厚壁管的高效焊接技术

厚壁管的高效焊接技术宋标【摘要】管道焊接是船舶建造的一顼重要焊接工作.近年来，随着我国船舶工业的快速发展,市场竞争的不断加剧，管道施工作业的竞争越来越激烈，开展管道施工高效焊接的技术研究，降低成本,提高焊接质量具有十分重要的意义.该文主要讲述了对厚壁管制造和焊接的优化措施和先进理念.将管子制造和焊接相结合，采用先进的制造工艺和合理的焊接技术，降低了生产成本和劳动强度，提高了焊接生产效率，稳定了焊接质量.【期刊名称】《造船技术》【年(卷)，期】2015(000)006【总页数】5页(P84-88)【关键词】创新;厚壁管焊接;高效【作者】宋标【作者单位】上海江南船舶管业有限公司，上海201302【正文语种】中文【中图分类】U671随着世界经济的逐渐复苏，对高附加值、高新船舶的需求将随之增大，各种新型材料，各种厚壁管的制造将增多。如何提高管道焊接效率，降低焊接施工成本，是每个企业追求的目标。船用厚壁管是近年来高附加值、高技术船舶的必用船管。管壁厚度大都在20m以上，而且都需100%的X拍片检验，以往我们都采用传统制作工艺的方式来校管和焊接，虽然也能达到标准要求，但工作效率不高。去年，我公司承接了上海船厂的海工船高压海水系统的厚壁管制造任务，工作量大且周期短，如果按照传统的制造工艺，肯定无法按时完工。为此，我公司制定了一套新型的制造方式和焊接方法，最终提前完成了该产品的制造和焊接任务。1.1劳动强度大，工作效率低此次承接厚壁管的管道口径是168mmx22mm,—根管道加上法兰一般最起码也有300kg-400kg，如图1所示。如果管道稍长的话就更重了，靠人力根本无法搬动。按照传统焊接方法每焊1/2层焊缝就得翻动一次管道，且全得依靠行车来吊运。如果按照每一层焊缝在3mm左右，那焊完整条焊缝大约15道焊缝，如图2所示。为了确保下一层焊缝的正常进行，必须对上道焊缝进行清渣处理，并对焊缝表面缺陷进行必要的修补和打磨处理。按照每一圈焊缝打磨4个接头，那必须打磨约60个焊缝接头，且焊完整道焊缝最起码翻动7次。实际操作下来，就算一个熟练的焊工要完成整道焊缝也需要工作5h左右。直接制约了我们焊接施工进度，劳动强度之大可想而知。1.2反面焊缝质量难以保证按照传统的焊接方法，我们一般都采用手工钨极氩弧焊单面焊双面成型打底，手工焊条电弧焊或药芯焊丝CO2焊填充盖面的方式。在打底焊时，坡口由于在合理范围内错边，坡口根部宽窄不均，或者焊丝和坡口被污染的情况下就会在焊缝中产生气孔、表面裂纹、未熔合或咬边等缺陷。再熟练的焊工，也不能说保证反面的焊缝100%合格。由于管道是整体装配，相对靠里面焊缝死角处的缺陷难以被发现，由于不能及时进行清理和返修，直接影响了焊缝质量。1.3X拍片合格率低，返修难度大如图1中一根管道上有6道焊缝，一个熟练的焊工把它全部焊完也须30h左右。就算两个焊工同时施焊，平均一个焊工也须两个工作日。在这样长期高强度、高压力的工作状态之下，谁能保证每层焊缝的焊接质量和焊接工效。再如前所述，由于管道整体装配，打底焊反面的焊缝质量难以保证，如经X拍片检验不合格，必须把不合格的那段焊缝刨致坡口根部，打磨干净后再重新焊接，随即还需X拍片检验。工序繁琐，返修难度高，局部修补焊接应力极大也是极其令人担心的问题。1.4焊后管道易产生裂纹和变形，安装困难，焊后工艺复杂由于焊接过程中要进行清渣打磨等处理，焊缝整体不能连续施焊，焊缝应力增大，管道容易产生裂纹、变形和收缩。特别是厚壁管，由于管道壁厚较大，结构刚性也较大，焊接时容易产生较大的焊接残余应力。