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        自保護(hù)藥芯焊絲在長輸油氣管道建設(shè)中的應(yīng)用

        2014-10-08 11:38:38李忠孫兆榮隋永莉
        金屬加工(熱加工) 2014年12期
        關(guān)鍵詞:藥芯白點(diǎn)焊接設(shè)備

        李忠 孫兆榮 隋永莉

        1.概述

        自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝抗風(fēng)能力極強(qiáng),焊接時(shí)不需要保護(hù)氣體,由送絲機(jī)構(gòu)連續(xù)送絲,焊工采用手持半自動焊槍施焊。這種焊接方法的設(shè)備投資不大,利用率高,投資回收期短,并且在焊接質(zhì)量、生產(chǎn)效率、降低焊材消耗及節(jié)約能源等方面具有明顯經(jīng)濟(jì)效益,非常符合我國的低成本焊接自動化理念。

        我國最早的自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊應(yīng)用記錄,是1995年中石油承建的突尼斯天然氣管道工程和1996年庫鄯線輸油管道工程,分別焊接了6.2km和250km。1999年中石油承建的蘇丹輸油管道工程和蘭成渝成品油管道工程、澀寧蘭輸氣管道工程建設(shè)期間,自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的應(yīng)用范圍開始逐漸擴(kuò)大。近十五年,采用自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝?yán)塾?jì)完成的管道長度可達(dá)我國管道建設(shè)總里程的90%以上。

        自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊應(yīng)用的早期,焊接的母材多為X52、X60、X65這些正火狀態(tài)交貨的管線鋼管。隨著我國管道建設(shè)用鋼管的強(qiáng)度等級、管徑、壁厚和輸送壓力的提高,應(yīng)用的管線鋼管多為形變熱處理交貨狀態(tài),合金含量較高,如X65、X70、X80。

        2.自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的應(yīng)用現(xiàn)狀

        (1)焊接材料 自保護(hù)藥芯焊絲的單面焊雙面成形質(zhì)量較差,一般不用于根焊縫的焊接,在我國多用于管道環(huán)焊縫熱焊、填充焊和蓋面焊。自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊常用焊接材料如表1所示。

        (2)焊接設(shè)備 自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝用焊接設(shè)備主要包括根焊設(shè)備和填充、蓋面焊設(shè)備。根焊設(shè)備主要依據(jù)采用的焊接材料選擇纖維素焊條用焊接電源、鎢極氬弧焊電源、STT電源或RMD電源等。填充、蓋面焊設(shè)備主要有晶閘管型直流電源、IGBT逆變電源等,重點(diǎn)是選擇相匹配的送絲機(jī)。根據(jù)焊接工藝的不同,所使用的焊接設(shè)備也具有不同的工藝特點(diǎn)和設(shè)備特性(見表2)。

        總之,低氫型焊條和鎢極氬弧焊這兩種焊接方法對焊接設(shè)備的要求比較簡單,通用的焊接電源即可滿足要求。纖維素焊條對焊接設(shè)備的要求比較高,在2000年以前該類逆變焊接電源曾經(jīng)是焊機(jī)制造業(yè)的一大挑戰(zhàn),近年來已完全實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化,且實(shí)際應(yīng)用效果良好。自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊設(shè)備則更注重焊接過程中送絲平穩(wěn)和焊接電弧穩(wěn)定。

        表1 自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝的常用焊接材料

        (3)焊接工藝 自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝常用的焊接坡口形式如附圖所示。一般情況下,壁厚≤15mm時(shí),采用坡口形式如附圖a所示;壁厚≤22mm時(shí),采用坡口形式如附圖b所示;壁厚>22mm時(shí),采用坡口形式如附圖c所示。這些坡口一般在鋼管制造過程中預(yù)制加工好。

        自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊為下向焊工藝,焊接熱輸入約為2.2k J/m m,焊絲接電源負(fù)極。其適應(yīng)的鋼管管徑范圍≥323.9mm,若管徑過小則因操作角度連續(xù)變化而使焊接難度增加。適應(yīng)的壁厚范圍>6mm,若壁厚過小易發(fā)生燒穿。焊接環(huán)境風(fēng)速宜≤8m/s,主要焊接缺陷為夾渣和氣孔。X52、X60和X65鋼管的焊接能實(shí)現(xiàn)焊接接頭的高強(qiáng)匹配,X70和X80鋼管的焊接為等強(qiáng)或稍低強(qiáng)匹配。技術(shù)熟練的焊接機(jī)組一次焊接合格率可達(dá)90%。自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊常用的焊接參數(shù)如表3所示。

        3.自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊應(yīng)用存在的問題

        (1)焊絲保管和使用條件要求較為嚴(yán)格 我國目前應(yīng)用的自保護(hù)藥芯焊絲多為有縫焊絲,在高溫潮濕的環(huán)境下容易發(fā)生粉劑吸潮、焊絲表面銹蝕等現(xiàn)象。焊絲受潮后,不能烘干,只能廢棄不用。若采用受潮后的焊絲進(jìn)行焊接作業(yè),焊接工藝性能會變差,焊縫金屬中擴(kuò)散氫含量將大大增加,導(dǎo)致產(chǎn)生氣孔、氫白點(diǎn)、氫脆、冷裂紋的概率增加。因此,自保護(hù)藥芯焊絲的保管和使用應(yīng)嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)定的要求。尤其是高溫潮濕的環(huán)境下,最好采用真空包裝的方法,并注意保持庫房的干燥和通風(fēng)。焊接施工過程中,做到焊接材料隨用隨取,縮短拆包裝后的焊材在濕度較大環(huán)境中的存放時(shí)間。

