摘 要：焊縫余高過(guò)高及焊縫魚(yú)脊背，都會(huì)使得焊縫與母材過(guò)渡角過(guò)小，從而引起焊趾處應(yīng)力集中，導(dǎo)致服役條件下管道疲勞破壞；加大鋼管的外防腐作業(yè)難度，造成焊縫部位防腐層厚度減薄甚至開(kāi)裂。針對(duì)這些問(wèn)題，分析了影響焊縫余高質(zhì)量的主要因素，以及改善焊縫形貌所采取的工藝措施，如銑邊坡口和焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、焊頭位置參數(shù)的調(diào)整。焊縫形貌的改善在實(shí)際生產(chǎn)中取得了滿意的效果。

關(guān)鍵詞：直縫埋弧焊管；焊縫形貌；焊縫余高；焊縫魚(yú)脊背；防腐

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.021

0 前言

隨著油氣管道建設(shè)的快速發(fā)展，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)也愈演愈烈，客戶對(duì)鋼管內(nèi)外質(zhì)量需求也在不斷提高，不僅要求焊縫內(nèi)在質(zhì)量缺陷少、具有良好的力學(xué)性能，而且還要求焊縫的外觀形貌越來(lái)越美觀，即焊縫余高不能超高、焊縫不能存在魚(yú)脊背，焊縫與母材需平滑過(guò)渡等。

目前，我公司鋼管防腐多采用三層聚乙烯（3PE）技術(shù)，那么在直縫埋弧焊管防腐過(guò)程中，由于焊縫余高的存在，焊縫部位的防腐層厚度要小于管體，且焊縫余高越大，兩者之間差值越大，GB/T 23257-2009等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都明確要求焊縫部位的防腐層厚度不能小于管體防腐層厚度的70%，故防腐工序?yàn)楸ＷC焊縫部位的防腐層厚度能滿足要求，必須增加整個(gè)管體的防腐層厚度，如此防腐成本就會(huì)大大增加，并且焊縫若存在魚(yú)脊背，易造成焊縫防腐層開(kāi)裂，大大增加防腐作業(yè)難度。

1 現(xiàn)狀分析

API SPEC 5L（45版）焊縫余高要求：當(dāng)鋼管壁厚≤13mm時(shí)，內(nèi)焊縫≤3.5mm，外焊縫≤3.5mm；當(dāng)鋼管壁厚>13mm時(shí)，內(nèi)焊縫≤3.5mm，外焊縫≤4.5mm；我公司內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊縫余高要求：內(nèi)焊縫≤3.0mm，外焊縫≤2.5mm，分析目前我公司直縫埋弧焊管的焊縫形貌，當(dāng)壁厚≥10mm時(shí)，外焊縫余高可以控制在2.5mm以內(nèi)，但當(dāng)8mm≤壁厚<10mm時(shí)，外焊縫余高很難控制在2.5mm以內(nèi)，基本都在2.8mm；當(dāng)鋼管20mm≤壁厚≤25mm壁厚時(shí)，外焊縫存在明顯魚(yú)脊背，如圖1所示，因這些問(wèn)題也常遭到防腐工序的質(zhì)量投訴。

分析產(chǎn)生焊縫余高過(guò)高和焊縫魚(yú)脊背的原因，主要有以下幾個(gè)方面：

（1）坡口參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。坡口參數(shù)包括鈍邊、坡口角度、坡口深度，若鈍邊過(guò)大或坡口的角度和深度設(shè)計(jì)的過(guò)小，都會(huì)造成焊縫熔池填充空間變小，使得焊縫余高超高。

（2）焊接參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。焊接參數(shù)包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度，若焊接電流過(guò)大、焊接電壓過(guò)小、焊接速度過(guò)慢都會(huì)造成焊縫余高超高、產(chǎn)生焊縫魚(yú)脊背。

（3）焊頭位置參數(shù)設(shè)計(jì)不合理。焊頭位置參數(shù)包括焊絲干伸長(zhǎng)、焊絲間距、焊絲傾角，焊接時(shí)，若焊絲干伸長(zhǎng)過(guò)大或焊絲間距、傾角過(guò)小，同樣會(huì)造成焊縫余高超高。

2 焊縫形貌控制的工藝措施

2.1 優(yōu)化銑邊坡口尺寸

針對(duì)生產(chǎn)鋼管8mm≤壁厚<10mm時(shí)存在的焊縫余高超高，以及鋼管20mm≤壁厚≤25mm壁厚時(shí)存在的焊縫魚(yú)脊背問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)優(yōu)化了坡口參數(shù)。

（1）針對(duì)8≤壁厚<10mm的鋼管，生產(chǎn)采用的坡口角度90°，鈍邊4mm，m值2.5～3mm。若想降低外焊縫余高，必須增大外坡口尺寸即n值，目前90°坡口刀已為所使用的最大角度，故只能更改鈍邊尺寸h和坡口深度（即n、m值），于是在現(xiàn)有刀盤(pán)尺寸的基礎(chǔ)上，對(duì)銑邊刀盤(pán)進(jìn)行改造，通過(guò)增加墊片，將鈍邊h值由4mm減小至極限值3.4mm，上坡口斜面長(zhǎng)度m值由2.5～3mm減小至極限值2～2.5mm。

