摘要:主要闡述了控制輸送用鋼管埋弧焊內(nèi)、外焊縫余高的重要性。焊縫的余高大,則焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)大,容易形成應(yīng)力腐蝕裂紋。外焊縫余高大,不利于防腐;內(nèi)焊縫余高大,將會增加輸送介質(zhì)的能源損失等。重點介紹了螺旋埋弧焊管內(nèi)焊縫易出現(xiàn)的“馬鞍形”問題。“馬鞍形”內(nèi)焊縫在焊趾處的應(yīng)力相當大,這對用于輸送腐蝕性介質(zhì)的鋼管是最有害的。為了延長鋼管的服役年限,必須對焊縫余高進行有效的控制。結(jié)合生產(chǎn)實際,提出了輸送用鋼管埋弧焊焊縫余高的控制措施。

0 前言無論是直縫埋弧焊管(LSAW)還是螺旋縫埋弧焊管(SSAW),對其焊接質(zhì)量的評價,首先是看內(nèi)、外焊縫的余高及其形狀控制得好不好,焊縫流線是否規(guī)整等。焊縫余高大且不是圓滑過渡(即轉(zhuǎn)角半徑小),則焊縫焊趾部位的應(yīng)力集中系數(shù)大,對抗SCC不利。此外,外焊縫的余高大,會給管子的防腐作業(yè)增加難度,成本增高;內(nèi)焊的余高大,則對管道輸送介質(zhì)的摩擦阻力大,管輸耗能也就大。因此,在生產(chǎn)埋弧焊管時,必須控制內(nèi)、外焊縫的余高。API 5L標準中規(guī)定的焊縫余高只是最低標準,而油氣輸送管線和海洋用管均將焊縫余高控制在2.5 mm以下。

??? 輸送用埋弧焊管的焊縫最大余高,在多個標準中都作了規(guī)定,見表1。

1 焊縫余高大的負面影響

1.1焊趾處易形成應(yīng)力腐蝕裂紋(SCC)

???? 對接接頭的應(yīng)力集中主要是焊縫余高引起的。埋弧焊管對接接頭中的工作應(yīng)力分布如圖1所示[1]。

?? 從圖1看出,對接接頭的焊縫,其焊趾處的應(yīng)力最大。應(yīng)力集中系數(shù)的大小取決于焊縫余高h、焊趾處夾角θ和轉(zhuǎn)角半徑r。焊縫余高h增加,則θ角增加,r值減小,會使應(yīng)力集中系數(shù)增大。從圖1還可得出埋弧焊管對接接頭幾何尺寸與應(yīng)力集中系數(shù)KT的關(guān)系式為:

KT=σmax/σ0焊縫的余高愈大,應(yīng)力集中程度愈嚴重,焊接接頭的強度反而會降低。焊后削平余高,只要不低于母材,減少應(yīng)力集中,有時反而可以提高焊接接頭的強度。

???? 焊縫的轉(zhuǎn)角半徑愈小,應(yīng)力集中的程度則愈大;反之,應(yīng)力集中的程度則愈小。因此,對埋弧焊縫的要求:一是余高要小;二是焊縫要圓滑過渡,使轉(zhuǎn)角半徑r值增大。

?? 埋弧焊管的焊縫均為對接接頭的焊縫,如果不控制好焊縫余高和轉(zhuǎn)角半徑,則焊趾處的應(yīng)力就大,以致焊管在服役過程尤其是在腐蝕介質(zhì)中,如H2S水溶液、海水、海洋大氣等,易在焊趾處產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。

??? 焊管在成型和焊接過程中不可避免地會產(chǎn)生殘余應(yīng)力,因此管坯在成型、焊接后要消除殘余應(yīng)力。擴徑可消除殘余應(yīng)力,但是殘余應(yīng)力很難完全消除,焊趾處的殘余應(yīng)力也就不可能消除。為了預(yù)防在焊趾處產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋,這就需要控制好成型、焊接時的殘余應(yīng)力,尤其是焊趾處的殘余應(yīng)力。

