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  • 厚壁管的高效焊接技術

    管道焊接是船舶建造的一項重要焊接工作。近年來,隨著我國船舶工業的快速發展,市場競爭的不斷加劇,管道施工作業的競爭越來越激烈,開展管道施工高效焊接的技術研究,降低成本,提高焊接質量具有十分重要的意義。該文主要講述了對厚壁管制造和焊接的優化措施和先進理念。將管子制造和焊接相結合,采用先進的制造工藝和合理的焊接技術,降低了生產成本和勞動強度,提高了焊接生產效率,穩定了焊接質量。

    隨著世界經濟的逐漸復蘇,對高附加值、高新船舶的需求將隨之增大,各種新型材料,各種厚壁管的制造將增多。如何提高管道焊接效率,降低焊接施工成本,是每個企業追求的目標。船用厚壁管是近年來高附加值、高技術船舶的必用船管。管壁厚度大都在20m以上,而且都需100%的X拍片檢驗,以往我們都采用傳統制作工藝的方式來校管和焊接,雖然也能達到標準要求,但工作效率不高。去年,我公司承接了上海船廠的海工船高壓海水系統的厚壁管制造任務,工作量大且周期短,如果按照傳統的制造工藝,肯定無法按時完工。為此,我公司制定了一套新型的制造方式和焊接方法,最終提前完成了該產品的制造和焊接任務。

    1厚壁管傳統制作焊接工藝的弊端

    1.1勞動強度大,工作效率低

    此次承接厚壁管的管道口徑是168mm×22mm,一根管道加上法蘭一般最起碼也有300kg~400kg,如圖1所示。

    如果管道稍長的話就更重了,靠人力根本無法搬動。按照傳統焊接方法每焊1/2層焊縫就得翻動一次管道,且全得依靠行車來吊運。如果按照每一層焊縫在3mm左右,那焊完整條焊縫大約15道焊縫,如圖2所示。

    為了確保下一層焊縫的正常進行,必須對上道焊縫進行清渣處理,并對焊縫表面缺陷進行必要的修補和打磨處理。按照每一圈焊縫打磨4個接頭,那必須打磨約60個焊縫接頭,且焊完整道焊縫最起碼翻動7次。實際操作下來,就算一個熟練的焊工要完成整道焊縫也需要工作5h左右。直接制約了我們焊接施工進度,勞動強度之大可想而知。

    1.2反面焊縫質量難以保證

    按照傳統的焊接方法,我們一般都采用手工鎢極氬弧焊單面焊雙面成型打底,手工焊條電弧焊或藥芯焊絲CO2焊填充蓋面的方式。在打底焊時,坡口由于在合理范圍內錯邊,坡口根部寬窄不均,或者焊絲和坡口被污染的情況下就會在焊縫中產生氣孔、表面裂紋、未熔合或咬邊等缺陷。再熟練的焊工,也不能說保證反面的焊縫100%合格。由于管道是整體裝配,相對靠里面焊縫死角處的缺陷難以被發現,由于不能及時進行清理和返修,直接影響了焊縫質量。

    1.3 X拍片合格率低,返修難度大

    如圖1中一根管道上有6道焊縫,一個熟練的焊工把它全部焊完也須30h左右。就算兩個焊工同時施焊,平均一個焊工也須兩個工作日。在這樣長期高強度、高壓力的工作狀態之下,誰能保證每層焊縫的焊接質量和焊接工效。再如前所述,由于管道整體裝配,打底焊反面的焊縫質量難以保證,如經X拍片檢驗不合格,必須把不合格的那段焊縫刨致坡口根部,打磨干凈后再重新焊接,隨即還需X拍片檢驗。工序繁瑣,返修難度高,局部修補焊接應力極大也是極其令人擔心的問題。