在焊接残余应力和扩散氢的共同作用下，焊接接头易产生冷裂纹，因此焊后还需经过热处理来降低焊缝残余应力。由于不能整体连续施焊，管壁厚，焊道多，特别是每焊1/2道焊缝要进行打磨，打磨过程相当于对焊缝进行冷却。因此焊缝刚性也极大，焊缝残余应力也相应增大，管道就容易产生变形和收缩。为了便于安装，变形较大的，在安装前还需要进行火工矫正来抵消原先产生的焊接变形。综上所述，厚壁管整体制造焊接的弊端显而易见。不仅费时费力，还难以保证焊缝质量。但是，如果采用了我们所研制的新制造工艺和焊接方法，以上所有的弊端迎刃而解。不但焊接时间能缩短5倍左右，焊工的劳动强度也显著降低，且焊缝质量也得以保证。下面就将研制成果与大家分享。2.1厚壁管合理装配工艺把图1中整根管道分成三段，如图3所示。逐段进行装配和焊接，而且使每条焊缝都能处于平对接的位置来焊接。如图3中的第一段和第二段焊缝就可以直接将管子放置压棍式变位机（以下简称变位机）中进行焊接，如图4所示。以图3中的第三和第四道焊缝为例，如果两段焊缝之间距离够长，就可以直接将中间管道放置变位机中，如图5所示。如果中间管段长度不够放置变位机中，可以另外加一段1m左右同径口的辅助管道。将辅助管道一端加工成45°斜坡，然后与第三或第四道焊道的弯头相连接，使其与母体管道处于同一水平线，垂直于所焊焊缝，然后将辅助管道放致变位机中，如图6所示。等三段管子四条焊缝焊接完毕，经X拍片合格后，再重新完整组装管道。用图6中同样的方式来焊接。由于管道的重心偏失，在变位机转动的过程中，管道运行至下坡段时，会产生不规则的向下跳跃运行现象，直接影响焊缝质量。为了使管道在变位机中能够平稳运转，我们在母管管道的对称面搭焊了相同质量的物体，如图7所示。2.2厚壁管先进的焊接技术采用V型坡口，用手工钨极氩弧焊单面焊双面成型的方式打底。CO2药芯焊丝填充盖面。如表1所示。打底前将焊道进行预热，有利于氩弧焊焊接，可降低焊缝残余应力，减少根部淬硬倾向，预热温度为100°C左右，预热宽度从对口中心开始，每侧不小于焊件厚度的三倍且不小于100mm。由于管壁较厚，拘束度大，为防止焊缝根部产生裂纹，打底焊厚度应不小于3mm。打底焊结束并检查焊缝无缺陷后，应立即进行填充，填充盖面都采用CO2药芯焊丝进行焊接。第一层、第二层填充焊时，采用传统的焊接方式，焊至整圈焊缝的三分之一处应停止焊接，进行清渣和焊缝接头打磨，然后再焊完余下三分之二的焊缝，由于第一层、第二层焊缝处于坡口根部，焊缝相对狭窄，焊接电流应控制在保证铁水拉得开、熔池清晰、熔合良好的前提下，提高焊接速度，减少焊层厚度，使焊缝中的氢易溢出，保证焊缝质量。填充焊的第三层开始，我们就可以采用连续焊，即一个熟练的焊工搭配一个小工，焊工在焊接的同时小工在对面及时地进行清渣处理，如图8所示。中间不停顿，没有焊接接头，不用打磨修补。由于管壁厚，坡口较宽，连续施焊时线能量容易超出评定值，接头金属组织将变得粗大。为了控制线能量，层间温度必须控制在200^-300^之间，为了防止层间温度过高，我们填充焊焊至焊道高度的三分之二处时，应停止焊接，焊工也正好得以休息，但应时刻注意焊缝层间的温度，当焊缝层间温度降至200°C时，开始重新施焊，直至填充焊结束。休息片刻后进行盖面。在焊接过程中，喷嘴的位置与角度非常重要，在变位机平稳转动的同时，喷嘴应始终成45°角左右保持在上坡位置（11:00~12:00之间），如图9所示。喷嘴与焊缝之间的距离保持在10mm左右，这样熔滴生成后始终托附在熔池之中，使焊缝根部冶金反应充分，气体易溢出，消除气孔。且药渣也始终跑在熔池的前面，不易产生未熔合夹渣，焊缝质量得以保证。