        表2 半自動焊工藝常用焊接設(shè)備的工藝特點(diǎn)和設(shè)備特性

        表3 自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的焊接參數(shù)

        坡口形式

        (2)焊接煙塵大 眾所周知,自保護(hù)藥芯焊絲的焊接煙塵量相對較大。在密閉、狹窄的操作空間,影響作業(yè)人員的身心健康。各種焊接工藝及焊接材料煙塵產(chǎn)生量如表4所示。

        (3)焊縫金屬中氫白點(diǎn) 為保證焊接工藝性能,自保護(hù)藥芯焊絲的粉劑需要具有一定的含水量,特別是焊絲的表面需要涂一層潤滑劑來防銹和保證送絲順暢,因此其焊縫金屬的擴(kuò)散氫含量不可能控制得很低,一般為6~12mL/100g,高于低氫型焊條和實(shí)芯焊絲的擴(kuò)散氫含量。

        另外,自保護(hù)藥芯焊絲在粉劑中加入了氟化物和鋁等易蒸發(fā)和脫氧固氮的物質(zhì),在焊絲熔化時(shí)能產(chǎn)生大量氣體,再加之熔渣的保護(hù)作用,從而防止了空氣中氮侵入電弧區(qū)及熔池,降低了焊縫金屬氣孔敏感性。但大量殘留的脫氧劑則以AlN、Al2O3等夾雜物的形式存在于焊縫金屬中。這些微觀缺陷在焊縫金屬承受很大的軸向應(yīng)力時(shí)成為焊縫金屬中殘余氫的聚集地,易形成氫白點(diǎn),其在橫斷面上看是小白點(diǎn),在縱斷面上看則是微裂紋,即氫致應(yīng)力開裂。

        如果完成的焊接接頭立即承受很大的軸向應(yīng)力并在焊縫金屬處發(fā)生斷裂,則很容易在斷面發(fā)現(xiàn)氫白點(diǎn)。若焊接接頭在常溫條件下放置40天以上,焊縫金屬中的氫就會逐漸逸出,并降低至接近于平衡值的水平,此時(shí)再承受很大的軸向應(yīng)力,焊縫金屬斷面上的氫白點(diǎn)會大大減小或消失。

        (4)焊接材料型號相對較少 目前在我國大范圍應(yīng)用的自保護(hù)藥芯焊絲只有兩種型號,分別為AWS A5.29標(biāo)準(zhǔn)的E71T8和E81T8。對于X70及以下強(qiáng)度級別的管線鋼管使用E71T8,X80鋼管使用E81T8。這樣,B、X42、X52、X60等鋼管形成的焊接接頭為高強(qiáng)匹配,X65、X70、X80鋼管形成的焊接接頭為等強(qiáng)匹配或稍低強(qiáng)匹配。

        近年來X80和X70等高強(qiáng)度管道建設(shè)過程中,在一些管道通過的特殊地質(zhì)段,如地震斷裂帶、沉陷區(qū)等,通常會要求焊接接頭高強(qiáng)匹配。因局限于可選擇的自保護(hù)藥芯焊絲抗拉強(qiáng)度均不足,故實(shí)際應(yīng)用中采用了增加焊縫寬度和余高的方法來實(shí)現(xiàn)焊接接頭的整體強(qiáng)度高于母材。但焊縫寬度和余高的增加給后續(xù)的環(huán)焊縫防腐補(bǔ)口質(zhì)量穩(wěn)定性的控制帶來了難度。

        表4 各種焊接工藝及焊接材料煙塵產(chǎn)生量

        (5)焊縫金屬韌性離散 隨著管道建設(shè)用鋼管強(qiáng)度等級的逐步提高,自保護(hù)藥芯焊絲的焊縫金屬夏比V型缺口低溫沖擊韌性離散的現(xiàn)象也越來越顯著,并逐漸成為制約環(huán)焊縫焊接的瓶頸。

        4.自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊的應(yīng)用前景

        近期內(nèi),自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊工藝仍將是我國管道建設(shè)的主要焊接方法,尤其是在山區(qū)、水網(wǎng)等地理環(huán)境復(fù)雜地區(qū),自保護(hù)藥芯焊絲的應(yīng)用將保持著很大的優(yōu)勢。但隨著管道建設(shè)用鋼管強(qiáng)度等級的逐步提高,自保護(hù)藥芯焊絲的技術(shù)研發(fā)工作需要持續(xù)進(jìn)步,與鋼管的冶金成分相結(jié)合,優(yōu)化藥芯焊絲制造工藝,力求解決其在應(yīng)用中存在的問題,尤其是焊縫金屬韌性離散、氫白點(diǎn)、焊材型號少等關(guān)鍵技術(shù),確保焊縫金屬性能滿足管道工程建設(shè)的要求。

        我國管道建設(shè)用鋼管的管徑、壁厚及輸送壓力都在逐步提高,為提高焊接效率、降低勞動強(qiáng)度,未來的管道建設(shè)過程中,在地勢平坦的新疆、甘肅、內(nèi)蒙等地區(qū)將會逐漸采用自動焊方法來替代自保護(hù)藥芯焊絲半自動焊。20140218

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