尚才眾，王昕軍，賈云剛，吳建國，楊森民，郭 建，鄭麗華，許曉明

(河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州061300)

JCO埋弧焊外防腐涂裝鋼管焊縫余高的控制

尚才眾，王昕軍，賈云剛，吳建國，楊森民，郭 建，鄭麗華，許曉明

(河北海乾威鋼管有限公司，河北 滄州061300)

為了控制壁厚小于10mm的JCO雙面三絲埋弧焊外防腐涂裝鋼管焊縫余高，提高其焊接質(zhì)量，降低鋼管的焊接成本和后續(xù)防腐涂裝成本，結(jié)合鋼管防腐涂裝的工藝特性，通過調(diào)整焊接工藝中的焊絲規(guī)格、坡口形式、電源極性和能量等參數(shù)，將焊縫余高控制在1.0mm左右，9.53mm壁厚JCO雙面三絲埋弧焊外防腐涂裝鋼管無需經(jīng)過機(jī)械磨削，就可滿足3PE外防腐的涂敷要求，其鋼管質(zhì)量提高，成本降低。

焊縫；余高；熔敷率；焊趾

1 鋼管焊縫余高及標(biāo)準(zhǔn)要求

鋼管焊縫余高是焊縫表面焊趾沿鋼管輪廓連線上面部分金屬的最大高度(如圖1所示)。在靜載荷下有一定的加強(qiáng)作用，過去曾稱為加強(qiáng)高；在動(dòng)載或變載荷作用下，不能起加強(qiáng)作用，反而易于促使脆斷[1]。焊縫余高造成了構(gòu)件表面的起伏，在焊縫和母材的過渡處即焊趾引起應(yīng)力集中。余高帶來的應(yīng)力集中對動(dòng)載荷的疲勞強(qiáng)度十分不利，因此，要求余高越小越好[2]。JCO鋼管生產(chǎn)線采用自動(dòng)雙面多絲埋弧焊接的方法制造鋼管，電弧集中熔池較長，焊接熱輸入大冶金反應(yīng)充分，熔敷率是單絲埋弧焊的3.5倍[3-4]，這樣往往使得焊縫余高過高，特別是薄壁管通?？梢赃_(dá)到3.0mm左右。圖2為單絲、雙絲和三絲埋弧焊3種工藝方案的焊接電流和焊絲熔化速度對比曲線。從圖2可以看出，單絲和三絲之間焊絲熔敷量發(fā)生了巨大的變化。

圖1 焊縫余高和寬度

余高過高會(huì)帶來以下問題：①焊縫凸起鋼管外表不美觀；②浪費(fèi)焊材和焊接能量；③超聲波探傷會(huì)出現(xiàn)焊縫頂部盲區(qū)[5]；④對防腐處理影響很大。

圖2 單絲、雙絲和三絲埋弧焊熔敷率對比

不同標(biāo)準(zhǔn)對埋弧焊鋼管內(nèi)外焊縫高度(余高)的要求見表1。厚度13mm以下鋼管的余高最大為3.5mm，并沒有給出防腐處理鋼管的特別限制；但標(biāo)準(zhǔn)對于承受顯著動(dòng)載荷或防腐處理等特殊要求的產(chǎn)品，規(guī)定用戶可自行設(shè)計(jì)。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對埋弧焊鋼管內(nèi)外焊縫高度(余高)的要求

2 對防腐涂裝鋼管余高的要求

在3PE涂裝過程中，膠粘劑涂敷和聚乙烯纏繞各設(shè)置一部氣動(dòng)硅膠輥，用以壓延涂層及密實(shí)定型。采用側(cè)向纏繞工藝時(shí)，中間層膠粘劑碾壓膠輥和外層聚乙烯碾壓膠輥的軸線與鋼管軸線平行，在面對鋼管出口端呈3點(diǎn)或9點(diǎn)以及6點(diǎn)的位置安裝，如圖3所示。Φ300mm聚乙烯碾壓膠輥由兩支Φ125mm的氣缸支撐施壓，可以對鋼管產(chǎn)生數(shù)千牛頓的作用力。余高遭膠輥碾壓會(huì)造成防腐層厚度不均勻及焊縫防腐層減薄，使焊趾處纏壓不實(shí)產(chǎn)生氣泡、分層等缺陷，破壞了3PE整體的機(jī)械保護(hù)與防腐體系的優(yōu)越性能。

