JCO埋弧焊外防腐涂裝鋼管焊縫余高的控制

尚才眾，王昕軍，賈云剛，吳建國，楊森民，郭 建，鄭麗華，許曉明

(河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州061300)

JCO埋弧焊外防腐涂裝鋼管焊縫余高的控制

尚才眾，王昕軍，賈云剛，吳建國，楊森民，郭 建，鄭麗華，許曉明

(河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州061300)

為了控制壁厚小于10mm的JCO雙面三絲埋弧焊外防腐涂裝鋼管焊縫余高，提高其焊接質量，降低鋼管的焊接成本和后續防腐涂裝成本，結合鋼管防腐涂裝的工藝特性，通過調整焊接工藝中的焊絲規格、坡口形式、電源極性和能量等參數，將焊縫余高控制在1.0mm左右，9.53mm壁厚JCO雙面三絲埋弧焊外防腐涂裝鋼管無需經過機械磨削，就可滿足3PE外防腐的涂敷要求，其鋼管質量提高，成本降低。

焊縫；余高；熔敷率；焊趾

1 鋼管焊縫余高及標準要求

鋼管焊縫余高是焊縫表面焊趾沿鋼管輪廓連線上面部分金屬的最大高度(如圖1所示)。在靜載荷下有一定的加強作用，過去曾稱為加強高；在動載或變載荷作用下，不能起加強作用，反而易于促使脆斷[1]。焊縫余高造成了構件表面的起伏，在焊縫和母材的過渡處即焊趾引起應力集中。余高帶來的應力集中對動載荷的疲勞強度十分不利，因此，要求余高越小越好[2]。JCO鋼管生產線采用自動雙面多絲埋弧焊接的方法制造鋼管，電弧集中熔池較長，焊接熱輸入大冶金反應充分，熔敷率是單絲埋弧焊的3.5倍[3-4]，這樣往往使得焊縫余高過高，特別是薄壁管通常可以達到3.0mm左右。圖2為單絲、雙絲和三絲埋弧焊3種工藝方案的焊接電流和焊絲熔化速度對比曲線。從圖2可以看出，單絲和三絲之間焊絲熔敷量發生了巨大的變化。

圖1 焊縫余高和寬度

余高過高會帶來以下問題：①焊縫凸起鋼管外表不美觀；②浪費焊材和焊接能量；③超聲波探傷會出現焊縫頂部盲區[5]；④對防腐處理影響很大。

圖2 單絲、雙絲和三絲埋弧焊熔敷率對比

不同標準對埋弧焊鋼管內外焊縫高度(余高)的要求見表1。厚度13mm以下鋼管的余高最大為3.5mm，并沒有給出防腐處理鋼管的特別限制；但標準對于承受顯著動載荷或防腐處理等特殊要求的產品，規定用戶可自行設計。

表1 不同標準對埋弧焊鋼管內外焊縫高度(余高)的要求

2 對防腐涂裝鋼管余高的要求

在3PE涂裝過程中，膠粘劑涂敷和聚乙烯纏繞各設置一部氣動硅膠輥，用以壓延涂層及密實定型。采用側向纏繞工藝時，中間層膠粘劑碾壓膠輥和外層聚乙烯碾壓膠輥的軸線與鋼管軸線平行，在面對鋼管出口端呈3點或9點以及6點的位置安裝，如圖3所示。Φ300mm聚乙烯碾壓膠輥由兩支Φ125mm的氣缸支撐施壓，可以對鋼管產生數千牛頓的作用力。余高遭膠輥碾壓會造成防腐層厚度不均勻及焊縫防腐層減薄，使焊趾處纏壓不實產生氣泡、分層等缺陷，破壞了3PE整體的機械保護與防腐體系的優越性能。

焊縫余高使得相同體積膜口擠壓出的熔態聚乙烯在鋼管上包敷時，焊縫區形成的防腐層較管體區偏薄，余高越高此現象愈嚴重。當聚乙烯涂層不均勻時，可導致面層形成環向本體強度差、產生引發應力開裂的薄弱環節。同時焊縫余高使得同等加熱條件下，厚度不同的鋼管基體蓄熱能力不同，導致管體區與焊縫區形成熱容差，對焊縫區防腐層應力開裂產生影響。

