工藝管道預制中細絲埋弧焊工藝研究及質量控制

杜和，肖景安

四川石油天然氣建設工程有限責任公司 四川成都 610000

1 序言

在天然氣處理廠建設項目中，工藝管道焊接工作量大，工期緊，為了提高生產效率，項目實行了工廠預制、現場安裝的建設模式，利用我公司自動焊預制生產線在工廠內完成工藝管道預制，最大限度地實現機械化、工廠化生產[1，2]。目前管道預制多采用鎢極氬弧焊焊條電弧焊焊接方法，存在焊接效率低、生產周期長等特點。

埋弧焊是一種高效的機械化焊接方法，由于其熔深大、效率高等特點，與其他焊接方法相比，具有明顯的優勢，因此廣泛應用于壓力容器、海洋工程、船舶等大型結構生產制造領域[3-5]。相比于以上大型結構件，天然氣處理廠工藝管道管徑較小、壁厚較薄。管道埋弧焊的應用需結合管道焊接的特點，合理制定焊接參數。

本文針對壁厚≥15mm的20G、20G（抗硫）等管道預制開展了焊接工藝評定項目并成功應用，工藝采用鎢極氬弧焊（或RMD）根焊＋埋弧焊填充、蓋面的方法，有效地縮短了焊接生產周期，降低了工程成本。

2 焊接工藝

2.1 管道焊接方法

工藝管道預制生產線焊接設備為懸臂式多功能焊機，采用的PiPe Pro 450RFC弧焊電源（見圖1），能實現氣體保護焊、埋弧焊等不同焊接方法的轉化，可滿足不同工藝的要求。焊接機頭有PROS224-D型和PPAW630-S型，除埋弧焊焊接機頭外，焊接設備還配備了氣體保護焊的焊接機頭，焊接時可根據需要快速切換，能較好地滿足生產需要。

圖1 PiPe Pro 450RFC弧焊電源

圖2 焊接機頭

焊接采用焊槍固定、管子轉動的方式，焊接過程中用卡盤或焊接滾輪架實現管子的轉動，焊工可通過手持式控制器實時地對送絲速度、轉動速度、焊接電流及電弧電壓等參數進行調節，操作方便，焊劑通過裝配在焊槍上的焊劑漏斗加入。

針對兩種管道20G和20G（抗硫）開展了埋弧焊焊接工藝評定（見表1），非酸性介質20G管道采用金屬粉芯焊絲或實心焊絲進行根焊，埋弧焊填充、蓋面。酸性介質20G（抗硫）管道根焊方式可采用氬弧焊，也可采用實心抗硫焊絲RMD進行根焊，工藝可覆蓋壁厚為15～30mm。

表1 埋弧焊焊接工藝評定項目

2.2 焊接接頭設計

良好的焊接接頭坡口形式不僅可保證焊接質量，避免因坡口形式不合理而造成未焊透、內咬邊等缺陷，而且可以降低焊接成本。由于埋弧焊熱輸入量較大，因此坡口角度可比其他焊接方法適當減小，但為便于焊接操作，坡口角度應確保根焊時焊絲能很好地到達根焊底部。參照GB 50236—2011《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》、GB/T 985.2—2008《埋弧焊的推薦坡口》對焊件的坡口形式和尺寸的要求，并結合實際焊接應用效果，管道坡口形式采用V形，接頭坡口形式及焊接順序如圖3所示。第1、2層采用手工鎢極氬弧焊或氣體保護焊進行焊接，為了更好地保證焊接質量及接頭性能，填充層、蓋面層推薦采用多道焊。

圖3 焊接接頭坡口形式和焊接順序

2.3 焊接材料

1）根焊焊接材料有氬弧焊根焊用抗硫焊絲E R50-G、金屬粉芯焊絲E70C-G、實心焊絲H08MnHICG。

2）埋弧焊焊接材料為實心焊絲H08MnHIC及配套的燒結焊劑SJ613HIC。

3）焊接材料主要化學成分及力學性能分別見表2、表3。

表2 焊接材料主要化學成分（質量分數） （%）

2.4 焊接參數

焊接電流、電弧電壓、焊接速度是影響埋弧焊焊縫成形質量及焊接接頭力學性能的主要焊接參數，合適的焊接參數是保證焊接質量的關鍵，推薦的焊接參數見表4。對于酸性介質管道，需按要求進行焊前預熱以及焊后熱處理，預熱溫度100～150℃，熱處理溫度為635℃±15℃。

表4 推薦的焊接參數

2.5 焊接工藝試驗

以上工藝項目按照API 1104—2013《管道及相關設施焊接標準》[6]及相關設計文件規定完成了力學性能試驗、沖擊試驗、腐蝕試驗，試驗結果均滿足要求，見表5～表7。

