雙金屬?gòu)?fù)合管的施工焊接技術(shù)

雙金屬?gòu)?fù)合管的施工焊接技術(shù)【摘要】文章圍繞著雙金屬?gòu)?fù)合管的施工焊接技術(shù)問題，就雙金屬?gòu)?fù)合管焊接難題、復(fù)合管坡口的焊接、焊接方法、影響焊接的因素及常見問題的處理等進(jìn)行了分析和探討。【關(guān)鍵詞】雙金屬?gòu)?fù)合管；施工；焊接技術(shù)引言雙金屬?gòu)?fù)合管又稱雙層管或包覆管，它是由兩種不同的金屬管材構(gòu)成，管兩端僻用特殊方法焊接或特殊結(jié)構(gòu)連接。油氣田用防腐雙金屬?gòu)?fù)合管其基管采用碳鋼管或其他合金鋼管（通常為20G、X60、Q235等），從而保證優(yōu)異的機(jī)械力學(xué)性能襯管為一層薄壁耐蝕合金，耐蝕金屬可根據(jù)油氣田腐蝕環(huán)境選擇，常選用Super13Cr、22Cr以及鎳基合金825等，從而保證良好的耐腐蝕性能同時(shí)價(jià)格卻又比整體耐蝕鋼管低50%甚至70%，從而達(dá)到最佳性能價(jià)格組合。1雙金屬?gòu)?fù)合管焊接難題雙金屬?gòu)?fù)合管以碳素鋼管或合金鋼管為基管，在其內(nèi)表面覆襯一定厚度（一般為2~3mm）的不銹鋼、鈦合金、銅、鋁等耐蝕合金屬制造的復(fù)合管，這種特殊的結(jié)構(gòu)形式,使其兼顧碳鋼的耐壓性和不銹鋼的耐蝕性以及相對(duì)不銹鋼價(jià)格低廉的特點(diǎn),其突出的性價(jià)比和耐蝕性能，使它在石油及天然氣工業(yè)、供水工程、化學(xué)工業(yè)等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。但是該材料焊接有許多技術(shù)特點(diǎn),工藝參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)措施對(duì)接頭的組織和性能有很大影響,由于生產(chǎn)工藝的限制,目前國(guó)內(nèi)主要采用“金屬管道爆燃加襯技術(shù)”或者液壓復(fù)合技術(shù)，其基層和襯層間的結(jié)合完全是機(jī)械結(jié)合，未達(dá)到冶金結(jié)合，基層和襯層間會(huì)有一定的縫隙,其特殊的結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致焊接時(shí)層間未熔合或夾渣、主要合金元素易燒損、熔池金屬塌陷形成焊瘤、焊縫背面氧化成型不良、焊縫周圍碳原子遷移影響防腐效果等焊接缺陷，并且目前國(guó)內(nèi)無(wú)法生產(chǎn)復(fù)合管的彎頭，必然存在兩種鋼或多種鋼的焊接，因此解決復(fù)合管的焊接難題是其大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。2復(fù)合管坡口2.1坡口接頭形式坡口的接頭形式對(duì)焊接工藝評(píng)定影響很大，由于國(guó)內(nèi)復(fù)合管采用的生產(chǎn)形式,無(wú)論是爆炸復(fù)合還是液壓復(fù)合，都屬于機(jī)械式復(fù)合，基層和襯層未達(dá)到原子或分子間的結(jié)合，它們之間有一定的間隙，如果采用常規(guī)的坡口形式（見圖1）焊接,焊縫區(qū)域易造成“滲碳”，且在襯層和基層的間隙交界處出現(xiàn)裂紋，工程技術(shù)人員認(rèn)真摸索,設(shè)計(jì)出了如圖2所示的坡口形式，襯層突出2~3mm,其優(yōu)點(diǎn)為:a.便于采用封焊焊道進(jìn)行襯層的固定，減少焊接組對(duì)的錯(cuò)邊量;b.