圖3 Φ914mm×9.53mm×12000mm L450防腐鋼管硅膠輥壓延焊縫示意圖

現行的標準使用圓周方向多點法測量防腐層厚度，以最薄處為準。當管體防腐層厚度滿足標準而焊縫達不到要求時，需要以整體增加防腐層厚度來彌補，會使成本大為提高。GB/T 23257—2009《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層》規定鋼管焊縫余高不應超過2.5mm，且焊縫應平滑過渡[6]。在實際生產中，余高2.5mm并不被鋼管廠或防腐廠所接受。通常余高超過1.5mm時一般選擇機械磨削降低余高，這樣做成本會低于整體增厚，且避免了防腐層缺陷的引發。總之，防腐鋼管余高越小越好。

直徑不同、厚度為9.53mm(3/8in)的鋼管是執行API《管線鋼管規范》或CE《非合金結構鋼和細晶粒結構鋼冷成型焊接空心鋼管》的常見規格。以近期某公司生產的規格為Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管為例，討論將余高控制在1.0mm左右的工藝過程。

3 余高的控制措施

3.1 焊絲

焊絲直徑影響熔敷率，決定電流密度和電磁吹力，從而對焊縫橫截面積形狀產生一定的影響。JCO埋弧焊接中，經常使用的焊絲規格有Φ4.0mm和Φ3.2mm。薄板內焊接DC前置電弧通常選用Φ4.0mm焊絲，AC中間和后置電弧選用Φ3.2mm焊絲；外焊接DC前置電弧和中間選用Φ4.0mm焊絲，后置電弧選用Φ3.2mm焊絲；預焊(氣保定位焊)則選用Φ2.4mm焊絲。這種配置可有效降低余高和焊接熱輸入。

增加焊絲伸出長度一般可以使熔敷率提高25％～50％[7]。焊絲伸出長度對焊縫成形(特別是余高)有顯著影響。Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管埋弧焊接焊絲伸出長度嚴格控制在25～26mm；氣保定位焊25mm。

焊絲傾角方向和角度對熔深和焊縫成形、缺陷有一定的影響。焊接參數中前傾熔深較深，后傾焊縫寬度較寬。對于Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管，焊絲間距過小，熔深加大，焊縫窄而高。Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管焊接參數見表2。

表2 Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管焊接參數

3.2 坡口形式

坡口設計應考慮坡口的制備方法及焊接方法的工藝要求[8]。Φ914mm×9.53mm鋼管坡口形式如圖4所示。圖4中，A=5.03mm，B=3.5mm，C=1.0mm，外坡口角度2e=120°，內坡口角度2a=110°。

圖4 Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐鋼管坡口形式

為了給外坡口高度A創造出更大的熔池空間，使鈍邊B=3.5mm，這在JCO多絲埋弧焊接中屬于偏弱設計，也是我公司建廠7年來首選。生產實踐證明，無論是氣保定位焊還是內外埋弧焊都是安全可靠的；內坡口高度C=1.0mm占用空間小，同時為埋弧內焊接提供導向作用；外坡口角度2e=120°，這是我公司為解決9.53mm鋼管余高問題而定制的角度最大的銑邊機銑削下刀座。

增大外坡口高度和角度的目的還在于：JCO鋼管生產線埋弧焊接之前，有一道給埋弧焊打底的合縫預焊工序，如圖5所示。預焊采用Φ2.4mm焊絲、2.5m/min高速焊接(見表2)，預焊焊縫仍然占據銑邊坡口相當大的一部分空間。氣保預焊屬于焊接能量較小的定位焊接，一般不超過5kJ/cm，其形成的焊道會被后面的埋弧焊熔融。

圖5 Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐鋼管預焊焊縫

3.3 電源極性

JCO多絲自動埋弧焊鋼管生產線在焊接厚度t≤10mm的產品時，一般采用直流正接法。直流一絲正接較反接能更好地控制焊道形貌、熔深，且引弧燃燒穩定。正接負極的焊絲熔化速度要比反接高35％，使得熔池熔深變淺，余高增加[9]，對于需要控制余高的防腐涂裝鋼管不利。采用DC++AC和DC-+AC+AC進行了現場焊接試驗，具體工藝參數見表2中的雙絲外焊和三絲外焊。