由于管道短、焊缝少，且是滚动焊接，因此管道除了在长度上缩短而不产生任何角变形，这对管系来说十分重要。因为没有了角变形，焊后残余应力相应减少，也就无须进行热处理，只须用石棉布将焊缝包裹严实，保温缓冷即可。3.1降低劳动强度，提高工作效率由于进行分段装配与施焊，我们每条焊缝都可以采用平对接的方式来焊接。管道也根本不用翻动，且焊接过程中无须考虑清渣和清根打磨，可以连续施焊，而恰恰是清渣和清根打磨占据了拍片焊中大部分时间。同样口径的管道，同样熟练的焊工一整道焊缝从填充到盖面结束，只需要1h左右，比传统的焊接速度整整提高了5倍左右。且装配时间也根本没有增加，只不过分两个时段进行而已。在减轻焊工劳动强度的同时也显著提高了工作效率。3.2反面焊缝得以保证采用分段焊以后，由于管道变短，管道里面的每条焊缝都能清晰地看到，根本不存在焊缝死角。若发现焊缝缺陷及时进行修补和打磨，直到焊缝完好为止，打底焊缝的质量得以保证。3.3X拍片合格率高由于采用了方便、简洁的焊接方法，减少了焊接接头，相比立焊的电流也有所增大，层间温度相对平稳，消除了层间未熔合和夹渣等缺陷。且能轻松掌握焊层厚度，焊层厚度越薄，焊缝的质量就越好，拍片合格率就越高。到目前为止，我们拍片合格率基本达到100%。3.4焊后变形小，易安装由于实施了分段装配和焊接，平均每段管道的焊缝也就只有一到二条，到最后装配完毕，所需焊接的焊缝一般就剩一道。且前面其余焊缝的残余应力也基本释放完毕，管道形状趋于平稳。再进行总装焊接，焊接时整根管道的热量相对减小，刚性也减小，焊缝残余应力也随之降低，管道就不易产生变形和收缩，尺寸可精确到1mm左右，基本可以说没有变形，易于船上整体接装。3.5焊接难度显著降低如果按照传统方式来焊接，焊接难度极高，一般焊工难以完成此产品的焊接任务，最起码由一个高级工或高级工以上的焊工才能高质量完成。而运用创新的焊接方法来焊接此产品，由于采用了平对接的焊接方式，只要对一个初级焊工进行3~5天的培训，让焊工掌握正确的焊接方法和焊接角度，能准确地调试焊接电流与电压，就能出色地完成此产品的焊接。在降低了焊接难度的同时也降低了单位用工成本。高效焊接方法不仅是现代船舶制造的主要工艺之一，而且对于船舶行业的发展具有深远意义。随着管道焊接技术的进一步发展，施工单位希望大幅度提高大口径厚壁钢管焊接施工质量和效率，减少单位作业面设备组成数量，降低生产成本和劳动强度。新型材料管道焊接技术的进一步发展，是管道实施高效焊接的发展趋势。近年来，世界金枪鱼渔船发展迅速，延绳钓捕捞作业不断发展。通过对船舶海洋防污染进行分析，同时结合36.6m延绳钓金枪鱼渔船实船管系设计，为我国金枪渔船玻璃钢化提供一定的参考。［1］ 宗君华.36m玻璃钢金枪鱼延绳钓渔船型线及推进系统设计研究［D］.威海：哈尔滨工业大学(威海),2012.［2］ 孙文志，张维英，于欣，等.远洋金枪鱼延绳钓渔船总布置探讨法［J］.船海工程，2008，2(1):23-25.［3］ 秦子明，汪正清，王晓东，等.舰船生活水处理系统现状与展望［J］.舰船科学技术，2013(3):5-8.【相关文献】［1］ 曾正明.实用有色金属材料便查手册［M］.北京：中国电力出版社,2005.［2］ 史美堂.金属材料及热处理［M］.上海：上海科学技术出版社,1986.［3］ 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册［S］,2001.［4］ 朱日良.管壳式换热器管板与换热管焊接常见质量问题的防止［J］.化工设备与管道，2005，42(1):62-63.［5］ 秋恩哲.管与管板的内孔焊