襯層突出的部分使碳鋼到根焊焊縫距離加長(zhǎng)，可以降低“滲碳”對(duì)復(fù)合管焊接接頭防腐性能的影響。圖1傳統(tǒng)的接頭坡口形式圖2創(chuàng)新的接頭坡口形式2.2坡口加工方法為了保證接頭質(zhì)量和尺寸上的要求，復(fù)合管和不銹鋼的接頭須采用機(jī)械加工工藝，可在車床加工，也可用便攜式旋轉(zhuǎn)坡口刀進(jìn)行加工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工條件，由于地理?xiàng)l件限制和返修需要，采用了便攜式旋轉(zhuǎn)坡口機(jī)進(jìn)行加工坡口,該設(shè)備簡(jiǎn)單便攜易操作,加工坡口時(shí)，該設(shè)備一端伸入管口內(nèi)部，靠支腿外撐固定在管口處，通電后，管子不動(dòng)，僅刀頭旋轉(zhuǎn)就可加工成需要的坡口，克服了車床的地理?xiàng)l件限制和費(fèi)工費(fèi)時(shí)的缺點(diǎn)。3焊接工序復(fù)合管的焊接不同于復(fù)合板的焊接，傳統(tǒng)的復(fù)合板可以先焊基層,再焊過渡層,見圖3。復(fù)合管由于受管徑的影響，只能先進(jìn)行襯層對(duì)接焊，再焊過渡層，最后進(jìn)行基層的焊接。在施工中發(fā)現(xiàn)，由于管材橢圓度的影響，襯層的厚度一般在2~3mm,組對(duì)十分困難，此外若焊把的位置和力度控制不好，往往造成襯層燒穿,于是確定了先進(jìn)行封焊再進(jìn)行根焊的焊接工序，見圖4?5，同時(shí)為避免電流過大而將2mm不銹鋼層燒穿,施工時(shí)電弧弧柱中心盡量靠向基層金屬,以熔化基層金屬為主。實(shí)踐證明封焊后的焊接接頭，減少了組對(duì)的錯(cuò)邊量，解決了襯層和基層鋼管的相對(duì)位移問題，同時(shí)也解決了襯層金屬熱導(dǎo)率小、焊接熱量傳輸速度慢和途徑單一等問題,避免了焊縫過熱而造成焊接困難、焊后成型差和主要合金元素過量燒損等現(xiàn)象的發(fā)生;也避免了直接在接頭坡口處產(chǎn)生未熔合和焊接裂紋等缺陷，為焊接的順利進(jìn)行提供了便利。圖3復(fù)合板焊接工序圖4一般焊接工序圖5創(chuàng)新焊接工序4焊接方法由于復(fù)合管特殊的結(jié)構(gòu)形式，2~3mm的襯層對(duì)接時(shí)不易操作,故選鎢極氬弧焊作為封焊和根焊的焊接方法，與其它焊接方法相比,盡管焊接速度較慢,但它是打底焊的理想方法，適用于各種坡口的打底焊。鎢極氬弧焊能清晰的觀察到焊接熔池和熔透情況，易于實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。且鎢極氬弧焊背面無(wú)熔渣，對(duì)保護(hù)管內(nèi)清潔極有利。同時(shí)這種焊接方法熔合比較小，對(duì)異種鋼的焊接來(lái)說控制焊縫的組織和成分十分有益。打底焊工序完成后，為普通碳鋼之間的焊接，如圖5中第3道至第n道工序。為提高焊接速度,解決焊道寬導(dǎo)致的鎢極氬弧焊速度慢問題，經(jīng)焊接工藝評(píng)定，確定了焊條電弧焊作為復(fù)合管基層的焊接方法。5氣體保護(hù)選用鎢極氬弧焊作為根焊和封焊的焊接方法，自然應(yīng)采用氬氣作為保護(hù)氣體,同時(shí)對(duì)諸如316L這類合金含量高的金屬,為避免Cr、Ni等元素?zé)龘p和氧化，須采用氬氣等惰性氣體進(jìn)行焊縫背面保護(hù)，保護(hù)氣體采用含量不低于99.99%的氬氣。