張?zhí)锢频掠澹T 標(biāo)，張建護(hù)，龍 斌，李春潤

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451）

0 引言

在我國儲(chǔ)罐罐體施工中，焊接作為施工中的主要工序?qū)ΡＷC質(zhì)量和進(jìn)度起決定性作用。目前，罐壁的環(huán)縫和縱縫、罐底和罐頂?shù)钠娇p以及罐壁板和罐底板連接處的大角縫等連續(xù)焊縫的焊接已普遍采用自動(dòng)焊焊接施工方法。更高質(zhì)高效的自動(dòng)化焊接技術(shù)的應(yīng)用，是提高儲(chǔ)罐焊接質(zhì)量和效率的重要保證，也是施工企業(yè)降低工程建造成本，提高經(jīng)濟(jì)效益和企業(yè)競爭力的重要措施和手段。

罐壁板環(huán)縫是儲(chǔ)罐焊接工作量最大的部分，一般是縱縫的3倍左右，且隨著罐容積的增加而增大[1]，但其自動(dòng)焊施工至今仍在采用單絲埋弧橫焊技術(shù)，已不能滿足當(dāng)前儲(chǔ)罐施工需求，成為提高儲(chǔ)罐自動(dòng)焊效率的瓶頸。為進(jìn)一步提高儲(chǔ)罐環(huán)縫的焊接效率，繼續(xù)推進(jìn)儲(chǔ)罐自動(dòng)焊技術(shù)的發(fā)展，提出了采用雙電源單熔池縱列雙絲埋弧橫焊技術(shù)進(jìn)行儲(chǔ)罐環(huán)縫自動(dòng)焊的設(shè)想，并開展了相關(guān)的技術(shù)研究，取得了多項(xiàng)具有實(shí)用價(jià)值的成果。

1 基本原理及可行性分析

1.1 雙絲埋弧橫焊原理

單絲埋弧焊時(shí)，隨著焊接電流和速度的提高，電弧對(duì)熔池金屬的后排作用加劇，熔池金屬在電弧力的作用下迅速向熔池尾部運(yùn)動(dòng) （見圖1（a）），使弧坑加深，當(dāng)冷卻時(shí)無足夠的液體金屬補(bǔ)充，會(huì)造成咬邊；同時(shí)會(huì)使焊縫成形系數(shù)減小而易出現(xiàn)熱裂紋[2]；且橫焊時(shí)，因其熔池在自由狀態(tài)下成形，鐵水受重力作用下淌，焊接規(guī)范參數(shù)稍大，則成形困難，焊接熔敷效率難于進(jìn)一步提高。

應(yīng)用雙電源單熔池縱列雙絲雙弧埋弧焊技術(shù)焊接時(shí)，前后縱列排列形成單熔池的雙電弧，通過兩個(gè)電弧間的相互作用，后行電弧可阻止熔池金屬向尾部運(yùn)動(dòng) （見圖1 （b）），既可避免產(chǎn)生大而深的弧坑，后行焊絲又可提供更多的熔敷金屬，可避免高速焊接時(shí)產(chǎn)生咬邊缺陷；而且通過雙電弧和熔池的控制，獲得理想的焊縫成形系數(shù)，可避免熱裂紋缺陷[2]，從而克服單絲埋弧焊高速焊接時(shí)焊接質(zhì)量不能保證的問題，實(shí)現(xiàn)高速焊接，提高埋弧橫焊效率。

圖1 單、雙絲埋弧焊焊弧及熔池特點(diǎn)

該技術(shù)用于儲(chǔ)罐橫焊時(shí)，由于形成長條狀熔池，在熔敷率顯著提高的同時(shí)，焊接線能量增加有限，焊縫的力學(xué)性能能夠得到保證；且采用雙電源方式，前后電弧參數(shù)相對(duì)獨(dú)立可調(diào)，可提高焊縫成形及其成形系數(shù)的可控性，能滿足橫焊對(duì)電弧和熔池的控制要求，因此用于儲(chǔ)罐橫焊在原理上是可行的。