    1.4焊后管道易產生裂紋和變形,安裝困難,焊后工藝復雜

    由于焊接過程中要進行清渣打磨等處理,焊縫整體不能連續施焊,焊縫應力增大,管道容易產生裂紋、變形和收縮。特別是厚壁管,由于管道壁厚較大,結構剛性也較大,焊接時容易產生較大的焊接殘余應力。在焊接殘余應力和擴散氫的共同作用下,焊接接頭易產生冷裂紋,因此焊后還需經過熱處理來降低焊縫殘余應力。由于不能整體連續施焊,管壁厚,焊道多,特別是每焊1/2道焊縫要進行打磨,打磨過程相當于對焊縫進行冷卻。因此焊縫剛性也極大,焊縫殘余應力也相應增大,管道就容易產生變形和收縮。為了便于安裝,變形較大的,在安裝前還需要進行火工矯正來抵消原先產生的焊接變形。綜上所述,厚壁管整體制造焊接的弊端顯而易見。不僅費時費力,還難以保證焊縫質量。但是,如果采用了我們所研制的新制造工藝和焊接方法,以上所有的弊端迎刃而解。不但焊接時間能縮短5倍左右,焊工的勞動強度也顯著降低,且焊縫質量也得以保證。下面就將研制成果與大家分享。

    2厚壁管新型制造工藝和焊接方法

    2.1厚壁管合理裝配工藝

    把圖1中整根管道分成三段,如圖3所示。

    逐段進行裝配和焊接,而且使每條焊縫都能處于平對接的位置來焊接。如圖3中的第一段和第二段焊縫就可以直接將管子放置壓棍式變位機(以下簡稱變位機)中進行焊接,如圖4所示。

    以圖3中的第三和第四道焊縫為例,如果兩段焊縫之間距離夠長,就可以直接將中間管道放置變位機中,如圖5所示。

    如果中間管段長度不夠放置變位機中,可以另外加一段1m左右同徑口的輔助管道。將輔助管道一端加工成45°斜坡,然后與第三或第四道焊道的彎頭相連接,使其與母體管道處于同一水平線,垂直于所焊焊縫,然后將輔助管道放致變位機中,如圖6所示。

    等三段管子四條焊縫焊接完畢,經X拍片合格后,再重新完整組裝管道。用圖6中同樣的方式來焊接。由于管道的重心偏失,在變位機轉動的過程中,管道運行至下坡段時,會產生不規則的向下跳躍運行現象,直接影響焊縫質量。為了使管道在變位機中能夠平穩運轉,我們在母管管道的對稱面搭焊了相同質量的物體,如圖7所示。

    2.2厚壁管先進的焊接技術

    采用V型坡口,用手工鎢極氬弧焊單面焊雙面成型的方式打底。CO2藥芯焊絲填充蓋面。如表1所示。

    打底前將焊道進行預熱,有利于氬弧焊焊接,可降低焊縫殘余應力,減少根部淬硬傾向,預熱溫度為100°C左右,預熱寬度從對口中心開始,每側不小于焊件厚度的三倍且不小于100mm。由于管壁較厚,拘束度大,為防止焊縫根部產生裂紋,打底焊厚度應不小于3mm。打底焊結束并檢查焊縫無缺陷后,應立即進行填充,填充蓋面都采用CO2藥芯焊絲進行焊接。第一層、第二層填充焊時,采用傳統的焊接方式,焊至整圈焊縫的三分之一處應停止焊接,進行清渣和焊縫接頭打磨,然后再焊完余下三分之二的焊縫,由于第一層、第二層焊縫處于坡口根部,焊縫相對狹窄,焊接電流應控制在保證鐵水拉得開、熔池清晰、熔合良好的前提下,提高焊接速度,減少焊層厚度,使焊縫中的氫易溢出,保證焊縫質量。填充焊的第三層開始,我們就可以采用連續焊,即一個熟練的焊工搭配一個小工,焊工在焊接的同時小工在對面及時地進行清渣處理,如圖8所示。

