磁力固定地線裝置在油氣管道焊接中的應(yīng)用

張先鋒

(安徽省天然氣開發(fā)股份有限公司，安徽 合肥 230002)

1 磁力固定地線焊接技術(shù)的應(yīng)用背景

在某支線管道站場建設(shè)過程中，因前期協(xié)調(diào)工作及用地手續(xù)的延誤，導(dǎo)致整改線路非關(guān)鍵線路工序變?yōu)殛P(guān)鍵工序，導(dǎo)致工期延誤，從而導(dǎo)致整個(gè)線路投產(chǎn)延誤，影響相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投入運(yùn)營。經(jīng)工程技術(shù)中心焊接班組的研發(fā)，在技術(shù)上攻克磁力固定地線焊接技術(shù)，可節(jié)省人力、材料，并可節(jié)約工期，不影響整個(gè)線路的計(jì)劃目標(biāo)工期，從而解決站場目前焊接技術(shù)難題，在有限的時(shí)間里高效率高質(zhì)量完成站場施工的焊接任務(wù)。

站場工藝管道材質(zhì)主要為碳鋼防腐管材，管道管徑管道管徑從DN40～DN50，雖管徑大小不一致但均可采用磁力固定地線焊接，在現(xiàn)有的防腐管材上焊接可以有效地保護(hù)防腐層，避免點(diǎn)焊給防腐層造成的傷害。該工藝使焊接程序簡化，從而節(jié)約材料和人力，而最后的焊接質(zhì)量完全符合目標(biāo)要求。

2 磁力固定地線焊接原理及操作流程

磁力固定地線焊接工藝原理：焊接用磁力接地裝置是利用釹鐵硼永磁鐵的超強(qiáng)磁性作為導(dǎo)電接線板的核心，以此充當(dāng)待焊接母材的接地連接手段；通過釹鐵硼永磁鐵導(dǎo)電接線板與待焊接母材之間的超強(qiáng)磁力，將電焊機(jī)接地線通過釹鐵硼永磁鐵導(dǎo)電接線板與待焊接母材牢靠連通，導(dǎo)通電焊機(jī)地線到待焊母材的回路電流。

工藝流程圖如圖1 所示。

圖1 工藝流程圖

研發(fā)團(tuán)隊(duì)齊心協(xié)力攻克該工藝。在施工準(zhǔn)備階段，首先調(diào)研施工現(xiàn)場鋼構(gòu)件焊接的情況，解決防腐層被破壞的問題；施工前，技術(shù)人員對施工人員進(jìn)行安全及技術(shù)交底并記錄。模型設(shè)計(jì)階段為核心工序，直接決定工藝的成敗。按照要求，做好后續(xù)工作，完成焊接流程。

3 磁力固定地線焊接模型設(shè)計(jì)及組裝性能測試

利用釹鐵硼永磁鐵的超強(qiáng)磁性作為導(dǎo)電接線板的技術(shù)核心，以此擔(dān)當(dāng)待焊接母材的接地連接手段；通過釹鐵硼永磁鐵導(dǎo)電接線板與待焊接母材之間的超強(qiáng)磁力，將電焊機(jī)接地線通過釹鐵硼永磁鐵導(dǎo)電接線板與待焊接母材牢固連通[1]。電焊機(jī)接地線接地端壓接銅接端子(銅線鼻子)，壓接了銅接端子的電焊機(jī)地線與釹鐵硼永磁鐵導(dǎo)電接線板通過緊固螺栓固定，以便于釹鐵硼永磁鐵導(dǎo)電接線板的更換與拆卸。

電焊機(jī)接地線接地端壓接了銅接端子的部位用絕緣膠布0.5 倍寬度搭接纏繞兩道，防止電焊機(jī)接地線線芯及壓接的銅接端子裸露面積過大，造成觸電危險(xiǎn)。釹鐵硼永磁鐵導(dǎo)電接線板一端設(shè)有兩個(gè)長25 mm的銅制焊接觸點(diǎn)，觸點(diǎn)尖端橫截面為直徑1 mm 的圓面，增加了焊接接觸點(diǎn)面積，保證電流通過電焊機(jī)接地線到達(dá)待焊母材的大小及電流穩(wěn)定性。焊接觸點(diǎn)尖端高出釹鐵硼永磁鐵導(dǎo)電接線板底面10 mm，既保證了永磁鐵導(dǎo)電接線板與待焊母材之間的磁力足夠強(qiáng)，確保能夠使磁力接地裝置牢靠固定在待焊母材上，又確保觸點(diǎn)尖端足夠刺穿待焊母材的防腐層，導(dǎo)通電焊機(jī)地線到待焊母材的回路電流。

磁力接地裝置模型圖如圖2 所示，材料清單如表1所示。

表1 材料清單表

圖2 磁力接地裝置模型圖

磁力接地裝置需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行模型制作及組裝。制作零部件時(shí)工人必須穿戴整齊勞動保護(hù)用品，按照零部件詳細(xì)圖解進(jìn)行制作。組裝時(shí)需仔細(xì)認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)模型，確保組裝無誤，保證磁力接地裝置可以正常工作，達(dá)到預(yù)期的使用性能。

焊接檢測：采用實(shí)地焊接操作進(jìn)行測試，以焊接過程中，電焊機(jī)不偏弧、不斷弧，焊機(jī)性能穩(wěn)定，接地裝置安裝點(diǎn)不打火為合格[2]。在焊接性能檢測中，重點(diǎn)觀察磁力接地裝置的導(dǎo)電性能是否穩(wěn)定良好，電焊機(jī)施焊過程中不應(yīng)出現(xiàn)偏弧、斷弧現(xiàn)象，磁力接地裝置安裝位置沒有發(fā)生打火現(xiàn)象，表明裝置工作正常，且可以保證焊接作業(yè)正常進(jìn)行；焊接過程防腐層基本未被破壞，滿足管道施工后的使用要求。

