站內搜索:
            美德鋼管
            鋼管知識 您現在的位置:首頁 > 鋼管知識> 信息列表

            埋弧焊鋼管焊縫余高的控制

            閱讀次數[] 發布時間:2014-4-6 13:45:48

             

            摘要:主要闡述了控制輸送用鋼管埋弧焊內、外焊縫余高的重要性。焊縫的余高大,則焊縫的應力集中系數大,容易形成應力腐蝕裂紋。外焊縫余高大,不利于防腐;內焊縫余高大,將會增加輸送介質的能源損失等。重點介紹了螺旋埋弧焊管內焊縫易出現的“馬鞍形”問題。“馬鞍形”內焊縫在焊趾處的應力相當大,這對用于輸送腐蝕性介質的鋼管是最有害的。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。結合生產實際,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),對其焊接質量的評價,首先是看內、外焊縫的余高及其形狀控制得好不好,焊縫流線是否規整等。焊縫余高大且不是圓滑過渡(即轉角半徑小),則焊縫焊趾部位的應力集中系數大,對抗SCC不利。此外,外焊縫的余高大,會給管子的防腐作業增加難度,成本增高;內焊的余高大,則對管道輸送介質的摩擦阻力大,管輸耗能也就大。因此,在生產埋弧焊管時,必須控制內、外焊縫的余高。API 5L標準中規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定,見表1。
            1 焊縫余高大的負面影響
            1.1焊趾處易形成應力腐蝕裂紋(SCC)
                 對接接頭的應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,其焊趾處的應力最大。應力集中系數的大小取決于焊縫余高h、焊趾處夾角θ和轉角半徑r。焊縫余高h增加,則θ角增加,r值減小,會使應力集中系數增大。從圖1還可得出埋弧焊管對接接頭幾何尺寸與應力集中系數KT的關系式為:
            KT=σmax/σ0焊縫的余高愈大,應力集中程度愈嚴重,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,減少應力集中,有時反而可以提高焊接接頭的強度。
                 焊縫的轉角半徑愈小,應力集中的程度則愈大;反之,應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角半徑,則焊趾處的應力就大,以致焊管在服役過程尤其是在腐蝕介質中,如H2S水溶液、海水、海洋大氣等,易在焊趾處產生應力腐蝕裂紋。
                焊管在成型和焊接過程中不可避免地會產生殘余應力,因此管坯在成型、焊接后要消除殘余應力。擴徑可消除殘余應力,但是殘余應力很難完全消除,焊趾處的殘余應力也就不可能消除。為了預防在焊趾處產生應力腐蝕裂紋,這就需要控制好成型、焊接時的殘余應力,尤其是焊趾處的殘余應力。
                國外油氣輸送鋼管生產廠家對焊管殘余應力都有內控標準。例如,日本NKK公司規定,UOE焊管內表面的殘余壓應力σr∧100 MPa;日本住友金屬公司規定,UOE焊管內表面不允許存在殘余拉應力,即σr∧0;加拿大Welland公司規定每班檢查環切試樣的張開位移量ΔL,要求ΔL∧20 mm[2]。
                在螺旋焊管的生產中,內焊縫往往出現“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力集中度相當大。筆者在工作期間發現,已服役多年的螺旋焊管內焊縫的兩邊焊趾處腐蝕出很深的溝槽。因此,必須避免出現這種“馬鞍形”焊縫,否則就會嚴重影響輸送管道的服役年限。“馬鞍形”焊縫的產生,主要是由于內焊縫焊頭的位置處于下坡焊位置,焊速越大越嚴重。據文獻[3]介紹,國外螺旋焊管的內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],可減少或預防“馬鞍形”焊縫的產生。L的調整還應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。國內螺旋焊管的內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,必然會造成內焊焊縫呈“馬鞍形”,且焊速愈大愈嚴重。要改變這種狀態,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
                作業時如采用環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加厚,因標準規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“魚脊背形”的外焊縫,這就更難保證防腐的質量。因此,調整好焊頭的空間位置和焊接規范,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力就大,焊縫2側就易出現“小直邊”現象。但經驗證明,當外焊縫的余高控制在2 mm左右時,水壓擴徑時不會出現“小直邊”現象,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力也小。只要這種剪應力在彈性變形范圍內,卸載后產生回彈,管子就會恢復原狀。
            1.4 內焊縫余高大增加輸送介質的能源損失
                輸送用埋弧焊管內表面若未做涂層防腐處理時,其內焊縫的余高大,則對輸送介質的摩擦阻力也大,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 壁厚較大的鋼管應開坡口
               對于壁厚大于14.3 mm的鋼管,應開X形坡口并預焊。如預焊條件不成熟,則應在內焊后用氣刨清根,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。對重合量的規定一般是大于1.5 mm,但筆者認為內外焊縫的重合量以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,單位時間內熔化的焊絲必然增加。對于高強鋼,焊接的線能量更應嚴格控制。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),且應使焊縫的形狀系數在1.3~2.0 mm內。
            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,應采用Ф4 mm的前絲,否則就可能影響到電弧的穩定燃燒。
            2.4 螺旋焊必須調整好內外焊頭的位置
                 螺旋埋弧焊管在內焊時應調整好內焊頭的位置,盡量減少或消除“馬鞍形”內焊縫(圖2);在外焊時,也應調整焊頭的空間位置,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整來實現。不同口徑的螺旋焊管,其外焊焊點的偏中心值是不同的。根據試驗結果,采用雙絲焊的外焊,其焊點偏中心值可按表2設定。
            3 結語
            (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角半徑要大,否則在焊縫應力集中部位的焊趾處就會產生應力腐蝕裂紋。埋弧焊縫的余高控制在2.5 mm以下較為合適。
            (2)螺旋埋弧焊管在內焊時,要精心調整好內外焊縫的空間位置,使其內焊縫盡量減少和避免出現“馬鞍形”,外焊縫不出現“魚脊背形”。建議在制定輸送用螺旋焊管標準時,對內焊縫的“馬鞍形”應有相應的規定。
            關鍵字:
              產品分類: 大口徑 結構 厚壁 管線 油管 套管