厚壁管的高效焊接技術(shù)

宋　標(biāo)

(上海江南船舶管業(yè)有限公司， 上海 201302)

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厚壁管的高效焊接技術(shù)

宋標(biāo)

(上海江南船舶管業(yè)有限公司， 上海 201302)

摘要管道焊接是船舶建造的一項(xiàng)重要焊接工作。近年來，隨著我國(guó)船舶工業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，管道施工作業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，開展管道施工高效焊接的技術(shù)研究，降低成本，提高焊接質(zhì)量具有十分重要的意義。該文主要講述了對(duì)厚壁管制造和焊接的優(yōu)化措施和先進(jìn)理念。將管子制造和焊接相結(jié)合，采用先進(jìn)的制造工藝和合理的焊接技術(shù)，降低了生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了焊接生產(chǎn)效率，穩(wěn)定了焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞創(chuàng)新厚壁管焊接高效

0前言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的逐漸復(fù)蘇，對(duì)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(gè)企業(yè)追求的目標(biāo)。

船用厚壁管是近年來高附加值、高技術(shù)船舶的必用船管。管壁厚度大都在20 m以上，而且都需100%的X拍片檢驗(yàn)，以往我們都采用傳統(tǒng)制作工藝的方式來校管和焊接，雖然也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)的厚壁管制造任務(wù)，工作量大且周期短，如果按照傳統(tǒng)的制造工藝，肯定無法按時(shí)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(chǎn)品的制造和焊接任務(wù)。

1厚壁管傳統(tǒng)制作焊接工藝的弊端

1.1勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低

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

圖1　完整管示意圖

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

圖2　管子對(duì)接焊焊接順序示意圖

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

1.2反面焊縫質(zhì)量難以保證

按照傳統(tǒng)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(shí)，坡口由于在合理范圍內(nèi)錯(cuò)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(huì)在焊縫中產(chǎn)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(duì)靠里面焊縫死角處的缺陷難以被發(fā)現(xiàn)，由于不能及時(shí)進(jìn)行清理和返修，直接影響了焊縫質(zhì)量。

1.3X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(gè)熟練的焊工把它全部焊完也須30 h左右。就算兩個(gè)焊工同時(shí)施焊，平均一個(gè)焊工也須兩個(gè)工作日。在這樣長(zhǎng)期高強(qiáng)度、高壓力的工作狀態(tài)之下，誰能保證每層焊縫的焊接質(zhì)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(zhì)量難以保證，如經(jīng)X拍片檢驗(yàn)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(yàn)。工序繁瑣，返修難度高，局部修補(bǔ)焊接應(yīng)力極大也是極其令人擔(dān)心的問題。

1.4焊后管道易產(chǎn)生裂紋和變形，安裝困難，焊后工藝復(fù)雜

由于焊接過程中要進(jìn)行清渣打磨等處理，焊縫整體不能連續(xù)施焊，焊縫應(yīng)力增大，管道容易產(chǎn)生裂紋、變形和收縮。特別是厚壁管，由于管道壁厚較大，結(jié)構(gòu)剛性也較大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。在焊接殘余應(yīng)力和擴(kuò)散氫的共同作用下，焊接接頭易產(chǎn)生冷裂紋，因此焊后還需經(jīng)過熱處理來降低焊縫殘余應(yīng)力。由于不能整體連續(xù)施焊，管壁厚，焊道多，特別是每焊1/2道焊縫要進(jìn)行打磨，打磨過程相當(dāng)于對(duì)焊縫進(jìn)行冷卻。因此焊縫剛性也極大，焊縫殘余應(yīng)力也相應(yīng)增大，管道就容易產(chǎn)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(jìn)行火工矯正來抵消原先產(chǎn)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(fèi)時(shí)費(fèi)力，還難以保證焊縫質(zhì)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(shí)間能縮短5倍左右，焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度也顯著降低，且焊縫質(zhì)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。