（2）針對(duì)20mm≤壁厚≤25mm壁厚鋼管，生產(chǎn)采用的坡口角度內(nèi)90°外75°，鈍邊8.5mm，n-m值1～1.5mm。如要增加坡口角度，目前比75°大的只有90°，但通過(guò)對(duì)焊縫橫截面熔敷量模擬計(jì)算，若角度從75°增加到90°，熔池金屬填充量在原基礎(chǔ)上會(huì)增加40%左右，熔敷量變化太大，若要采用原有的焊接規(guī)范，焊縫就會(huì)低于母材，若要余高合適，就必須增加焊接熱輸入量，如此會(huì)對(duì)焊縫內(nèi)在力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。故針對(duì)大壁厚鋼管，筆者從改變鈍邊尺寸和坡口深度上考慮，但鈍邊尺寸過(guò)小易產(chǎn)生成型不穩(wěn)定、焊接燒穿等缺陷，故調(diào)整坡口深度n和m值，通過(guò)改變n-m的差值調(diào)整坡口深度，將n-m值由1～1.5mm增加至2.5～3mm，從而將外坡口寬度增加了2mm。

因此，針對(duì)不同壁厚的生產(chǎn)要求，以生產(chǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參考試驗(yàn)結(jié)果，應(yīng)制定適用的鈍邊尺寸和坡口深度。

2.2 優(yōu)化焊接參數(shù)

通過(guò)對(duì)焊接電流、焊接電壓、焊接速度進(jìn)行了調(diào)整，取得了良好的效果。

（1）針對(duì)8mm≤壁厚<10mm的鋼管，車(chē)間以前采用的焊接規(guī)范如下，見(jiàn)表1：

外焊縫余高2.8mm，超出標(biāo)準(zhǔn)要求2.5mm，根據(jù)焊接理論，在使用較小的焊接電流情況下，焊縫熔池?cái)嚢枳饔脺p弱，焊絲的熔化量減小，焊縫余高會(huì)降低，但為了降低外焊縫余高，減小外焊電流會(huì)使得外焊熔深變淺，又會(huì)影響焊縫的內(nèi)外質(zhì)量，極易產(chǎn)生焊接缺陷。為此通過(guò)調(diào)整外焊電焊機(jī)電流檔位，以減小外焊電流增加內(nèi)焊電流為目的，對(duì)焊接規(guī)范重新設(shè)計(jì)優(yōu)化，優(yōu)化后的焊接規(guī)范如表2：

（2）針對(duì)20mm≤壁厚≤25mm，為了降低外焊縫余高，外焊后絲使用較小的電流，如壁厚為21.6mm的焊接規(guī)范如表3：

按照以上規(guī)范焊接后外焊縫余高1.5mm，寬度24mm，兩側(cè)焊縫偏低，盡管余高不高，但是卻存在明顯魚(yú)脊背，很容易導(dǎo)致防腐層開(kāi)裂，于是筆者針對(duì)大壁厚鋼管，重新設(shè)計(jì)焊接規(guī)范，增加電流電壓，一方面讓焊縫盡量飽滿，另一方面增加焊縫寬度，優(yōu)化后的焊接規(guī)范見(jiàn)表4：

2.3 優(yōu)化焊頭位置參數(shù)

在同樣焊接規(guī)范條件下，焊絲伸絲長(zhǎng)度降低、焊絲間距和傾角增大，焊縫余高都會(huì)降低，故針對(duì)8mm≤壁厚<10mm和20mm≤壁厚≤25mm鋼管，優(yōu)化前后外焊焊頭位置參數(shù)見(jiàn)表5和表6：

在整個(gè)焊接工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整過(guò)程中，僅通過(guò)調(diào)整銑邊坡口、焊接規(guī)范、焊頭位置參數(shù)中的單個(gè)值，取得的效果并不明顯，而需要幾個(gè)項(xiàng)點(diǎn)同時(shí)調(diào)整優(yōu)化，才能取得一定效果。在整個(gè)工藝參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，始終要以酸蝕焊縫試樣為基礎(chǔ)，以焊縫余高、焊縫內(nèi)在質(zhì)量、焊縫理化性能為依據(jù)，既要嚴(yán)格控制焊縫的外觀形貌，又要保證焊縫的內(nèi)在質(zhì)量和理化性能符合工藝要求，因此以上數(shù)據(jù)的積累建立為提升鋼管質(zhì)量提供了可靠依據(jù)。

3 調(diào)整后焊縫效果

通過(guò)焊縫形貌工藝參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，直縫埋弧焊管焊縫形貌得到改善，對(duì)于8mm≤壁厚<10mm的鋼管，在主機(jī)保證預(yù)焊縫無(wú)錯(cuò)邊修補(bǔ)的前提下，外焊縫可以控制在2.2～2.4mm；對(duì)于20mm≤壁厚≤25mm的鋼管，外焊縫余高可控制在1.5～2.0mm，且魚(yú)脊背情況大有好轉(zhuǎn)，如圖3所示，焊縫外觀形貌得到改觀，既提升了鋼管整體品質(zhì)，又大大降低了防腐成本和作業(yè)難度。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)銑邊坡口參數(shù)和焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及焊頭位置參數(shù)的調(diào)整，直縫埋弧焊管焊縫形貌得到了一定的改善，并且焊縫內(nèi)在質(zhì)量和理化性能也能滿足工藝要求。

（2）針對(duì)鋼管壁厚≥16mm的外焊縫，余高不能太低否則焊縫不飽滿易出現(xiàn)邊緣未熔，余高盡量控制在1.5mm以上。

（3）焊接工藝參數(shù)優(yōu)化調(diào)整的過(guò)程中，僅通過(guò)調(diào)整銑邊坡口、焊接規(guī)范、焊頭位置參數(shù)中的單方面，效果并不明顯，而需要幾個(gè)項(xiàng)點(diǎn)同時(shí)調(diào)整優(yōu)化，才能達(dá)到滿意效果。

作者簡(jiǎn)介：劉文友（1986-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事埋弧焊管質(zhì)量與工藝管理工作。