海洋工程导管架管结点焊缝焊接操作技巧探析.docx

海洋工程导管架管结点焊缝焊接操作技巧探析作者：文章来源：中国焊接资讯网 点击数：59 发布时间：2011-12-07 新浪微博 QQ空间 人人网 开心网 更多 本文针对工程中导管架管结点焊接接头采用常规焊接工艺方法,无法达到质量要求的难题,提出了用灭弧点焊法焊接管结点根部焊缝;用多层多道排焊法焊接填充焊缝;用碱性焊条下向排焊法焊接盖面焊缝的一整套操作技术,解决了管结点焊缝的质量问题.整套技术通过集中培训和现场示范等形式,已广泛应用到了施工生产中. 中国石化集团公司胜利油田油建职工培训中心 王绍、中国石化集团公司胜利油田 门渤海 汤海东、中国石化集团公司第十建设公司技术质量部 唐元生1 问题的提出近几年来，随着海上油田建设的发展，海上采油平台、井下作业平台、导管架等金属结构大量生产制造、使用，这类结构中管结点是最为常见的焊接接头之一。由于管结点两侧母材都是筒形结构，其直径一般在400 800mm之间，壁厚在2050mm之间，焊口在空间的位置属于曲线形全位置焊口如图1所示，就焊接而言，这种接头带有很大的特殊性。又由于海上钢结构焊缝与压力容器焊缝在质量上的要求不完全一样，因而采用常规的焊接手法时，焊接质量会出现许多问题, 其中主要的缺陷有以下3种。1.1 根部焊缝出现裂纹焊接根部焊缝时，非常容易出现焊缝表面看似良好，但内部却存在大量的微型裂纹的现象(因坡口深而窄, 焊缝表面裂纹很少)。如果用磨光机把焊缝表面焊肉磨去，就能见到许多夹渣和外形不规则的裂纹。特别在焊接大厚度接头时，这种现象更为明显。1.2 填充焊缝外表成形不良焊接填充焊道时，每层焊道两侧咬肉很难控制。在上坡焊、下坡焊、立焊、仰焊部位，焊道中间凸起很明显，焊接时非常容易出现夹渣、未熔合等缺陷。为清除此类缺陷，施焊过程中加大了各层之间磨修焊道的工作量，影响了焊接进度，同时焊接质量难以保证，超声波检查时合格率很低。1.3 盖面焊缝外观质量不合格常规焊接盖面焊缝，焊后除焊缝两侧有咬肉、中间凸起等缺陷外，上横部位还有焊道下坠的现象，成形不美观，不能达到船级社规范要求中“平滑过渡”的质量要求。为使焊后表面与比邻的母材熔合光顺，必须将焊缝磨成光滑的凹型，如图2所示，凹型半径r的最小值根据管件间的夹角和铉杆管壁厚t规定如下：当夹角130时，rt/2;当夹角130时，rt。2 焊接缺陷难点分析2.1 根部焊缝裂纹形成的原因根据根部焊缝裂纹形状和产生时间分析，基本应判定为焊接热裂纹(或叫结晶裂纹)。热裂纹产生机理其一为熔池的低熔点共晶，其二为焊接过程中的拉应力。焊接前，焊缝坡口都进行了严格清理和检查，可排除导致低熔点共晶的因素。由于结构的特殊性(厚度大、尺寸大、刚性大)，焊接中焊缝要承受很大的焊接应力，所以这是造成结晶裂纹的主要原因。作用原理可通过图3进行分析。图3中纵坐标表示焊缝的温度;横坐标表示焊缝金属在脆性温度区T内实际具备的塑性变形量(P)和在焊接应力作用下产生的变形量(e);直线1、2表示在不同的焊接应力条件下, 随温度下降，焊缝金属产生的实际变形量。常规的焊接方法中焊缝两侧热影响区受到的线能量大，熔池体积也大, 冷却过程中作用在焊缝上的焊接应力大，结果产生如同直线2所对应的应力变形e2，e2的值比Pmax大，因而形成开裂。当采用“灭弧点焊法”后, 焊接线能量小，形成的焊接应力变形相当于直线1对应的e1，e1小于Pmax，所以不会开裂。另外在对大间隙部位的处理上，采用“两点”或“三点”的操作手法如图4所示，实际上是降低了焊缝的刚性拘束，加大了塑性变形量Pmax，减小了焊接应力变形e，焊缝更不会开裂。