??? 國外油氣輸送鋼管生產(chǎn)廠家對焊管殘余應(yīng)力都有內(nèi)控標準。例如,日本NKK公司規(guī)定,UOE焊管內(nèi)表面的殘余壓應(yīng)力σr∧100 MPa;日本住友金屬公司規(guī)定,UOE焊管內(nèi)表面不允許存在殘余拉應(yīng)力,即σr∧0;加拿大Welland公司規(guī)定每班檢查環(huán)切試樣的張開位移量ΔL,要求ΔL∧20 mm[2]。

????在螺旋焊管的生產(chǎn)中,內(nèi)焊縫往往出現(xiàn)“馬鞍形”,即焊縫中間低,兩邊高,焊縫和母材基本上成直角,更談不上圓滑過渡了,這種焊縫在焊趾處的應(yīng)力集中度相當大。筆者在工作期間發(fā)現(xiàn),已服役多年的螺旋焊管內(nèi)焊縫的兩邊焊趾處腐蝕出很深的溝槽。因此,必須避免出現(xiàn)這種“馬鞍形”焊縫,否則就會嚴重影響輸送管道的服役年限?！榜R鞍形”焊縫的產(chǎn)生,主要是由于內(nèi)焊縫焊頭的位置處于下坡焊位置,焊速越大越嚴重。據(jù)文獻[3]介紹,國外螺旋焊管的內(nèi)焊焊頭處在上坡焊的位置,如圖2所示。焊縫的形狀隨著前絲的偏中心位置L和前絲與后絲之間的間隙I的變化而改變,當L的取值范圍為0～20 mm,I的取值范圍為14～18 mm時可獲得良好的焊縫形狀[3],可減少或預(yù)防“馬鞍形”焊縫的產(chǎn)生。L的調(diào)整還應(yīng)隨焊速的變化而改變。

???? 除焊頭位置外,焊劑也是影響焊縫形狀的一個重要因素。國內(nèi)螺旋焊管的內(nèi)焊焊頭大都處在下坡焊的位置。

?? 當螺旋埋弧焊管處在邊成型邊焊接的過程中,必然會造成內(nèi)焊焊縫呈“馬鞍形”,且焊速愈大愈嚴重。要改變這種狀態(tài),就要使焊頭基本處在圖2所示的上坡焊位置。

1.2外焊縫余高大不利于防腐在防腐

??? 作業(yè)時如采用環(huán)氧樹脂玻璃布進行防腐,外焊縫余高大,將使焊趾處不易壓牢。同時,焊縫越高則防腐層就越應(yīng)加厚,因標準規(guī)定防腐層的厚度是以外焊縫的頂點為基準測算的,這就加大了防腐成本。

??? 螺旋埋弧焊時往往容易出現(xiàn)“魚脊背形”的外焊縫,這就更難保證防腐的質(zhì)量。因此,調(diào)整好焊頭的空間位置和焊接規(guī)范,減少或消除“魚脊背形”的外焊縫也是很重要的。

1.3 外焊縫余高過大對水壓擴徑后的管形有影響

??? 直縫埋弧焊管在水壓擴徑時,是通過內(nèi)腔與鋼管擴徑尺寸一致的左、右2部分外模將鋼管包住的,因此,焊縫的余高過大,在擴徑時焊縫承受的剪應(yīng)力就大,焊縫2側(cè)就易出現(xiàn)“小直邊”現(xiàn)象。但經(jīng)驗證明,當外焊縫的余高控制在2 mm左右時,水壓擴徑時不會出現(xiàn)“小直邊”現(xiàn)象,管形不會受到影響。這是因為外焊縫的余高小,焊接接頭所承受的剪應(yīng)力也小。只要這種剪應(yīng)力在彈性變形范圍內(nèi),卸載后產(chǎn)生回彈,管子就會恢復(fù)原狀。