焊縫余高使得相同體積膜口擠壓出的熔態(tài)聚乙烯在鋼管上包敷時(shí)，焊縫區(qū)形成的防腐層較管體區(qū)偏薄，余高越高此現(xiàn)象愈嚴(yán)重。當(dāng)聚乙烯涂層不均勻時(shí)，可導(dǎo)致面層形成環(huán)向本體強(qiáng)度差、產(chǎn)生引發(fā)應(yīng)力開裂的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)焊縫余高使得同等加熱條件下，厚度不同的鋼管基體蓄熱能力不同，導(dǎo)致管體區(qū)與焊縫區(qū)形成熱容差，對焊縫區(qū)防腐層應(yīng)力開裂產(chǎn)生影響。

圖3 Φ914mm×9.53mm×12000mm L450防腐鋼管硅膠輥壓延焊縫示意圖

現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)使用圓周方向多點(diǎn)法測量防腐層厚度，以最薄處為準(zhǔn)。當(dāng)管體防腐層厚度滿足標(biāo)準(zhǔn)而焊縫達(dá)不到要求時(shí)，需要以整體增加防腐層厚度來彌補(bǔ)，會(huì)使成本大為提高。GB/T 23257—2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》規(guī)定鋼管焊縫余高不應(yīng)超過2.5mm，且焊縫應(yīng)平滑過渡[6]。在實(shí)際生產(chǎn)中，余高2.5mm并不被鋼管廠或防腐廠所接受。通常余高超過1.5mm時(shí)一般選擇機(jī)械磨削降低余高，這樣做成本會(huì)低于整體增厚，且避免了防腐層缺陷的引發(fā)?？傊栏摴苡喔咴叫≡胶?。

直徑不同、厚度為9.53mm(3/8in)的鋼管是執(zhí)行API《管線鋼管規(guī)范》或CE《非合金結(jié)構(gòu)鋼和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)鋼冷成型焊接空心鋼管》的常見規(guī)格。以近期某公司生產(chǎn)的規(guī)格為Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管為例，討論將余高控制在1.0mm左右的工藝過程。

3 余高的控制措施

3.1 焊絲

焊絲直徑影響熔敷率，決定電流密度和電磁吹力，從而對焊縫橫截面積形狀產(chǎn)生一定的影響。JCO埋弧焊接中，經(jīng)常使用的焊絲規(guī)格有Φ4.0mm和Φ3.2mm。薄板內(nèi)焊接DC前置電弧通常選用Φ4.0mm焊絲，AC中間和后置電弧選用Φ3.2mm焊絲；外焊接DC前置電弧和中間選用Φ4.0mm焊絲，后置電弧選用Φ3.2mm焊絲；預(yù)焊(氣保定位焊)則選用Φ2.4mm焊絲。這種配置可有效降低余高和焊接熱輸入。

增加焊絲伸出長度一般可以使熔敷率提高25％～50％[7]。焊絲伸出長度對焊縫成形(特別是余高)有顯著影響。Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管埋弧焊接焊絲伸出長度嚴(yán)格控制在25～26mm；氣保定位焊25mm。

焊絲傾角方向和角度對熔深和焊縫成形、缺陷有一定的影響。焊接參數(shù)中前傾熔深較深，后傾焊縫寬度較寬。對于Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管，焊絲間距過小，熔深加大，焊縫窄而高。Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管焊接參數(shù)見表2。

表2 Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管焊接參數(shù)

3.2 坡口形式

坡口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮坡口的制備方法及焊接方法的工藝要求[8]。Φ914mm×9.53mm鋼管坡口形式如圖4所示。圖4中，A=5.03mm，B=3.5mm，C=1.0mm，外坡口角度2e=120°，內(nèi)坡口角度2a=110°。

圖4 Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐鋼管坡口形式

為了給外坡口高度A創(chuàng)造出更大的熔池空間，使鈍邊B=3.5mm，這在JCO多絲埋弧焊接中屬于偏弱設(shè)計(jì)，也是我公司建廠7年來首選。生產(chǎn)實(shí)踐證明，無論是氣保定位焊還是內(nèi)外埋弧焊都是安全可靠的；內(nèi)坡口高度C=1.0mm占用空間小，同時(shí)為埋弧內(nèi)焊接提供導(dǎo)向作用；外坡口角度2e=120°，這是我公司為解決9.53mm鋼管余高問題而定制的角度最大的銑邊機(jī)銑削下刀座。

增大外坡口高度和角度的目的還在于：JCO鋼管生產(chǎn)線埋弧焊接之前，有一道給埋弧焊打底的合縫預(yù)焊工序，如圖5所示。預(yù)焊采用Φ2.4mm焊絲、2.5m/min高速焊接(見表2)，預(yù)焊焊縫仍然占據(jù)銑邊坡口相當(dāng)大的一部分空間。氣保預(yù)焊屬于焊接能量較小的定位焊接，一般不超過5kJ/cm，其形成的焊道會(huì)被后面的埋弧焊熔融。

