自保护药芯焊丝焊接时,可选用美国LINCOLN公司的DC-400直流电源+LN-23P送丝机,另外MILLER公司的XMT304直流电源+S-32P送丝机,唐王DC-400+LINCOLN LN-23P送丝机也可供选择。
CO2气保护焊根焊时,可选用的焊机为LINCOLN公司的STT型逆变电源+LN-742送丝机,飞马特公司的ULTRA FLEX PULSE 350焊机+ULTRAFEED 1000送丝机。
4.焊接方法和设备
目前国内外长输管道常用焊接方法主要有:(1)手工焊,包括药皮焊条电弧焊(SMAW)、手工钨极氩弧焊(TIG);(2)半自动焊,包括熔化极气体保护半自动焊[包括活性气体保护STT(Surface Tension TransferTM)半自动焊、半自动熔化极氩弧焊(MIG)、半自动活性气体保护焊(MAG)、自保护药芯焊丝电弧焊(FCAW);(3)熔化极活性气体保护自动焊(AW)。此外,还有埋弧自动焊(SAW)、电阻焊—闪光对焊(FBW)等。我国在西气东输管道工程后主要以自保护药芯焊丝半自动焊和熔化极活性气体保护自动焊为主。
4.1手工焊
手工焊主要指焊条电弧焊和手工钨极氩弧焊。
(1) 焊条电弧焊
具有灵活简便、适应性强等特点,同时由于焊条工艺性能的不断改进,其熔敷效率、力学性能仍能满足当今管道建设的需要,尤其时焊接补焊时应用更广泛。焊条为纤维素型焊条和低氢型焊条,其下向焊和上向焊两种方法的有机结合及纤维素焊条良好的根焊适应性在很多场合下仍是其它焊接方法所不能代替的。
(2) 手工钨极氩弧焊
焊接质量好,背部无焊渣,一般用来进行站场压缩机进出口、球阀等设备,以及管径较小、壁厚较薄的工艺管道,安放式角焊缝的安装焊接。钨极氩弧焊方法要求焊前严格进行坡口清理,焊接过程中须有防风措施。
4.2半自动焊
即自保护药芯焊丝半自动焊和CO2气保护半自动焊,它们都是下向焊方法。
(1) 自保护药芯焊丝半自动焊
该项技术在1996年的库鄯线管道工程中首次应用于,随后在苏丹、兰成渝、涩宁兰等管道工程中推广应用。这种焊接方法操作灵活,环境适应能力强,焊接熔敷效率高,焊接质量好,焊工易于掌握,焊接合格率高,是目前国内管道工程中重要的填充、盖面焊方法。
(2) CO2气保护半自动焊
随着焊接电源特性的改进,通过控制熔滴和电弧形态,CO2气保护焊的飞溅问题已基本解决,并开始在管道焊接中扮演重要角色,如STT型CO2逆变焊机的应用等。这种焊接方法操作灵活,焊工易于掌握,对不同的坡口适应性强,焊接质量好,焊接效率高,焊道光滑,但焊接过程受环境风速的影响较大。STT半自动根焊要求管口组对过程中保持对口间隙均匀一致,否则将会在后序的填充、盖面焊道中产生坡口边缘未熔合、夹渣等缺陷。
4.3 自动焊
自动焊可应用于根焊和填充、盖面焊。
(1)自动根焊
自动根焊方法采用自动内焊机或外焊机单面焊双面成型。
a. 内焊机
“西气东输”管道工程中使用的自动内焊机是针对Φ1016mm管径的管道根焊焊接专机,分别为英国NOREAST公司生产的内焊机和中国石油天然气管道局PIW3640型内焊机。其特点为适用的管径范围窄,设备一次投资较大,但焊接效率非常高,Φ1016mm的钢管根焊需时约70秒钟左右。由于是在钢管内进行焊接,焊接过程中受环境风速的影响比较小,如图1所示。
图1 管道自动内焊机焊接过程
b. 自动外焊机单面焊双面成型根焊
单面焊双面成型根焊设备主要为意大利PWT公司的CWS.02NRT型自动外焊机,以及美国LINCOLN公司的STT电源匹配自动外焊机。自动外焊机单面焊双面成型的根焊设备解决了不用背面衬垫的单面焊双面成形根焊问题,根焊厚度达4.5mm,远高于内焊机的焊接厚度(1~1.2mm),焊接效率高,Φ1016mm的钢管根焊需时约8分钟左右。由于采用气体保护,焊接过程对环境风速敏感,施工时应有防风棚等防风措施。
