管口堆焊復(fù)合管焊接工藝研究

寇建峰 趙洪元

1. 大慶油田工程建設(shè)有限公司油建二公司, 黑龍江 大慶 163453；2. 大慶油田工程建設(shè)有限公司， 黑龍江 大慶 163453

0 前言

雙金屬復(fù)合管自20世紀(jì)60年代問世,一度成為近十年來發(fā)展最快的一種工程管道[1]。其設(shè)計(jì)原則是基材滿足管道設(shè)計(jì)許用應(yīng)力,覆層具有抵抗腐蝕作用。通常覆層金屬厚度在1～3 mm之間,基層金屬厚度視承受壓力強(qiáng)度而定,通常在6 mm以上[2]。相對于整體合金管,雙金屬復(fù)合管能有效降低成本,而且具有抗應(yīng)力腐蝕開裂能力,可以提高安全性和可靠性。復(fù)合管投入初期,其管端不作任何特殊處理,采用整體V形坡口,和普通管道一樣焊接,后來由于焊接困難,缺陷較多,性能難以得到保證。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)了管端封焊技術(shù),管端封焊降低了焊接難度,焊縫性能得以保證,然而封焊技術(shù)焊接工序復(fù)雜、焊接一次合格率低、對焊工手法要求較高,因此又開發(fā)了一種管端堆焊技術(shù),該技術(shù)最初應(yīng)用到中海油海底管線系統(tǒng),今年初首次在大慶采氣項(xiàng)目使用。工程采用L 290 N+316 L+309 LMo復(fù)合管,基層為6 mm厚L 290 N碳鋼管,覆層為2 mm厚022 Cr 17 Ni 12 Mo 2不銹鋼管,管口堆焊309 LMo過渡層。通過對管端堆焊復(fù)合管焊接性能的研究,解決了此類復(fù)合管的應(yīng)用障礙,也為此類復(fù)合管的全面推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 焊接工藝分析

1.1 焊接方法的選擇

由于管端堆焊[3]復(fù)合管覆層壁薄,選用焊接輸入量小、質(zhì)量容易控制的手工鎢極氬弧焊完成根焊和過渡焊的焊接[4]。填充焊和蓋面焊采用手工電弧焊完成,既能保證焊接質(zhì)量,又能節(jié)省成本。管口堆焊采用的是藥芯焊絲CO2氣體保護(hù)焊[5-6],若采用手工電弧焊熱輸入量大、容易使管口變形，且不易得到較薄的堆焊層,若采用鎢極氬弧焊充氬保護(hù)困難。

1.2 坡口加工

管口堆焊復(fù)合管坡口采用V形坡口,與常規(guī)復(fù)合管相比坡口加工簡單,焊接工藝也相應(yīng)簡化[7],坡口參數(shù)對比見表1。

表1管口堆焊復(fù)合管與常規(guī)復(fù)合管坡口參數(shù)對比表

坡口參數(shù)對比管口堆焊復(fù)合管常規(guī)復(fù)合管坡口形式及焊接順序坡口參數(shù)實(shí)體圖片

1.3 組對

組對前將坡口兩側(cè)20 mm范圍內(nèi)污油、鐵銹及其它雜質(zhì)清理干凈,覆層金屬使用丙酮溶液清除。

坡口清理完畢后將背面氣體保護(hù)裝置裝入坡口內(nèi),一端用鐵絲栓牢以便焊接后牽出管外[8]。

組對采用外對口器,通過壓塊上的螺栓調(diào)節(jié)保證管線同心度[9]。

鋼管組對時(shí),必須控制覆層金屬的錯(cuò)邊量,錯(cuò)邊量不能大于1.5 mm,組對完畢后,用連接塊進(jìn)行點(diǎn)焊固定,固定2至6個(gè)點(diǎn),位置最好均勻分布,連接塊材質(zhì)應(yīng)和基層材質(zhì)一樣。

1.4 焊接

打底焊焊接前坡口用美紋紙密封后充入氬氣進(jìn)行氣體置換[10],約10 min后,用測氧儀檢測背面保護(hù)氣體區(qū)域的純度,當(dāng)氧含量滿足要求時(shí),方可施焊。

為了保證根部焊接質(zhì)量,采用鎢極氬弧焊進(jìn)行焊接,焊接順序由下到上,對稱焊接[11]。在焊完一段焊縫后,應(yīng)及時(shí)觀察焊縫背面顏色和成型情況,若不滿足設(shè)計(jì)要求,說明根部保護(hù)效果不佳,應(yīng)檢查內(nèi)保護(hù)器密封性能是否良好,氧含量是否滿足要求。根焊完成后用相同的氬弧焊絲進(jìn)行過渡焊。

過渡焊完成后可減少氬氣供應(yīng),防止內(nèi)部氧含量超標(biāo),然后采用J 507焊條進(jìn)行填充焊接,要求采用小的線能量焊接。

填充焊完成后停止氬氣供應(yīng),撤出充氬裝置,準(zhǔn)備下道口安裝,最后用J 507焊條完成蓋面焊。

焊接過程嚴(yán)格控制層間溫度。因?yàn)閷娱g溫度過高容易促使原子遷移,和鉻原子形成沒有抗腐蝕性能的C-Gr化物,并造成鉻原子局部偏析,降低焊縫的整體抗腐蝕能力。

1.5 工藝參數(shù)