1.4 內(nèi)焊縫余高大增加輸送介質(zhì)的能源損失

??? 輸送用埋弧焊管內(nèi)表面若未做涂層防腐處理時,其內(nèi)焊縫的余高大,則對輸送介質(zhì)的摩擦阻力也大,由此將使輸送管線的能耗增加。

2 控制焊縫余高的措施

2.1 壁厚較大的鋼管應(yīng)開坡口

???對于壁厚大于14.3 mm的鋼管,應(yīng)開X形坡口并預(yù)焊。如預(yù)焊條件不成熟,則應(yīng)在內(nèi)焊后用氣刨清根,或砂輪自動磨削清根,或銑削清根等方法,將外焊縫在未焊之前加工成U形槽再進行焊接。2.2 調(diào)整好焊接線能量

???? 檢查焊接線能量是否合適,一般用焊接接頭的酸蝕樣來檢查。一是檢查內(nèi)外焊縫的重合量的程度,二是檢查焊道腰部的寬窄。對重合量的規(guī)定一般是大于1.5 mm,但筆者認為內(nèi)外焊縫的重合量以1.3～3.0 mm較合適,若超過3.0 mm就說明線能量大了。線能量大,不僅僅是熔深大,而且焊縫余高也大,如不開坡口或U形槽,焊縫余高就更大。這是因為焊接線能量越大,單位時間內(nèi)熔化的焊絲必然增加。對于高強鋼,焊接的線能量更應(yīng)嚴格控制。焊接高強度鋼板時,為了降低每層的線能量,一般采用多道焊(2道以上),且應(yīng)使焊縫的形狀系數(shù)在1.3～2.0 mm內(nèi)。

2.3 多絲焊時宜采用較細的前絲

??? 采取多絲焊時,如原外焊三絲直徑的匹配是4mm+3.2 mm+3.2 mm(DC-AC-AC),則前絲改為Ф3.2 mm較好。因為在采用相同電流的情況下,使用Ф3.2 mm的焊絲比使用Ф4 mm的焊絲熔深大。也就是說,前絲采用Ф3.2 mm的焊絲,即便降低一些線能量,也可以達到采用Ф4 mm時同樣的熔深效果,這是因細絲比粗絲的電流密度大所致。經(jīng)驗證明,在其他條件不變的情況下,采用Ф3.2 mm的前絲要比Ф4 mm的前絲熔深大20%左右。這在外焊不開坡口或不刨凹槽時所減少的外焊縫余高效果更明顯。

???? 但是,當焊接壁厚大于14.3 mm的鋼管而需要前絲電流在1 000 A左右時,應(yīng)采用Ф4 mm的前絲,否則就可能影響到電弧的穩(wěn)定燃燒。

2.4 螺旋焊必須調(diào)整好內(nèi)外焊頭的位置

???? 螺旋埋弧焊管在內(nèi)焊時應(yīng)調(diào)整好內(nèi)焊頭的位置,盡量減少或消除“馬鞍形”內(nèi)焊縫(圖2);在外焊時,也應(yīng)調(diào)整焊頭的空間位置,盡量減少或消除“魚脊背形”的外焊縫,這主要是靠對外焊焊點的偏中心值調(diào)整來實現(xiàn)。不同口徑的螺旋焊管,其外焊焊點的偏中心值是不同的。根據(jù)試驗結(jié)果,采用雙絲焊的外焊,其焊點偏中心值可按表2設(shè)定。

3 結(jié)語

(1)對于埋弧焊管的對接焊縫,一是余高要小,二是要使焊縫圓滑過渡以及焊縫的轉(zhuǎn)角半徑要大,否則在焊縫應(yīng)力集中部位的焊趾處就會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。埋弧焊縫的余高控制在2.5 mm以下較為合適。

(2)螺旋埋弧焊管在內(nèi)焊時,要精心調(diào)整好內(nèi)外焊縫的空間位置,使其內(nèi)焊縫盡量減少和避免出現(xiàn)“馬鞍形”,外焊縫不出現(xiàn)“魚脊背形”。建議在制定輸送用螺旋焊管標準時,對內(nèi)焊縫的“馬鞍形”應(yīng)有相應(yīng)的規(guī)定。