jié)束語

J型坡口管道的施工雖然較普通坡口管道困難，但是只要掌握了它的焊縫收縮特性，精心組織施工，在施工時認真執(zhí)行每道工序，有效控制變形，是一定可以優(yōu)質(zhì)、高效的完成安裝任務(wù)的。

［1］ANSI/ASME B16.25.對接焊坡口[S].

［2］ASME 31.1.動力管道[S].

［3］ASME第Ⅲ卷.鍋爐及壓力容器規(guī)范（核動力裝置設(shè)備建造準則）[S].

［4］管道工程安裝手冊[M].機械工業(yè)出版社出版.管道安裝施工技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社出版.