雙絲正接焊縫成形形貌如圖6所示，三絲反接焊縫成形形貌如圖7所示。從圖6和圖7可以看出，雙絲正接和三絲反接焊接在線能量接近的情況下，雙絲正接余高1.51mm，三絲反接余高1.07mm；雙絲正接焊縫寬度15.5mm，三絲反接焊縫寬度20.5mm。雙絲正接焊縫成形系數下降，不利于熔池中氣體和夾渣物的上浮和逸出；且焊縫突兀焊趾處轉角半徑r(見圖3)變小。3PE防腐采用環氧粉末靜電噴涂熱熔技術，熱熔粉末在焊趾處易形成堆積。環氧基團與中間黏結劑聚烯烴反應生成氫鍵或化學鍵，被外層聚乙烯纏繞，在張力作用下擠出膜包覆到鋼管，此時在轉角處會形成一個空腔層。如果碾壓用硅膠輥硬度較高或直徑較大，焊趾處可能沒有被壓實，給防腐層留下缺陷。

圖6 雙絲正接焊縫形貌

圖7 三絲反接焊縫形貌

3.4 能量參數和焊縫成形

Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管焊接能量參數選取的原則：保證焊接接頭性能的前提下，努力降低外焊縫余高。焊接電流和電壓參數調整對焊縫成形和焊縫的冶金質量影響很大。焊縫成形與坡口形式有關，與焊接能量參數有重要的關系。

3.4.1 焊接電流

焊接電流控制焊絲的熔化速度、熔深和母材的熔化量。圖8為焊絲熔化速度與電流關系曲線。由圖8可知，焊縫金屬單位時間的熔敷量幾乎與電流成正比。直流一絲滿足內外焊互熔量即可，一絲電流過高會影響到金相組織的變化，且使熔敷金屬劇增。

圖8 焊絲熔化速度與電流關系曲線

3.4.2 電弧電壓

電弧電壓對熔寬影響較大，對熔深的影響較小，可以根據熔寬選擇電弧電壓[4,7]。加大電弧電壓可以擴展熔寬，降低余高。表2中直流一絲電壓較常規焊接提高了18.9％，填充二絲電壓提高了11％，蓋面三絲電壓基本保持不變。加大電弧電壓后，焊縫厚度減小，焊縫成形系數變大，余高有效降低，其負作用是電弧變長，燃燒不如常規穩定，電弧力抑制焊接缺陷的能力減弱。在采用雙絲直流正接試驗中，加大電弧電壓，余高同樣迅速降低，但焊趾處咬邊現象出現。

3.4.3 焊接速度

提高焊接速度，單位長度的熱輸入和填充金屬減少，熔深、熔寬和余高相應減小。焊接速度過高會降低熔融金屬的潤浸作用，增加咬邊、電弧偏吹、焊縫氣孔及焊縫成形不良的可能性[9]。Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管在保證焊接質量的情況下，適宜采用較高焊接速度，即：氣保預焊2.5m/min、埋弧內焊接1.7m/min、埋弧外焊接1.65m/min，快速穩定，焊縫成形和焊縫冶金質量良好。

4 控制效果分析

焊縫由加熱熔化金屬凝固結晶而成，焊縫顯微組織直觀地反映了焊接接頭的綜合性能。焊接工藝的制訂、參數的合理選擇與否，顯微鏡下可以得到最直接的信息反饋。

圖9為Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管焊接接頭顯微組織。從圖10可以看出，母材組織以AF及塊狀鐵素體為主，無珠光體帶狀組織，晶粒細密，晶粒度10級。焊縫中心組織以AF為主，以先共析鐵素體、側板條狀鐵素體層狀分布以及鐵素體間的黑色組織。熔合線附近組織類型和晶粒度變化較大，以塊狀鐵素體、柱狀晶和AF交織分布。受焊接熱循環的高溫影響，過熱區晶粒尺寸明顯粗大，AF減少，塊狀鐵素體和柱狀晶增多。正火區重結晶部位晶粒得以細化，組織為AF。從圖6、圖7可以看出，內、外焊焊縫形貌良好，外焊縫寬度20.5mm，余高1.07mm，內、外焊互熔深度超過2.0mm，中心偏差不超過1.0mm，互熔適宜，焊接熱輸入控制適當。

圖9 Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐鋼管焊接接頭顯微組織(50μm)

GB/T 23257—2009規定焊縫部位防腐層厚度不應小于管體規定值的70％；ISO 21809-1：2011規定對SAW焊接管的焊縫、防腐層總的厚度較管體可以最多減少10％。