表5 拉伸、彎曲試驗結果

表6 夏比V型缺口沖擊試驗結果

表7 腐蝕試驗結果

2.6 現場應用及效益分析

目前，埋弧焊工藝已成功用于我公司天然氣處理廠20G和20G（抗硫）管道直管、直管與彎頭、直管與三通的預制，焊接質量良好，如圖4所示。針對φ406.4mm×22mm的20G管道分別采用焊條電弧焊與埋弧焊進行焊接，焊接效率對比結果見表8。由表8可看出，與焊條電弧焊相比，埋弧焊焊接電流大、焊接速度快，焊接時間僅為焊條電弧焊的1/3。

表8 焊條電弧焊與埋弧焊焊接效率對比

圖4 埋弧焊工藝預制管道

3 焊接工藝質量控制要點

維持焊接過程中電弧的穩定燃燒和焊接參數不變是保證埋弧焊焊接質量的基本條件。在實際焊接過程中，由于坡口加工質量、裝配質量、管體橢圓度等原因有可能引起弧長變化，影響焊接過程的穩定性，從而對焊接質量造成影響。與常用的管道焊接方法相比，埋弧焊熔深較大，因此焊接參數對焊縫成形質量的影響更為明顯，針對管道埋弧焊的特點，通常應從以下幾個方面保證焊接接頭質量，避免焊接缺陷。

3.1 坡口的加工和裝配精度

與其他焊接方法相比，埋弧焊無法直接觀察到電弧與坡口的相對位置，因此良好的加工和裝配精度是焊接質量的保證。首先，應用機械方法對焊接坡口進行加工，并將坡口修磨均勻、光滑，坡口如有損傷應采用機械方法加工或切除，防止焊接過程中產生未熔合、夾渣等缺陷。其次，組對前應將管端坡口及內外表面50mm范圍內完全清理至露出金屬光澤，確保管端內外表面50mm范圍內無鐵銹、油污等污物，防止焊接過程中產生氣孔。此外，需嚴格控制組對錯邊量，保持組對間隙的一致性，組對后的錯邊量應沿管口圓周均勻分布，錯邊量不得大于管壁厚度的10%，且≤2.0mm。

3.2 根焊層厚度

埋弧焊焊接電流較大，熔深大，為避免燒穿，要求在埋弧焊之前應保證有足夠厚度（＞4mm）的根焊焊縫，或在根焊完成后采用氣體保護焊進行一道熱焊，如根焊層過薄，則容易燒穿；如根焊層過厚，則會影響焊縫的成形和熔深，造成未熔合缺陷。

3.3 焊槍位置

焊接時，應將焊槍置于水平位置或是水平位置稍偏向管子轉動方向相反側，形成下坡焊，如圖5所示。偏移角度θ≤8°，有利于熔池和渣的凝固，避免燒穿。如偏移角度過大，則易造成焊縫塌陷，成形不美觀；如偏移角度過小，則會造成焊縫余高過高。

圖5 焊槍位置示意

3.4 控制焊絲對中焊縫

焊接過程中應隨時觀察焊槍位置，避免焊接電弧偏離焊縫中心，造成單邊未焊透或焊縫成形不良，如圖6所示。在實際操作過程中，可在焊槍前方設置指針。

圖6 焊槍偏移造成的成形不良

3.5 嚴格按照指定的焊接參數進行焊接

焊接電流、電弧電壓、焊接速度是影響焊縫成形的主要參數，一般來說，在其他條件一定時，焊接電流越大，熔深越深；電弧電壓越大，焊縫寬度越寬；焊接速度增加，則熔深、焊道變小。焊接參數選擇不當，容易造成焊縫成形不良，因此在生產過程中，需嚴格執行經評定合格的焊接參數。

3.6 保持合適的焊劑層厚度

若焊劑層太薄，則保護不良會造成氣孔、裂紋等缺陷；焊劑層過厚，則熔深大于正常焊接值，易產生峰形焊道。一般應保持25～40mm的焊劑層厚度。

4 結束語

1）埋弧焊是一種高效的焊接方法，在天然氣處理廠工藝管道預制項目中，通過埋弧焊的應用，不僅縮短了焊接周期，減少勞動強度，而且保證了焊接質量。經測算，采用埋弧焊工藝進行管道預制，焊接效率可比焊條電弧焊提高2倍，焊縫射線檢測執行標準NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》，Ⅱ級合格，一次合格率達90%以上。

2）目前，埋弧焊是管道建設中應用時，效率最高的焊接方法，適用于碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼等管道常用鋼種的焊接，用于厚壁管的焊接其優勢更為明顯。但由于受到焊接設備、場地、焊接位置等因素的限制，目前只能用于管道預制焊接。因此，加強預制深度，提高埋弧焊在管道焊接中的利用率是提高焊接效率的關鍵。