圖5 Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐鋼管預(yù)焊焊縫

3.3 電源極性

JCO多絲自動(dòng)埋弧焊鋼管生產(chǎn)線在焊接厚度t≤10mm的產(chǎn)品時(shí)，一般采用直流正接法。直流一絲正接較反接能更好地控制焊道形貌、熔深，且引弧燃燒穩(wěn)定。正接負(fù)極的焊絲熔化速度要比反接高35％，使得熔池熔深變淺，余高增加[9]，對于需要控制余高的防腐涂裝鋼管不利。采用DC++AC和DC-+AC+AC進(jìn)行了現(xiàn)場焊接試驗(yàn)，具體工藝參數(shù)見表2中的雙絲外焊和三絲外焊。

雙絲正接焊縫成形形貌如圖6所示，三絲反接焊縫成形形貌如圖7所示。從圖6和圖7可以看出，雙絲正接和三絲反接焊接在線能量接近的情況下，雙絲正接余高1.51mm，三絲反接余高1.07mm；雙絲正接焊縫寬度15.5mm，三絲反接焊縫寬度20.5mm。雙絲正接焊縫成形系數(shù)下降，不利于熔池中氣體和夾渣物的上浮和逸出；且焊縫突兀焊趾處轉(zhuǎn)角半徑r(見圖3)變小。3PE防腐采用環(huán)氧粉末靜電噴涂熱熔技術(shù)，熱熔粉末在焊趾處易形成堆積。環(huán)氧基團(tuán)與中間黏結(jié)劑聚烯烴反應(yīng)生成氫鍵或化學(xué)鍵，被外層聚乙烯纏繞，在張力作用下擠出膜包覆到鋼管，此時(shí)在轉(zhuǎn)角處會(huì)形成一個(gè)空腔層。如果碾壓用硅膠輥硬度較高或直徑較大，焊趾處可能沒有被壓實(shí)，給防腐層留下缺陷。

圖6 雙絲正接焊縫形貌

圖7 三絲反接焊縫形貌

3.4 能量參數(shù)和焊縫成形

Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管焊接能量參數(shù)選取的原則：保證焊接接頭性能的前提下，努力降低外焊縫余高。焊接電流和電壓參數(shù)調(diào)整對焊縫成形和焊縫的冶金質(zhì)量影響很大。焊縫成形與坡口形式有關(guān)，與焊接能量參數(shù)有重要的關(guān)系。

3.4.1 焊接電流

焊接電流控制焊絲的熔化速度、熔深和母材的熔化量。圖8為焊絲熔化速度與電流關(guān)系曲線。由圖8可知，焊縫金屬單位時(shí)間的熔敷量幾乎與電流成正比。直流一絲滿足內(nèi)外焊互熔量即可，一絲電流過高會(huì)影響到金相組織的變化，且使熔敷金屬劇增。

圖8 焊絲熔化速度與電流關(guān)系曲線

3.4.2 電弧電壓

電弧電壓對熔寬影響較大，對熔深的影響較小，可以根據(jù)熔寬選擇電弧電壓[4,7]。加大電弧電壓可以擴(kuò)展熔寬，降低余高。表2中直流一絲電壓較常規(guī)焊接提高了18.9％，填充二絲電壓提高了11％，蓋面三絲電壓基本保持不變。加大電弧電壓后，焊縫厚度減小，焊縫成形系數(shù)變大，余高有效降低，其負(fù)作用是電弧變長，燃燒不如常規(guī)穩(wěn)定，電弧力抑制焊接缺陷的能力減弱。在采用雙絲直流正接試驗(yàn)中，加大電弧電壓，余高同樣迅速降低，但焊趾處咬邊現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.4.3 焊接速度

提高焊接速度，單位長度的熱輸入和填充金屬減少，熔深、熔寬和余高相應(yīng)減小。焊接速度過高會(huì)降低熔融金屬的潤浸作用，增加咬邊、電弧偏吹、焊縫氣孔及焊縫成形不良的可能性[9]。Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管在保證焊接質(zhì)量的情況下，適宜采用較高焊接速度，即：氣保預(yù)焊2.5m/min、埋弧內(nèi)焊接1.7m/min、埋弧外焊接1.65m/min，快速穩(wěn)定，焊縫成形和焊縫冶金質(zhì)量良好。

4 控制效果分析

焊縫由加熱熔化金屬凝固結(jié)晶而成，焊縫顯微組織直觀地反映了焊接接頭的綜合性能。焊接工藝的制訂、參數(shù)的合理選擇與否，顯微鏡下可以得到最直接的信息反饋。