余高控制在1.0mm左右，防腐時執行GB/T 23257—2009完全可以滿足技術要求；執行ISO 21809-1—2011時，稍作提高防腐層的整體厚度即可以達到技術要求。

余高控制在1.0mm左右，鋼管的3PE涂裝效果優于使用機械磨削焊縫的鋼管。機械磨削余高焊縫會形成一條具有尖銳棱角的帶狀平臺。當余高磨削殘余高度超過0.5mm，3PE纏繞厚度達到3.6mm時，此平臺的痕跡仍清晰可見；當余高磨削接近焊趾處，此時已經傷及鋼管母材。機械磨削余高效率低，不易掌控精度，調整焊接工藝，控制余高是合理的選擇。

5 結 論

(1)焊接接頭的應力集中主要由焊縫余高引起[10]。余高過高焊趾處應力集中系數增大，易誘發徑向裂紋等缺陷；余高過高焊縫區防腐層的蓄熱能力大于管體區，形成熱容差，造成防腐區應力開裂[11]。因此，余高既對焊縫造成應力集中，又對焊縫的防腐層造成應力集中。

(2)增加焊絲伸出長度可以使熔敷率提高25％～50％，焊絲伸出長度對焊縫成形(特別是余高)有顯著影響。

(3)焊縫金屬單位時間的熔敷量幾乎與電流成正比，控制焊接電流對余高和焊接接頭的顯微組織有很大影響。

(4)增大外坡口高度和角度是降低余高最合理有效的方法，再以電弧電壓調整熔寬相配合，Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管外焊縫余高可以控制在1.0mm左右。焊縫形貌規整，過渡圓滑，為涂裝生產提供了極大便利。

(5)提高電弧電壓，熔寬變寬，余高得以有效降低；電壓不宜過大，否則其負作用會降低焊接質量。

[1]中國機械工程學會焊接分會.焊接詞典[M].北京：機械工業出版社，2008：51.

[2]邵輝成，康建雄，劉慶華，等.焊縫余高對焊接接頭疲勞性能影響的定量分析[J].熱加工工藝，2011，40(13)：12-14.

[3]陳裕川.焊接結構制造工藝實用手冊[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]陳裕川.焊接工藝設計與實例分析[M].北京：機械工業出版社，2011.

[5]梁啟涵.焊接檢驗[M].北京：機械工業出版社，2008：133.

[6]GB/T 23257—2009，埋地鋼質管道聚乙烯防腐層[S].

[7]王國璋.壓力容器焊接實用手冊[M].北京：中國石化出版社，2013：33-35.

[8]尚才眾，董宏斌，賈云剛，等.09MnNiDR低溫鋼管雙面雙層三絲自動埋弧焊接研究[J].鋼管，2014，43(4)：23-29.

[9]黃石生.焊接科學基礎[M].北京：機械工業出版社，2014：103.

[10]劉世澤.埋弧焊鋼管焊縫余高的控制[J].鋼管，2006，35(3)：23-26.

[11]喬軍平.全面分析管道三層PE防腐層缺陷(二)：焊縫防腐層缺陷[J].全面腐蝕控制，2009，23(2)：41-44.

Weld Reinforcement Control Technology of JCO Submerged Arc Welding Outer Corrosion Resistance Coating Steel Pipe

SHANG Caizhong，WANG Xinjun，JIA Yungang，WU Jianguo，YANG Senmin，GUO Jian，ZHENG Lihua，XU Xiaoming
(Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co.，Ltd.，Cangzhou 061300，Hebei，China)

In order to control the weld reinforcement of JCO double-side three wire submerged arc welding outer corrosion resistance coating steel pipe(wall thickness not more than 10mm),increase welding quality,reduce welding cost and the subsequent anticorrosion coating cost,combined with the process characteristics of steel pipe coating,through adjusting some parameters,such as welding wire specification,groove type,power supply polarity,energy and so on,the weld reinforcement was controlled around 1.0mm.The JCO double-side three wire submerged arc welding 9.53mm outer anticorrosion coating steel pipe can meet the coating requirements of 3PE without mechanical grinding,the quality of steel pipe was improved,and the cost was reduced.

weld;reinforcement;deposition rate;welding toe

TG445

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.014

尚才眾(1961—)，男，高級工程師，河北海乾威鋼管有限公司總工程師，現主要從事JCO成型和焊接工藝研究。

2016-09-06

李紅麗