圖3　管道分段裝配示意圖

逐段進(jìn)行裝配和焊接，而且使每條焊縫都能處于平對(duì)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(jī)(以下簡(jiǎn)稱變位機(jī))中進(jìn)行焊接，如圖4所示。

圖4　分段管焊接示意圖①

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(zhǎng)，就可以直接將中間管道放置變位機(jī)中，如圖5所示。

圖5　分段管焊接示意圖②

如果中間管段長(zhǎng)度不夠放置變位機(jī)中，可以另外加一段1 m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(jī)中，如圖6所示。

圖6　分段管焊接示意圖③

等三段管子四條焊縫焊接完畢，經(jīng)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，管道運(yùn)行至下坡段時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的向下跳躍運(yùn)行現(xiàn)象，直接影響焊縫質(zhì)量。為了使管道在變位機(jī)中能夠平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，我們?cè)谀腹芄艿赖膶?duì)稱面搭焊了相同質(zhì)量的物體，如圖7所示。

圖7　完整管最后一道焊縫焊接示意圖

2.2厚壁管先進(jìn)的焊接技術(shù)

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。

表1　焊接規(guī)范表

打底前將焊道進(jìn)行預(yù)熱，有利于氬弧焊焊接，可降低焊縫殘余應(yīng)力，減少根部淬硬傾向，預(yù)熱溫度為100°C左右，預(yù)熱寬度從對(duì)口中心開始，每側(cè)不小于焊件厚度的三倍且不小于100 mm。由于管壁較厚，拘束度大，為防止焊縫根部產(chǎn)生裂紋，打底焊厚度應(yīng)不小于3 mm。打底焊結(jié)束并檢查焊縫無缺陷后，應(yīng)立即進(jìn)行填充，填充蓋面都采用CO2藥芯焊絲進(jìn)行焊接。

第一層、第二層填充焊時(shí)，采用傳統(tǒng)的焊接方式，焊至整圈焊縫的三分之一處應(yīng)停止焊接，進(jìn)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(duì)狹窄，焊接電流應(yīng)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(zhì)量。填充焊的第三層開始，我們就可以采用連續(xù)焊，即一個(gè)熟練的焊工搭配一個(gè)小工，焊工在焊接的同時(shí)小工在對(duì)面及時(shí)地進(jìn)行清渣處理，如圖8所示。

圖8　連續(xù)焊示意圖

中間不停頓，沒有焊接接頭，不用打磨修補(bǔ)。

由于管壁厚，坡口較寬，連續(xù)施焊時(shí)線能量容易超出評(píng)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(shí)，應(yīng)停止焊接，焊工也正好得以休息，但應(yīng)時(shí)刻注意焊縫層間的溫度，當(dāng)焊縫層間溫度降至200℃時(shí)，開始重新施焊，直至填充焊結(jié)束。休息片刻后進(jìn)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(jī)平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，噴嘴應(yīng)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 。

圖9　焊接角度示意圖

噴嘴與焊縫之間的距離保持在10 mm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(yīng)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(chǎn)生未熔合夾渣，焊縫質(zhì)量得以保證。由于管道短、焊縫少，且是滾動(dòng)焊接，因此管道除了在長(zhǎng)度上縮短而不產(chǎn)生任何角變形，這對(duì)管系來說十分重要。因?yàn)闆]有了角變形，焊后殘余應(yīng)力相應(yīng)減少，也就無須進(jìn)行熱處理，只須用石棉布將焊縫包裹嚴(yán)實(shí)，保溫緩冷即可。

3采用新型技術(shù)后的實(shí)施結(jié)果

3.1降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率

由于進(jìn)行分段裝配與施焊，我們每條焊縫都可以采用平對(duì)接的方式來焊接。管道也根本不用翻動(dòng)，且焊接過程中無須考慮清渣和清根打磨，可以連續(xù)施焊，而恰恰是清渣和清根打磨占據(jù)了拍片焊中大部分時(shí)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(jié)束，只需要1 h左右，比傳統(tǒng)的焊接速度整整提高了5倍左右。且裝配時(shí)間也根本沒有增加，只不過分兩個(gè)時(shí)段進(jìn)行而已。在減輕焊工勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)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(fā)現(xiàn)焊縫缺陷及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)和打磨，直到焊縫完好為止，打底焊縫的質(zhì)量得以保證。