1.2 可行性試驗(yàn)分析

利用林肯DC1000直流埋弧焊系統(tǒng)和MILLER SUMMIT ARC1250交流方波埋弧焊系統(tǒng)組成雙絲埋弧焊系統(tǒng)；將兩系統(tǒng)的埋弧焊機(jī)頭固定于AGW-II型正裝儲(chǔ)罐埋弧橫焊焊車上，使兩焊絲前后排列；前絲和后絲分別接直流和交流系統(tǒng)，通過調(diào)整前后焊絲間距，形成單熔池；在試板上以手動(dòng)控制方式進(jìn)行雙絲埋弧橫焊試驗(yàn)。經(jīng)反復(fù)試焊，獲得了成形良好的橫焊道，且可通過兩焊絲的焊接參數(shù)的單獨(dú)調(diào)整，以及與高焊車速度的匹配，控制焊道成形和熔敷金屬量，證明了用雙電源單熔池縱列雙絲雙弧埋弧焊技術(shù)進(jìn)行橫焊的可行性。

2 系統(tǒng)設(shè)備的構(gòu)成

鑒于國內(nèi)外5萬m3以上大型儲(chǔ)罐建設(shè)大多采用正裝施工工藝，研制了基于LMDHWS雙電源單熔池縱列雙絲雙弧埋弧橫焊電源和配套送絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的SAGW-1型大型正裝儲(chǔ)罐雙絲埋弧橫焊設(shè)備。其構(gòu)成如圖2所示，由雙絲焊接電源、焊車以及連接兩者的電纜等3部分構(gòu)成，焊車由8個(gè)子系統(tǒng)組成。

圖2 SAGW-1型雙絲埋弧橫焊設(shè)備構(gòu)成框圖

2.1 焊接電源

雙電源單熔池縱列雙絲雙弧埋弧橫焊電源用于提供滿足儲(chǔ)罐橫焊特性要求的穩(wěn)定、可靠和可控的雙電弧，是本技術(shù)研究的基礎(chǔ)。

為保證焊縫成形和質(zhì)量，以及電弧的穩(wěn)定性，與單絲埋弧橫焊相同，雙絲埋弧橫焊電源采用細(xì)絲、平電源特性、等速送絲方式，因此雙絲橫焊需利用電弧自身的調(diào)節(jié)系統(tǒng)加專用的協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)。

LMDHWS焊接系統(tǒng)是由林肯直流埋弧焊接系統(tǒng)、米勒交流方波埋弧焊系統(tǒng)和PLC雙絲協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的模塊化結(jié)構(gòu)。

該系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）采用前絲直流后絲交流配置方式，可使焊絲間的磁偏吹減到最小，雙電弧的穩(wěn)定性和可控性最高[3]。且從弧采用交流方波電源，進(jìn)一步提高了從弧的可控性和穩(wěn)定性，從而保證雙電弧能最大地滿足儲(chǔ)罐雙絲埋弧橫焊的工藝要求。

（2）PLC雙絲協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)基于PLC技術(shù)，其協(xié)調(diào)控制包括雙電弧間和雙電弧與焊車行走系統(tǒng)間2個(gè)層次；雙電弧間又按控制要求不同分為引弧、焊接和熄弧3個(gè)階段的分別控制，其結(jié)構(gòu)見圖3。該系統(tǒng)體積小、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高，具有良好的功能擴(kuò)展能力。

圖3 PLC雙絲協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)框圖

（3）采用模塊化架構(gòu)，各模塊具有相對(duì)獨(dú)立完整的功能，協(xié)調(diào)控制模塊和各單絲焊接模塊自由組合，實(shí)現(xiàn)單絲或雙絲橫焊功能，可很好地兼容現(xiàn)有單絲埋弧橫焊設(shè)備，簡便地將單絲設(shè)備升級(jí)為雙絲設(shè)備，成本較低，便于推廣應(yīng)用。