管線組焊相關(guān)參數(shù)見表2。

表2管線組焊相關(guān)參數(shù)表

焊道焊條(絲)型號規(guī)格極性電壓U/V電流I/A焊速V/(mm·min-1)線能量Q/(kJ·mm-1)氣體流量/(L·min-1)正面背面根焊ER309LMoΦ24DCEN10～159040～50≤14210～15≥25過渡焊ER309LMoΦ24DCEN10～1511060～70≤11610～15≥25填充焊J507Φ32DCEN15～209050～60≤151-15～20蓋面焊J507Φ32DCEN15～209060～70≤126-- 注：·根焊和過渡焊采用GTAW，鎢極直徑WCeΦ20，噴嘴直徑Φ6～Φ10，Ar氣混合比99999%[12]。·填充和蓋面焊采用SMAW，焊條使用前350℃烘焙1h[13]。·焊道層間溫度控制120℃。·焊道顏色為銀白、金黃、藍(lán)、紅灰等顏色為合格，灰黑、黑色為不合格[14]。

1.6 管口堆焊

1.6.1 堆焊目的

雙金屬復(fù)合管基層和覆層之間存在一定間隙[15],焊接時(shí)必須使覆層和基層先以合金方式熔合成一體,再進(jìn)行管口對接。其一，堆焊層的作用是保護(hù)覆層不銹鋼金屬的防腐性能[16],保證過渡層金屬的塑性和韌性,滿足對基層金屬的強(qiáng)度要求。其二，管口堆焊復(fù)合管在出廠前完成堆焊,只有在管線連頭時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場堆焊,相比常規(guī)復(fù)合管，省去了封焊、打磨、過渡層的焊接等工序,并且大大提高焊接一次合格率,提高了工作效率[17]。其三，采用309 LMo焊絲堆焊可避免封焊焊縫形成大量馬氏體[18]等脆硬組織,降低焊接接頭的韌性和塑性,防止主要合金元素Gr、Ni、Mo的稀釋和碳的滲透。

1.6.2 堆焊原理

將雙金屬管端覆層和基層由機(jī)械復(fù)合轉(zhuǎn)變成分子結(jié)合,將復(fù)合結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的應(yīng)力集中部位與對接焊縫熔合線的薄弱部位分離開,從而避免裂紋產(chǎn)生[19]。將管端30 mm范圍覆層去除,使用與覆層材料相同或鉻、鎳含量更高的不銹鋼焊材進(jìn)行多道堆焊,得到的熔敷金屬不低于原有覆層厚度,再通過機(jī)械加工得到相應(yīng)坡口的管線。

1.6.3 操作步驟

1.6.3.1 管口加工

由于覆層金屬厚度僅2 mm,切割時(shí)要保證切割精度。使用不銹鋼切片先將覆層切斷再往基層切削1±0.3 mm[20]。為防止管口因堆焊應(yīng)力產(chǎn)生縮徑,管口先預(yù)留20 mm,增加管口剛度,堆焊完切除。堆焊前先用角磨機(jī),不銹鋼磨片、鋼絲刷清理焊接區(qū)內(nèi)的油污、鐵銹等雜質(zhì)。管口加工示意圖見圖1。

圖1 現(xiàn)場堆焊管口加工示意圖

1.6.3.2 焊接工藝

表3堆焊相關(guān)參數(shù)表

堆焊層名稱焊接方法焊材直徑/mm極性電流I/A電壓U/V焊速m/(m·s-1)保護(hù)氣流量/(L·min-1)堆焊層1GMAWER309LMo12DC-160～20025～2950～6015～25堆焊層2GMAWER309LMo12DC-160～20025～2950～6015～25

1.6.3.3 焊后加工

堆焊完成后經(jīng)外觀和無損檢測合格后進(jìn)行校圓,然后將內(nèi)堆焊高處部位磨平,保證與管道內(nèi)壁平齊允許高出內(nèi)壁0.2 mm,但不能低于內(nèi)壁,不得損傷未堆焊部位復(fù)合層。內(nèi)部磨平后將管端預(yù)留段切除,最后倒出30度坡口即可。

2 問題與分析

2.1 存在問題

采用管口堆焊復(fù)合管降低了現(xiàn)場組焊的工作難度，提高了工作效率和焊接質(zhì)量,同時(shí)也加大了管線的連頭難度。管線連頭時(shí)需要將管線切斷處進(jìn)行現(xiàn)場堆焊,也是與以前復(fù)合管施工不同之處。

2.2 技術(shù)分析

管線在工廠堆焊時(shí)可采用自動焊,焊接不受外界環(huán)境影響,容易得到較高的質(zhì)量。而現(xiàn)場堆焊采用手工焊完成,由于復(fù)合管覆層和基層之間存在間隙,曲率小、脹緊力大,且不銹鋼熱收縮率為碳鋼的1.5倍,封焊時(shí)管口位置有較大的應(yīng)力集中,從而造成管口變形嚴(yán)重[21]。要想完成管線切割并通過堆焊得到較薄的堆焊厚度、較小的母材稀釋、較高的熔敷速度和優(yōu)良的堆焊層性能，需要合理的焊接方法和精確的焊接參數(shù)。

3 結(jié)論

管口堆焊復(fù)合管是目前國內(nèi)較為先進(jìn)的復(fù)合管,通過對其焊接技術(shù)的研究可以得出該復(fù)合管施工難點(diǎn)是管線連頭時(shí)現(xiàn)場堆焊。管線對接時(shí)與普通管線類似,焊接工藝簡單,焊接質(zhì)量容易保證。該復(fù)合管具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和較高的性價(jià)比,只有掌握管線的施工和焊接技術(shù)才能為該復(fù)合管的推廣應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

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