    中間不停頓,沒有焊接接頭,不用打磨修補。由于管壁厚,坡口較寬,連續施焊時線能量容易超出評定值,接頭金屬組織將變得粗大。為了控制線能量,層間溫度必須控制在200℃~300℃之間,為了防止層間溫度過高,我們填充焊焊至焊道高度的三分之二處時,應停止焊接,焊工也正好得以休息,但應時刻注意焊縫層間的溫度,當焊縫層間溫度降至200℃時,開始重新施焊,直至填充焊結束。休息片刻后進行蓋面。在焊接過程中,噴嘴的位置與角度非常重要,在變位機平穩轉動的同時,噴嘴應始終成45°角左右保持在上坡位置(11∶00~12∶00之間),如圖9所示。

    噴嘴與焊縫之間的距離保持在10mm左右,這樣熔滴生成后始終托附在熔池之中,使焊縫根部冶金反應充分,氣體易溢出,消除氣孔。且藥渣也始終跑在熔池的前面,不易產生未熔合夾渣,焊縫質量得以保證。由于管道短、焊縫少,且是滾動焊接,因此管道除了在長度上縮短而不產生任何角變形,這對管系來說十分重要。因為沒有了角變形,焊后殘余應力相應減少,也就無須進行熱處理,只須用石棉布將焊縫包裹嚴實,保溫緩冷即可。

    3采用新型技術后的實施結果

    3.1降低勞動強度,提高工作效率

    由于進行分段裝配與施焊,我們每條焊縫都可以采用平對接的方式來焊接。管道也根本不用翻動,且焊接過程中無須考慮清渣和清根打磨,可以連續施焊,而恰恰是清渣和清根打磨占據了拍片焊中大部分時間。同樣口徑的管道,同樣熟練的焊工一整道焊縫從填充到蓋面結束,只需要1h左右,比傳統的焊接速度整整提高了5倍左右。且裝配時間也根本沒有增加,只不過分兩個時段進行而已。在減輕焊工勞動強度的同時也顯著提高了工作效率。

    3.2反面焊縫得以保證

    采用分段焊以后,由于管道變短,管道里面的每條焊縫都能清晰地看到,根本不存在焊縫死角。若發現焊縫缺陷及時進行修補和打磨,直到焊縫完好為止,打底焊縫的質量得以保證。

    3.3 X拍片合格率高

    由于采用了方便、簡潔的焊接方法,減少了焊接接頭,相比立焊的電流也有所增大,層間溫度相對平穩,消除了層間未熔合和夾渣等缺陷。且能輕松掌握焊層厚度,焊層厚度越薄,焊縫的質量就越好,拍片合格率就越高。到目前為止,我們拍片合格率基本達到100%。

    3.4焊后變形小,易安裝

    由于實施了分段裝配和焊接,平均每段管道的焊縫也就只有一到二條,到最后裝配完畢,所需焊接的焊縫一般就剩一道。且前面其余焊縫的殘余應力也基本釋放完畢,管道形狀趨于平穩。再進行總裝焊接,焊接時整根管道的熱量相對減小,剛性也減小,焊縫殘余應力也隨之降低,管道就不易產生變形和收縮,尺寸可精確到1mm左右,基本可以說沒有變形,易于船上整體接裝。

    3.5焊接難度顯著降低

    如果按照傳統方式來焊接,焊接難度極高,一般焊工難以完成此產品的焊接任務,最起碼由一個高級工或高級工以上的焊工才能高質量完成。而運用創新的焊接方法來焊接此產品,由于采用了平對接的焊接方式,只要對一個初級焊工進行3~5天的培訓,讓焊工掌握正確的焊接方法和焊接角度,能準確地調試焊接電流與電壓,就能出色地完成此產品的焊接。在降低了焊接難度的同時也降低了單位用工成本。

    4結束語

    高效焊接方法不僅是現代船舶制造的主要工藝之一,而且對于船舶行業的發展具有深遠意義。隨著管道焊接技術的進一步發展,施工單位希望大幅度提高大口徑厚壁鋼管焊接施工質量和效率,減少單位作業面設備組成數量,降低生產成本和勞動強度。新型材料管道焊接技術的進一步發展,是管道實施高效焊接的發展趨勢。

    文章作者:不銹鋼管|304不銹鋼無縫管|316L不銹鋼厚壁管|不銹鋼小管|大口徑不銹鋼管|不銹鋼換熱管

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