2.2 碱性焊条下向焊优势分析与酸性焊条相比，碱性焊条下向焊的焊接操作性稍好些，原因是碱性焊条与酸性焊条熔渣的物理特性不同。其中起主要作用的因素是熔渣在高温条件下(12001400)的粘度、表面张力、导电性。图5中熔渣的温度在12001400及附近时，碱性熔渣的表面张力、粘度都明显小于酸性渣，这说明在该温度下碱性渣流动性好，也就是焊接中所感觉到的“碱性焊条熔池清晰，熔渣薄而稀，酸性焊条熔渣流动性差，不易赶开，熔池情况不易观察”的现象。因碱性渣具有这一特点，故而在下向焊中多余的熔渣比较容易被电弧吹掉。在高温情况下，熔渣导电性能的好坏主要取决于熔渣中各种离子体的数量，如Na+、Fe2+、Mn2+、F-等离子体。酸性焊条药皮中主要成分是TiO2、SiO2、CaCO3等，碱性焊条药皮成份主要是CaCO3和CaF2，两种药皮熔化后形成的等离子体数量，碱性焊条要比酸性焊条多，所以碱性渣在高温下的导电性比较好，有利于防止熔渣压灭电弧现象的发生。3 解决问题的措施及操作要点3.1 用“灭弧点焊法”焊接根部焊缝“灭弧点焊法”这种操作手法主要在于解决根部焊缝裂纹问题，同时也降低背面焊缝成形的控制难度。焊接时，起焊点的位置、焊条角度、焊接方向等都与常规操作时一样，但不同之处在于“灭弧点焊”尽量减小熔池尺寸。对于间隙大的部位可采用连点两点三点，即“左一点，右一点”或“左一点，右一点，中间一点”, 更换焊条收弧时要用三点向后收弧，如图5所示，以避免出现弧坑裂纹。焊接时用的焊条直径3.2mm，焊接电流110115A，电弧电压2226V，采用直流反接短弧操作。3.2 第二层焊缝用常规焊接手法第二层焊缝焊接用常规手法操作, 只要正确制定并使用焊接规范，焊接质量较容易保证。焊接时选用E5015和焊条，直径4mm，焊接电流160170A, 点焊电压2225V。起焊点位于6点钟位置左右，起焊时要从起焊点前方30mm 左右的位置引弧，电弧引燃后快速拉回起焊点施焊。运弧采用反月牙形运条方法，短弧操作。第一个熔池的焊肉要薄，从第二熔池起焊肉要增加到正常厚度，但厚度不宜高于焊条直径, 这样能防止焊接后半圈时接头处出现焊瘤。在随后的操作中都要用短弧，电弧在坡口两侧要稍作停顿，中间过渡稍快些。3.3 其他填充层用多层多道排焊第二层焊缝焊完后，开始采用排焊焊缝焊接效果较好。一般情况下第三、第四层排焊两道，以后各层根据焊口宽度不同排焊二或四道。每道焊缝使用的规范与第二层基本相同，但区别在于排焊时焊条摆动的幅度较小, 焊道宽度要控制在焊条直径3倍以内，如图6所示。在接近盖面位置时，由于整个焊口的坡口深度不一致，可能出现有的部位已经焊满、有的部位还没有填满的现象，这时就要将未填满的部位进行填焊，同时还要对外形不符合要求的部位进行修整，尽量让焊缝低于表面0.51mm，并保证找平层上下均匀。3.4 用碱性焊条下向排焊焊接盖面层图7表示出了用碱性焊条下向排焊的基本操作过程。其基本原理是利用电弧吹力和液态金属的表面张力克服重力的影响，让一部分液态金属附着于基本表面，随电弧向下移动形成薄而均匀的焊道, 同时也利用电弧吹力和重力作用，将多余的液态金属熔渣吹离开焊接区。第一道焊道可以安排在大管一侧, 也可安排在小管一侧。其他焊道按先后顺序排列。起焊点位于12点左右位置，顺1点、2点、向6点方向施焊。焊条不做横向摆动, 连续向下移动，焊条在各个位置上的角度，如图8所示。焊接时使用的焊条直径3.2mm, 电流120130A，电压2125V，采用直流反接。后半圈操作与前半圈相同，随后各道焊缝的操作也与前半圈相同。整个盖面操作就是要把原焊道高的部分“抹平”，低的部分“填平”最终达到光滑平整的“船型”焊缝表面。下向排焊焊缝成形如图9所示。4 结束语4.1 对于刚性拘束