2.2 送絲及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

根據(jù)LMDHWS電源配置情況和雙絲橫焊焊接和操作工藝的需求， 其配套的雙絲送絲及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖4所示，由升降橫梁、前絲和后絲送絲總成及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、焊劑托輥4個(gè)模塊組成。

圖4 LMDHWS雙絲埋弧橫焊送絲及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

其主要技術(shù)特點(diǎn)為：

（1）前絲和后絲送絲總成及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分別用于前絲和后絲的輸送和位置姿態(tài)調(diào)節(jié)，各具有上下、前后、左右、水平和垂直角度等5個(gè)焊槍調(diào)節(jié)自由度。

（2）雙絲埋弧橫焊工藝要求的雙絲焊絲間距、垂直傾角和水平夾角等位置和姿態(tài)參數(shù)，通過前后絲的獨(dú)立調(diào)節(jié)、組合實(shí)現(xiàn)。

（3）焊劑托輥、前絲和后絲調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)固定于升降橫梁上，通過焊接機(jī)頭升降系統(tǒng) （見圖2）帶動(dòng)橫梁升降，可實(shí)現(xiàn)雙絲同步焊縫跟蹤，且雙焊絲和焊劑托帶同步升降。

3 焊接工藝研究

3.1 試驗(yàn)研究內(nèi)容

與單絲埋弧橫焊相比，由于雙絲埋弧橫焊工藝參數(shù)增多，影響和控制焊縫成形的因素顯著增加；焊接熱輸入量大幅增加，影響焊縫的低溫沖擊韌性。根據(jù)大量的雙絲埋弧橫焊試焊和儲(chǔ)罐單絲埋弧橫焊的經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮雙絲埋弧焊的工藝特點(diǎn)和焊接工藝實(shí)用性，確定本焊接工藝研究的主要內(nèi)容為：以現(xiàn)有大型儲(chǔ)罐正裝單絲埋弧橫焊焊接工藝為基礎(chǔ)，通過大量試驗(yàn)，研究雙絲埋弧焊各焊接工藝參數(shù)的匹配及其對(duì)橫焊焊縫成形的影響、焊接熱輸入的控制、相應(yīng)的焊縫力學(xué)性能和焊接效率，最終總結(jié)出一套與大型儲(chǔ)罐正裝現(xiàn)場施工條件相適應(yīng)的成形優(yōu)良和力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的高質(zhì)高效的雙絲埋弧橫焊工藝。

3.2 焊接工藝試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

焊接工藝試驗(yàn)所需的基本條件如表1所列。其中各項(xiàng)均按國內(nèi)大型原油儲(chǔ)罐施工相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程實(shí)際確定，具有典型性和代表性。

表1 焊接工藝試驗(yàn)基本條件

3.2.2 雙絲埋弧橫焊工藝參數(shù)

雙電源單熔池縱列雙絲雙弧埋弧橫焊工藝共有10個(gè)參數(shù)。

其中前后焊絲的焊接電流、焊接電壓和焊接速度5個(gè)參數(shù)為雙絲焊接規(guī)范參數(shù)，其良好匹配對(duì)焊接過程中電弧的穩(wěn)定性、焊縫的成形系數(shù)、熱輸入、最終組織狀態(tài)和使用性能等起著決定性作用。焊接過程中，前、后絲的作用不盡相同，一般前絲的電流較大而電壓較小，以保證焊道的熔深；后絲的電流較小而電壓較大，以保證焊道的熔寬和調(diào)整焊縫成形。

焊槍垂直傾角θv（前后槍相同）、焊絲干身長l、前后焊絲間距s和前后焊槍夾角θh為雙絲焊接位置參數(shù) （見圖5），決定了雙焊絲的布局情況，對(duì)焊縫的成形和焊接質(zhì)量也有一定影響。