工程技術(shù)人員根據(jù)管徑的大小，制作了特殊的封焊和根焊氣體內(nèi)保護(hù)工裝，，根焊前先將背面氣體保護(hù)裝置裝入坡口內(nèi)，一端用鐵絲拴牢以便焊接完成后將保護(hù)工裝牽出管外,坡口處采用膠帶密封，只在坡口12點(diǎn)鐘位置留一個(gè)排氣孔，并用測(cè)氧儀檢測(cè)背面保護(hù)氣體區(qū)域的純度,若氣體不純或保護(hù)氣體流量不夠,易造成熔池金屬塌陷形成焊瘤,以及焊縫內(nèi)表面氧化或成型不良。6其它影響異種鋼焊接性的因素6.1熱導(dǎo)率由于襯層金屬導(dǎo)熱率小，根焊時(shí)熔池前部不允許出現(xiàn)熔孔，以防止造成熔池金屬塌陷形成焊瘤。6.2線膨脹系數(shù)由于不銹鋼和碳鋼這兩種材料的線膨脹系數(shù)相差近5x10-6/°C,焊接時(shí)熱膨脹的量和冷卻時(shí)收縮的量差別很大，都會(huì)在接頭處產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，方向性極強(qiáng)的焊縫柱狀晶組織，導(dǎo)致有害雜質(zhì)及晶間液態(tài)夾層的形成，產(chǎn)生凝固裂紋,母材及焊縫的合金組成比較復(fù)雜，不僅S、P、Sn、Sb等雜質(zhì)可形成易溶液膜,Si、Nb等也可形成易溶共晶，這樣焊縫和熱影響區(qū)都有可能產(chǎn)生熱裂紋,工程技術(shù)人員通過實(shí)驗(yàn)證明焊前預(yù)熱是減少熱裂紋的有效措施。6.3電磁性不銹鋼和碳鋼一種無(wú)磁性，一種有磁性，造成焊接電弧磁偏吹,焊后焊縫成型較差，焊接時(shí)利用電磁感應(yīng)原理，只需將電焊的導(dǎo)線纏繞到管道上3到5圈即可,若感覺電弧磁偏吹更強(qiáng)，則將線圈反向纏繞即可消除磁偏吹。6.4施焊環(huán)境本工藝要求施焊環(huán)境溫度＞5C,濕度＜90%RH，環(huán)境風(fēng)速氬弧焊時(shí)M2m/s,焊條電弧焊時(shí)＜5m/s。7常見缺陷以及處理措施7.1根部?jī)?nèi)凹缺陷原因：a.焊工操作不當(dāng),焊絲未送到位，焊絲熔化量不夠;b.管道組對(duì)間隙過大,熔化金屬由于重力的作用產(chǎn)生下墜，造成內(nèi)凹;c.電磁場(chǎng)引起的磁偏吹，導(dǎo)致結(jié)晶條件改變。解決方法：應(yīng)停止焊接，隨后調(diào)整組對(duì)間隙，改變地線與管道的接觸部位和放置情況。7.2根部未焊透缺陷原因：a.焊接電流過小或電弧過長(zhǎng)，電弧挺度和穿透力變小,根部未熔化;b.組對(duì)間隙過小，電弧不易穿透;c.電磁場(chǎng)引起的磁偏吹。解決方法：適當(dāng)加大焊接電流，減小電弧長(zhǎng)度以及適當(dāng)加大組對(duì)間隙。7.3氣孔缺陷原因：當(dāng)為鎢極氬弧焊焊接時(shí):a.保護(hù)氣體流量不均、過小;b.環(huán)境風(fēng)速過大，致使空氣進(jìn)入到熔池里。當(dāng)為焊條電弧焊時(shí):a.焊條受潮,或烘烤未達(dá)標(biāo);b.焊接電弧過長(zhǎng),電弧保護(hù)熔池的效果變差;c.焊渣結(jié)晶速度慢，保護(hù)熔池效果差;d.引弧或停弧不當(dāng)。解決方法：做好防風(fēng)抗沙的準(zhǔn)備，檢查保護(hù)氣體的純度,認(rèn)真烘烤焊條和改進(jìn)焊接操作方法。7.4層間未熔合和夾渣缺陷原因：a.電流較小或是電弧過長(zhǎng),以及操作不當(dāng)，造成焊道或母材未熔化電弧即離開；b.層間或道間清理不凈或不均,留有渣或死角，焊接電弧未能把渣排出和熔化焊道，從而造成未熔合和夾渣。解決方法：認(rèn)真進(jìn)行層間或道間焊渣、雜質(zhì)的清理工作。參考文獻(xiàn)[1]