圖9為Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管焊接接頭顯微組織。從圖10可以看出，母材組織以AF及塊狀鐵素體為主，無珠光體帶狀組織，晶粒細(xì)密，晶粒度10級(jí)。焊縫中心組織以AF為主，以先共析鐵素體、側(cè)板條狀鐵素體層狀分布以及鐵素體間的黑色組織。熔合線附近組織類型和晶粒度變化較大，以塊狀鐵素體、柱狀晶和AF交織分布。受焊接熱循環(huán)的高溫影響，過熱區(qū)晶粒尺寸明顯粗大，AF減少，塊狀鐵素體和柱狀晶增多。正火區(qū)重結(jié)晶部位晶粒得以細(xì)化，組織為AF。從圖6、圖7可以看出，內(nèi)、外焊焊縫形貌良好，外焊縫寬度20.5mm，余高1.07mm，內(nèi)、外焊互熔深度超過2.0mm，中心偏差不超過1.0mm，互熔適宜，焊接熱輸入控制適當(dāng)。

圖9 Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐鋼管焊接接頭顯微組織(50μm)

GB/T 23257—2009規(guī)定焊縫部位防腐層厚度不應(yīng)小于管體規(guī)定值的70％；ISO 21809-1：2011規(guī)定對SAW焊接管的焊縫、防腐層總的厚度較管體可以最多減少10％。

余高控制在1.0mm左右，防腐時(shí)執(zhí)行GB/T 23257—2009完全可以滿足技術(shù)要求；執(zhí)行ISO 21809-1—2011時(shí)，稍作提高防腐層的整體厚度即可以達(dá)到技術(shù)要求。

余高控制在1.0mm左右，鋼管的3PE涂裝效果優(yōu)于使用機(jī)械磨削焊縫的鋼管。機(jī)械磨削余高焊縫會(huì)形成一條具有尖銳棱角的帶狀平臺(tái)。當(dāng)余高磨削殘余高度超過0.5mm，3PE纏繞厚度達(dá)到3.6mm時(shí)，此平臺(tái)的痕跡仍清晰可見；當(dāng)余高磨削接近焊趾處，此時(shí)已經(jīng)傷及鋼管母材。機(jī)械磨削余高效率低，不易掌控精度，調(diào)整焊接工藝，控制余高是合理的選擇。

5 結(jié) 論

(1)焊接接頭的應(yīng)力集中主要由焊縫余高引起[10]。余高過高焊趾處應(yīng)力集中系數(shù)增大，易誘發(fā)徑向裂紋等缺陷；余高過高焊縫區(qū)防腐層的蓄熱能力大于管體區(qū)，形成熱容差，造成防腐區(qū)應(yīng)力開裂[11]。因此，余高既對焊縫造成應(yīng)力集中，又對焊縫的防腐層造成應(yīng)力集中。

(2)增加焊絲伸出長度可以使熔敷率提高25％～50％，焊絲伸出長度對焊縫成形(特別是余高)有顯著影響。

(3)焊縫金屬單位時(shí)間的熔敷量幾乎與電流成正比，控制焊接電流對余高和焊接接頭的顯微組織有很大影響。

(4)增大外坡口高度和角度是降低余高最合理有效的方法，再以電弧電壓調(diào)整熔寬相配合，Φ914mm×9.53mm×12 000mm L450防腐涂敷鋼管外焊縫余高可以控制在1.0mm左右。焊縫形貌規(guī)整，過渡圓滑，為涂裝生產(chǎn)提供了極大便利。

(5)提高電弧電壓，熔寬變寬，余高得以有效降低；電壓不宜過大，否則其負(fù)作用會(huì)降低焊接質(zhì)量。

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Weld Reinforcement Control Technology of JCO Submerged Arc Welding Outer Corrosion Resistance Coating Steel Pipe

SHANG Caizhong，WANG Xinjun，JIA Yungang，WU Jianguo，YANG Senmin，GUO Jian，ZHENG Lihua，XU Xiaoming
(Hebei Haiqianwei Steel Pipe Co.，Ltd.，Cangzhou 061300，Hebei，China)

In order to control the weld reinforcement of JCO double-side three wire submerged arc welding outer corrosion resistance coating steel pipe(wall thickness not more than 10mm),increase welding quality,reduce welding cost and the subsequent anticorrosion coating cost,combined with the process characteristics of steel pipe coating,through adjusting some parameters,such as welding wire specification,groove type,power supply polarity,energy and so on,the weld reinforcement was controlled around 1.0mm.The JCO double-side three wire submerged arc welding 9.53mm outer anticorrosion coating steel pipe can meet the coating requirements of 3PE without mechanical grinding,the quality of steel pipe was improved,and the cost was reduced.

weld;reinforcement;deposition rate;welding toe

TG445

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.12.014

尚才眾(1961—)，男，高級(jí)工程師，河北海乾威鋼管有限公司總工程師，現(xiàn)主要從事JCO成型和焊接工藝研究。

2016-09-06

李紅麗