圖5 雙絲埋弧橫焊雙絲位置參數(shù)示意

經(jīng)過大量的試驗(yàn)最終確定可獲得良好焊縫成形的焊接工藝參數(shù)，見表2。

3.2.3 工藝評(píng)定試驗(yàn)結(jié)果

參照表2的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行了9組模擬儲(chǔ)罐焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，采用厚度為12 mm、21 mm和32 mm的試板各3組，按照GB 50128-2005《立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐施工及驗(yàn)收規(guī)范》和JB 4708-2000《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》等標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。9組試板焊縫成形優(yōu)良，無損探傷結(jié)果均為Ⅰ級(jí)片。機(jī)械性能試驗(yàn)中，拉伸試驗(yàn)試樣抗拉強(qiáng)度均高于母材鋼號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的下限值，且均在母材處斷裂；面彎、背彎及側(cè)彎試樣均無裂紋出現(xiàn)；低溫沖擊試驗(yàn)中，焊縫和熱影響區(qū)的沖擊功值均在105 J以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)所要求的45 J左右的-20℃低溫沖擊值。滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)要求。3種規(guī)格試板的典型無損檢測(cè)和機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 雙絲埋弧橫焊焊接工藝參數(shù)

表3 雙絲埋弧橫焊工藝試驗(yàn)無損檢測(cè)和機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

3.2.4 熔敷速度對(duì)比

采用與雙絲埋弧橫焊工藝評(píng)定試驗(yàn)同樣的φ 3.2 mm焊絲和焊劑、施焊方式及順序，用ZAGW-Ⅱ大型正裝儲(chǔ)罐單絲埋弧橫焊設(shè)備，焊接同材質(zhì)的具有相同坡口形式、厚度為12 mm、21 mm和32 mm的3種規(guī)格試板，測(cè)算其焊絲的熔敷速度，與雙絲雙弧埋弧橫焊進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見表4。1.8）F取值偏大，建議往小進(jìn)行修改，并按簡易公式Q′P=πDGbyp進(jìn)行計(jì)算，式中墊片殘余密封比壓yp=y+Z m pc≈ （1.5～2.0）y，Z為放大系數(shù)， 一般取值2～4。

表4 雙絲埋弧與單絲埋弧橫焊熔敷速度對(duì)照

（2）墊片有效密封寬度建議按實(shí)際接觸寬度計(jì)算，計(jì)算簡便，計(jì)算精度滿足現(xiàn)場需要。

（3）在 《機(jī)械零件》和 《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中均沒有收入目前大量使用的纏繞式墊片、波齒復(fù)合墊片、金屬包墊片、高強(qiáng)石墨墊片等新型材料的螺栓相對(duì)剛度系數(shù)Cb/（Cb+Cm），建議通過試驗(yàn)予以增補(bǔ)。

（4）在簡單查表法中，預(yù)緊時(shí)按螺栓工作應(yīng)力等于全部許用應(yīng)力的簡易計(jì)算方法，在高壓、高溫工況下不準(zhǔn)確，不安全，應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

（5）換熱器檢修中，通過力矩扳手可以獲得相同的擰緊力矩。但在每根螺栓中是否獲得了相同的預(yù)緊力與螺栓的潤滑條件關(guān)系極大，其差值在一倍之內(nèi)。因此，檢修中應(yīng)特別重視螺栓、螺母的保養(yǎng)修復(fù)，確保幾十套、甚至上百套螺栓具有基本相同的配合和摩擦系數(shù)，拆卸和恢復(fù)安裝時(shí)，螺栓螺母應(yīng)保持相同的配對(duì)關(guān)系，不得任意改變。

（6）螺栓法蘭聯(lián)接密封一次成功的條件，除應(yīng)獲得合適的擰緊力矩外，還與加載的程序、工具方法、均勻性有較大關(guān)系，在螺栓的松卸和擰緊操作中，應(yīng)格外重視過程控制。

[1]濮良貴.機(jī)械零件[M].北京：高等教育出版社，1982.

[2]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[3]GB 150-1998，鋼制壓力容器[S].

[4]SESA 0301-2001，管道法蘭螺栓緊固力矩[S].