4 磁力接地裝置及質(zhì)量控制

磁力接地裝置制作組裝過程中應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)模型進(jìn)行制作、組裝。制作零部件時(shí)工人必須穿戴整齊勞動保護(hù)用品，按照零部件詳細(xì)圖解進(jìn)行制作。組裝時(shí)需仔細(xì)認(rèn)真閱讀設(shè)計(jì)模型，確保組裝無誤，保證磁力接地裝置可以正常工作，達(dá)到預(yù)期的使用性能。磁力模型剖面圖如圖3 所示。

圖3 磁力模型剖面圖

銅觸點(diǎn)制作，將兩根長20 mm，直徑8 mm 的銅棒，一端(A端) 按45°角打磨至尖端為直徑1 mm 的圓面，并編號1#觸點(diǎn)、2#觸點(diǎn)；

分別將1#、2#觸點(diǎn)未打磨的一端(B端)，沿軸向打磨出一個(gè)7 mm×15 mm 的矩形平面，備用。窺口銅端子(銅線鼻子) 可直接使用，檢查其尺寸，確認(rèn)DT70 窺口銅接端子規(guī)格型號，備用。

接地線制作，新購買的接地線進(jìn)場檢查確認(rèn)接地線規(guī)格型號，備用。若采用舊的70 mm2電焊機(jī)地線，拆除接地卡鉗，截掉100 mm 長，備用。窺口銅端子壓接完成后，進(jìn)行絕緣處理。

搭接纏繞兩道防水膠帶，纏繞長度以覆蓋接地線原有絕緣層5 cm 為宜，搭接纏繞兩道絕緣膠帶，纏繞長度以覆蓋首層防水膠帶長度2 cm 為宜，搭接纏繞兩道防水膠帶，纏繞長度以覆蓋二層絕緣膠帶長度2 cm 為宜，搭接纏繞一道警示用黃綠雙色膠帶，纏繞長度以覆蓋三層防水膠帶長度1 cm 為宜。

釹鐵硼永磁鐵可直接使用，檢查其尺寸，確認(rèn)永磁鐵規(guī)格型號與材料計(jì)劃選擇的75 mm×55 mm×15 mm 方形永磁鐵相符。

磁力固定焊接的質(zhì)量控制，以銅觸點(diǎn)與永磁鐵鋼板保護(hù)殼異種金屬焊接為例說明。由于觸點(diǎn)未紫銅材質(zhì)，永磁鐵保護(hù)殼為3 mm 厚Q235 碳鋼鋼板，二者焊接屬于異種金屬焊接，因此焊接方式選擇氬弧焊接或者氧乙炔焊，焊材選用φ2.5 mm ERCu 紫銅焊絲。由于同種材質(zhì)的導(dǎo)體截面積大小與電阻值成反比關(guān)系。截面積越大，阻值越小，發(fā)熱量越小；截面積越小，阻值越大，發(fā)熱量越大。紫銅電阻率ρ=0.018 Ω·mm2/m，紫銅比熱容c=394 J/(kg·Δt)，紫銅密度8.9 g/cm3，觸點(diǎn)尖端截面φ1 mm，面積S=0.5×0.5×3.14=0.79 mm2，常溫 t1=20 ℃，單個(gè)觸點(diǎn)質(zhì)量m =0.01 kg。

單個(gè)觸點(diǎn)電阻值R=ρ·L/S=0.018×0.02/ 0.79=0.000 45 Ω，根據(jù)焦耳定律可計(jì)算截面處發(fā)熱量Q=I2·R·t=200×200×0.000 45×60=1 080 J，根據(jù)能量守恒定律可計(jì)算接觸面溫度升高值Δt=Q/(c·m)=1 080/(394×0.01)=274 ℃。通過分析可得出：最不利情況下，觸點(diǎn)與母材接觸溫度會升高274 ℃，此溫度對于耐高溫油漆，不會有影響。正常情況下，焊接熔池消耗絕大部分的熱量后，實(shí)際上觸點(diǎn)位置的升溫不會超過45 ℃。因此選擇觸點(diǎn)頂端截面為φ1 mm 的圓。由于高溫釹鐵硼永磁鐵的居里溫度在390 ℃左右，而在銅觸點(diǎn)焊接時(shí)，焊接區(qū)域(熔池) 溫度最高將達(dá)到2 900 ℃，平均溫度也在1 700 ℃左右。遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了永磁鐵的居里溫度，所以需要在焊接觸點(diǎn)前，將永磁鐵與鋼板保護(hù)殼分離，待觸點(diǎn)與鋼板保護(hù)殼焊接完成，冷卻到常溫(20 ℃)以下后，再將永磁鐵裝入鋼板保護(hù)殼。

5 結(jié)語

通過焊接工藝的改變，磁力固定地線焊接技術(shù)大大縮短焊接的時(shí)間，也從根本上解決人財(cái)力的消耗，不僅為該工程縮短工期，也節(jié)約了成本近13 萬元。電焊用磁力固定地線技術(shù)具有成本低、對防腐層無破壞、使用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn)。該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益、觀感、綠色施工等方面得到了充分的印證，在以后的工程中可大力推廣應(yīng)用，從而提高焊接質(zhì)量、效率，降低生產(chǎn)成本。