注水管道焊接工艺、材料、设备等应用情况分析

注水管道焊接工艺、材料、设备等应用情况分析

1.于泽江2.王淑莲3.王红孙秀华

1.于泽江2.王淑莲3.王红孙秀华

（1.中原油田工程建设总公司2.中原油田供热管理处3.中原油田采油五厂河南濮阳457000）

中图分类号：TE973文献标识码：A

前言

进入21世纪，我国经济形势大好，随着各采油厂注水站改造的发展，特别是各大油田的注水管网的建设和长输管道建设高潮的到来…这些无一不向我们提出了需要优质的高效的焊接工艺方法，也随之提出了需要优良的焊接设备和优质的焊接材料。

一、注水管道对材质、焊缝的基本要求

一是一条具有与母材相匹配的化学成分，常规机械性能，有足够韧性储备，合理金相组织的焊缝。

二是一条低氢焊缝。

三是一条抗腐蚀的焊缝。

四是一条焊接缺欠极少的焊缝。

为了满足这样一条环焊缝的性能，并非仅仅是实施焊接单位一家所能实现的，它必须集焊接材料制造厂家、焊接设备制造厂家、实施焊接作业的单位等共同努力才能完成一条安全、适用、经济的放心焊缝。

二、焊接材料、焊接工艺方法的选择

一般地选择焊接材料总是首选考虑“强度”问题，一是高强匹配，一是等强匹配，再就是低强匹配。笔者认为强度选取以等强匹配为好。但对某些有再热裂纹或外拘束度较大的情况下，焊接材料的选取以名义抗拉强度稍低于母材抗拉强度为宜。在大口径、厚壁高强度的野外管道组焊时，其组装应力等不可避免较大，则在考虑使焊缝有更高的韧性储备，选择低强匹配是有好处的，而实际工程经验告诉我们施焊得到的环焊缝其抗拉强度一般不会低于母材的名义抗拉强度。

在化学成分选取上对于一般碳钢，低合金钢的焊接并不要求焊缝金属的化学成分完全与母材一致，只力求做到趋于近似则行。在输送介质含碱性高，特别是含硫化氢、二氧化碳或水分较高时，则应要求焊缝的硫、磷含量越低为好，同时也应对锰含量给出必要的上限限制。

在焊接材料选取时对于焊缝最终获得的韧性储备是比较难于处理的，所以从安全性与经济性来考虑韧性要求是基本出发点，从安全性的角度希望有更高的韧性储备，而从经济性出发又不希望过高的韧性要求。所以工艺人员更多的是依靠自身的经验和见解来确定韧性的大小，这就更增加了确定韧性指标的难度。一般说来，随着强度升高，则韧性降低，但注水管线，对韧性的技术要求总的趋式是随着用钢强度级别的提高、壁厚、口径增加对韧性要求也越高，要想管线环焊缝达到与母材韧性值相同这是难于实现的。这还需要通过大量工程实践经验总结、积累、并结合科学研究来实现。

实践中得知焊接的方法对提高或保证焊缝的韧性储备也有依赖关系，可能在使用什么样焊接方法来确保焊缝韧性储也是一个值得思考的问题。如全自保药芯焊丝半自动焊，往往在车间内较精心施焊可得焊缝其冲击韧性值均能达到相关的要求值。而在野外焊接后，其冲击韧性值会产生个别试件冲击值很低而且数据离散度极大状况。这个现象笔者认为这就与焊接方法本身固有的特性有关，当管壁厚度较厚，坡口必定较深，而药芯在内，金属皮在外，药芯中某些物质其熔点高于金属，这样热量的供给是从外致内，如果在某一位置或时刻只要焊工操作不太合适应会造成药芯中某些物质未能充分熔溶参与应该的冶炼反应，致使焊缝中产生一些球状氧化物。同时这和焊接方法，使用电流值都比较大，要求前进速度快，是否在某一时刻被迫降低了速度造成大的线能量，一方面使晶粒粗大，另一方面形成较多的上具氏体组织。这样取得的试件的冲击值必然会大大降低。

当然为了提高焊缝韧性储备，也可采取后天弥补的办法，那就是焊后热处理。然而由于管子口径大，壁厚及施工条件、工程进度、工程成本等因素。要在大口径、大厚壁、管道环焊缝实施口口焊后热处理是否现实，如何确定和保证管道环焊缝的韧性储备值尚是施工焊接中应极为重视并进一步研究探讨的问题。