3.3X拍片合格率高

由于采用了方便、簡(jiǎn)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(duì)平穩(wěn)，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(zhì)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(dá)到100%。

3.4焊后變形小，易安裝

由于實(shí)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(yīng)力也基本釋放完畢，管道形狀趨于平穩(wěn)。再進(jìn)行總裝焊接，焊接時(shí)整根管道的熱量相對(duì)減小，剛性也減小，焊縫殘余應(yīng)力也隨之降低，管道就不易產(chǎn)生變形和收縮，尺寸可精確到1 mm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(tǒng)方式來焊接，焊接難度極高，一般焊工難以完成此產(chǎn)品的焊接任務(wù)，最起碼由一個(gè)高級(jí)工或高級(jí)工以上的焊工才能高質(zhì)量完成。而運(yùn)用創(chuàng)新的焊接方法來焊接此產(chǎn)品，由于采用了平對(duì)接的焊接方式，只要對(duì)一個(gè)初級(jí)焊工進(jìn)行3～5天的培訓(xùn)，讓焊工掌握正確的焊接方法和焊接角度，能準(zhǔn)確地調(diào)試焊接電流與電壓，就能出色地完成此產(chǎn)品的焊接。在降低了焊接難度的同時(shí)也降低了單位用工成本。

4結(jié)束語

高效焊接方法不僅是現(xiàn)代船舶制造的主要工藝之一，而且對(duì)于船舶行業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。隨著管道焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，施工單位希望大幅度提高大口徑厚壁鋼管焊接施工質(zhì)量和效率，減少單位作業(yè)面設(shè)備組成數(shù)量，降低生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。新型材料管道焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，是管道實(shí)施高效焊接的發(fā)展趨勢(shì)。

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36.6 m金槍魚漁船在冷凍機(jī)艙內(nèi)設(shè)不銹鋼糞便收集柜1個(gè)，容量為0.4 m3，用于在港內(nèi)收集糞便污水。管路采用不銹鋼無縫管，糞便柜底部設(shè)出口，出口連接粉碎泵，當(dāng)船?？看a頭時(shí)，通過粉碎泵可以將糞便排到岸上的接受裝置；當(dāng)船航行到公海時(shí)，通過粉碎泵可以將糞便粉碎然后排出舷外。船艉部衛(wèi)生間在港口停泊時(shí)停止使用。

4結(jié)語

近年來，世界金槍魚漁船發(fā)展迅速，延繩釣捕撈作業(yè)不斷發(fā)展。通過對(duì)船舶海洋防污染進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合36.6 m延繩釣金槍魚漁船實(shí)船管系設(shè)計(jì)，為我國(guó)金槍漁船玻璃鋼化提供一定的參考。

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The High-efficiency Welding Technology of Thick-wall Pipe

SONG Biao

(Shanghai Jiangnan Shipbuilding Pipesystem Co., Ltd., Shanghai 201302, China)

AbstractPipe welding is one of the important shipbuilding welding work. In recent years, with the rapid development of shipping industry in our country, amid intensifying competition, and increasing competition among pipeline work, to carry out technical research of the highly efficiency of pipeline welding, reduce costs and improve welding quality have very vital significance. (The thick-wall pipe of A106 material is used for high value-added marine ship pipeline of high pressure water.)This article mainly tells the story of the optimization of thick wall tube manufacturing and welding measures and advanced ideas. Combining the pipe manufacturing and welding, the use of advanced manufacturing technology and reasonable welding technique and method can reduce the production cost and labor intensity and improve the productivity and stability of the welding quality of welding.

KeywordsInnovationWelding technology of thick-wall pipeEfficient

中圖分類號(hào)U671

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

作者簡(jiǎn)介：宋標(biāo)(1971-)，男，焊接技師，大口徑作業(yè)部副部長(zhǎng)。