(2) 自动外焊机
管道局生产的PAW-2000型外焊机,如图2所示,其特点是焊接熔深均匀,能够焊接的坡口宽度较大,但通常要求坡口角度大于13°,以避免因焊接电弧
图2 PAW-2000型外焊机
与母材接触面较小而导致的坡口边缘未熔合。与中国石油天然气集团公司工程研究院生产的APW-Ⅱ型自动外焊机功能相近。【3】
英国NOREAST公司生产的自动外焊机,加拿大RMS公司生产的MOW-1型自动外焊机和美国CRC公司M-300型自动外焊机等,其特点是易于实现5-8°的小坡口角度的焊接操作,坡口面熔合良好,但焊接熔深不均匀,能够焊接的坡口宽度通常不超过10mm,否则在仰焊部位难以保证焊缝成型。
意大利PWT公司生产的CWS.02NRT型自动外焊机等,其特点是焊接熔深均匀,能够焊接的坡口宽度较大,且易于实现5-8°的小坡口角度的焊接操作,坡口面熔合良好。
5.焊接工艺
5.1 焊接接头坡口形式
管道焊接施工通常采用的坡口型式为API标准30°V型坡口,适合手工焊。但对于大口径、厚壁钢管来说,这样的焊接接头坡口型式填充金属量大,劳动强度高,且不适合于自动焊的焊接,通常半自动焊用23°V型坡口,自动焊用窄间隙复合坡口型式。
5.2 预热与层间温度
预热的目的是通过减缓母材的应力状态和降低根焊道的冷却速度来防止根部冷裂纹。管道焊接施工的预热温度范围应考虑母材的强度、组织性能变化规律、管径和壁厚,以及焊接材料的含氢量等因素。对于厚壁钢管的多层焊,还要考虑控制焊道层间温度来控制近缝区的冷却速度。层间温度一般与预热温度相近。在避免近缝区过热的前提下,较高的层间温度可防止多层焊时冷裂纹的产生。
5.3 焊接线能量
焊接线能量的确定需综合考虑母材成分、焊接材料类型、对药皮(药芯、焊剂)的冶金反应和保护气体保护效果的影响、焊前预热状况、层间温度控制情况、管子规格、焊丝(条)直径、热影响区的脆化和软化倾向、所希望的组织和力学性能,以及施焊位置、焊接道次、每道焊层厚度、焊缝成型和熔滴的过渡形式等因素。
5.4 后热处理及热处理
管线焊接施工一般不进行焊后的后热处理和热处理。但对于在高寒地区施工时,当焊前预热和层间温度控制难以起更大作用时,有必要对焊接接头采取一定的后热和热处理措施,保证焊接接头的组织和性能。
5.5 其它
在管道焊接施工过程中应考虑到高强度、大壁厚钢管所承受的外部应力作用带来的影响。同时应考虑环境温度、环境湿度和环境风速对不同焊接方法的影响,采取必要的措施保证焊接质量。
6. 展望
前面介绍了国内管道焊接技术的应用现状,在焊接材料、方法、工艺和设备等应用方面与国外的技术差距越来越小,自动焊技术已基本普及应用。但是国内的焊接材料多满足于手工焊,自动焊丝和半自动焊材自主研发、生产不足,相当一部分还需要进口。同时国内焊接材料的性能也有待改善,产品系列化不足。在焊接电源方面,国内奥太、时代焊机有了大面积应用,但是目前还不能象林肯焊机那样应用广泛;用于打底的自动根焊电源国内还没有生产。最近深熔电子束焊、激光辅助熔化极气体保护电弧焊在管道应用上有突破性进展。
随着国内X80管线钢在冀宁管道的成功焊接,更高级管线钢X100和X120不久也将应用在国内管道建设上。管线钢级的提高,必然对焊接技术的要求越来越高,尤其是对焊接材料和焊接设备的性能要求,因此国内在焊接技术方面还有很大的提升空间,对焊接材料和设备的需求也会进一步增加。
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