对注水管道而言希望得到低氢焊缝。其一是要充分考虑导致焊缝延迟裂纹的问题，二是由于施工后对焊口保护的问题。当然导致延迟裂纹的产生是三大因素。钢种的淬硬倾向；焊接接头的含氢量及分布；焊接接头的拘束应力。在我们的实践中产生管道焊缝破裂绝大多数是氢所致。也告诉我们焊接接头的含氢量越高，裂纹的倾向越大。焊接中氢来源是多方面的，从焊接材料来看实芯焊丝气保焊焊缝中的氢含量是极低的。其次是采用低氢型焊条，而采用纤维素型焊条所得到的焊缝含氢量是很高的。所以笔者认为在注水管道不宜采用全纤维素焊条焊接，在焊接工艺操作中防止和消除氢也应该是极为重要的。当然焊后仍可采取相应的消氢处理，但在注水管道工程中会带来诸多不便，只要这一问题处理得好，氢致延迟裂纹这一潜再危险就会大大降低。

三、焊接工艺问题

首先焊接工艺评定的试验条件应尽量与实际条件一致，一般情况工艺评定的环境条件组对情况与实际是有很大的差异的，所以试验中的工艺参数是否符合实际条件均应给予考虑，只有尽可能模拟实际条件工艺评定才有较好的针对性；其次是试验的结果要稳定可靠，具有较好的重复性，获得能指导生产实际的结论，因此应严格试验条件，防止随意性。

焊接工艺评定是指导性的技术文件，施焊单位尚应依据焊接工艺评定报告编制焊接作业指导书（或称焊接执行工艺规程）这一程序是极为重要的过程。只有施工单位的焊接技术人员才最清楚，施焊时的各种环境条件本单位的焊接设备状态，本单位焊接工人的技术水平，所编制的焊接作业指导书才不会是焊接工艺评定的翻版。焊接作业指导书应是依据焊接工艺评定提供的要求条件及工艺参数结合实际的环境，组对的条件并根据长期焊接施工的经验在合理的范围内对工艺参数适当调整，确定焊接时的各种必备条件及要求都应该是在焊接作业书中给予回答和解决。

有了正确完整的焊接工艺评定、焊接作业指导书后应就成为一种工艺纪律，如何执行工艺纪律就是能否定获得优质焊缝的关健，不允许有随意性。不能认为焊缝经无损检测无超标缺欠，速度又快就是满意结果。如随意使用焊接工艺参数也可能焊出无超标缺欠的焊缝，这是片面而低层次的认识，而实质上工艺中的要求条件、规定的工艺参数不仅是保证获得一个无焊接缺欠的焊缝，更是要保证得到一个满足各种力学性能，化学性能及使用性能等的优质焊缝，然而这些性能无损检测是无法检测出来的。特别是随着半自动焊、自动焊在管道施工中更大范围的推开使用，如何严格工艺纪律执行工艺参数显得更为重要。

四、焊接方法及设备

无论采用什么样的焊接方法其前提是在保证焊缝质量的基础上做到效率高又经济来选择。从经验的角度来看，当管径在114mm以下，管壁厚度在12mm以下其管材强度不太高时，沟下组焊采用手工焊为首选。当管径大于114mm以上，管壁厚度大于20mm，其管材强度较高时，应以钨极氩弧焊打底507填充盖面为首选。从目前焊接设备情况来看满足手工焊工艺的焊机国内产品如：奥泰焊机、时代焊机、熊谷焊机及山区移动要求的重庆运达公司的气油发动机轻型手弧焊等均是可选的设备。

从国外引进的设备不能说不好，但是不能说我们就没有遇到这样那样的问题，就那么十全十美，从性能功能上我认为国产与进口当前并没有什么根本上的差别。当然从使用寿命看，一般进口设备略优于国产设备。从投资价格，配件提供及售后服务等国产设备还是有优势的。

在采用钨极氩弧焊和用焊条焊时由于这两种焊法，所使用的电流较小焊速较慢，直接用于根焊往往可以得到良好的背面成型，致使我们常采用钨极氩弧焊先行封底，笔者认为如果采用外对口器组装焊接不失为一种解决的办法。而目前争论的一个问题是全采用手工焊速度慢的问题，个人认为加强焊工的技术水平和焊工数量来解决焊速的问题。在大口径低碳钢、低合金钢管线施工中。施工人员在焊缝组对中会形成太大的接缝会导致出现背面形成如焊瘤样的凸起，不利于通球、清管。这一问题也可通过研究来解决。管道研究院所开发的内对口装置，我觉得是很好的，某些性能上还优于进口装置，他们完全有能力研究出带内衬垫的内对口装置，这将使我们的焊口质量施工速度工程投资费用进一步下降。