埋弧焊钢管焊缝余高的控制
阅读次数[] 发布时间:2014-4-6 13:45:48
摘要:主要阐述了控制输送用钢管埋弧焊内、外焊缝余高的重要性。焊缝的余高大,则焊缝的应力集中系数大,容易形成应力腐蚀裂纹。外焊缝余高大,不利于防腐;内焊缝余高大,将会增加输送介质的能源损失等。重点介绍了螺旋埋弧焊管内焊缝易出现的“马鞍形”问题。“马鞍形”内焊缝在焊趾处的应力相当大,这对用于输送腐蚀性介质的钢管是最有害的。为了延长钢管的服役年限,必须对焊缝余高进行有效的控制。结合生产实际,提出了输送用钢管埋弧焊焊缝余高的控制措施。
0 前言无论是直缝埋弧焊管(LSAW)还是螺旋缝埋弧焊管(SSAW),对其焊接质量的评价,首先是看内、外焊缝的余高及其形状控制得好不好,焊缝流线是否规整等。焊缝余高大且不是圆滑过渡(即转角半径小),则焊缝焊趾部位的应力集中系数大,对抗SCC不利。此外,外焊缝的余高大,会给管子的防腐作业增加难度,成本增高;内焊的余高大,则对管道输送介质的摩擦阻力大,管输耗能也就大。因此,在生产埋弧焊管时,必须控制内、外焊缝的余高。API 5L标准中规定的焊缝余高只是最低标准,而油气输送管线和海洋用管均将焊缝余高控制在2.5 mm以下。
输送用埋弧焊管的焊缝最大余高,在多个标准中都作了规定,见表1。
1 焊缝余高大的负面影响
1.1焊趾处易形成应力腐蚀裂纹(SCC)
对接接头的应力集中主要是焊缝余高引起的。埋弧焊管对接接头中的工作应力分布如图1所示[1]。
从图1看出,对接接头的焊缝,其焊趾处的应力最大。应力集中系数的大小取决于焊缝余高h、焊趾处夹角θ和转角半径r。焊缝余高h增加,则θ角增加,r值减小,会使应力集中系数增大。从图1还可得出埋弧焊管对接接头几何尺寸与应力集中系数KT的关系式为:
KT=σmax/σ0焊缝的余高愈大,应力集中程度愈严重,焊接接头的强度反而会降低。焊后削平余高,只要不低于母材,减少应力集中,有时反而可以提高焊接接头的强度。
焊缝的转角半径愈小,应力集中的程度则愈大;反之,应力集中的程度则愈小。因此,对埋弧焊缝的要求:一是余高要小;二是焊缝要圆滑过渡,使转角半径r值增大。
埋弧焊管的焊缝均为对接接头的焊缝,如果不控制好焊缝余高和转角半径,则焊趾处的应力就大,以致焊管在服役过程尤其是在腐蚀介质中,如H2S水溶液、海水、海洋大气等,易在焊趾处产生应力腐蚀裂纹。
焊管在成型和焊接过程中不可避免地会产生残余应力,因此管坯在成型、焊接后要消除残余应力。扩径可消除残余应力,但是残余应力很难完全消除,焊趾处的残余应力也就不可能消除。为了预防在焊趾处产生应力腐蚀裂纹,这就需要控制好成型、焊接时的残余应力,尤其是焊趾处的残余应力。
国外油气输送钢管生产厂家对焊管残余应力都有内控标准。例如,日本NKK公司规定,UOE焊管内表面的残余压应力σr∧100 MPa;日本住友金属公司规定,UOE焊管内表面不允许存在残余拉应力,即σr∧0;加拿大Welland公司规定每班检查环切试样的张开位移量ΔL,要求ΔL∧20 mm[2]。
在螺旋焊管的生产中,内焊缝往往出现“马鞍形”,即焊缝中间低,两边高,焊缝和母材基本上成直角,更谈不上圆滑过渡了,这种焊缝在焊趾处的应力集中度相当大。笔者在工作期间发现,已服役多年的螺旋焊管内焊缝的两边焊趾处腐蚀出很深的沟槽。因此,必须避免出现这种“马鞍形”焊缝,否则就会严重影响输送管道的服役年限。“马鞍形”焊缝的产生,主要是由于内焊缝焊头的位置处于下坡焊位置,焊速越大越严重。据文献[3]介绍,国外螺旋焊管的内焊焊头处在上坡焊的位置,如图2所示。焊缝的形状随着前丝的偏中心位置L和前丝与后丝之间的间隙I的变化而改变,当L的取值范围为0～20 mm,I的取值范围为14～18 mm时可获得良好的焊缝形状[3],可减少或预防“马鞍形”焊缝的产生。L的调整还应随焊速的变化而改变。
除焊头位置外,焊剂也是影响焊缝形状的一个重要因素。国内螺旋焊管的内焊焊头大都处在下坡焊的位置。
当螺旋埋弧焊管处在边成型边焊接的过程中,必然会造成内焊焊缝呈“马鞍形”,且焊速愈大愈严重。要改变这种状态,就要使焊头基本处在图2所示的上坡焊位置。
1.2外焊缝余高大不利于防腐在防腐
作业时如采用环氧树脂玻璃布进行防腐,外焊缝余高大,将使焊趾处不易压牢。同时,焊缝越高则防腐层就越应加厚,因标准规定防腐层的厚度是以外焊缝的顶点为基准测算的,这就加大了防腐成本。
螺旋埋弧焊时往往容易出现“鱼脊背形”的外焊缝,这就更难保证防腐的质量。因此,调整好焊头的空间位置和焊接规范,减少或消除“鱼脊背形”的外焊缝也是很重要的。
1.3 外焊缝余高过大对水压扩径后的管形有影响
直缝埋弧焊管在水压扩径时,是通过内腔与钢管扩径尺寸一致的左、右2部分外模将钢管包住的,因此,焊缝的余高过大,在扩径时焊缝承受的剪应力就大,焊缝2侧就易出现“小直边”现象。但经验证明,当外焊缝的余高控制在2 mm左右时,水压扩径时不会出现“小直边”现象,管形不会受到影响。这是因为外焊缝的余高小,焊接接头所承受的剪应力也小。只要这种剪应力在弹性变形范围内,卸载后产生回弹,管子就会恢复原状。
1.4 内焊缝余高大增加输送介质的能源损失
输送用埋弧焊管内表面若未做涂层防腐处理时,其内焊缝的余高大,则对输送介质的摩擦阻力也大,由此将使输送管线的能耗增加。
2 控制焊缝余高的措施
2.1 壁厚较大的钢管应开坡口
对于壁厚大于14.3 mm的钢管,应开X形坡口并预焊。如预焊条件不成熟,则应在内焊后用气刨清根,或砂轮自动磨削清根,或铣削清根等方法,将外焊缝在未焊之前加工成U形槽再进行焊接。2.2 调整好焊接线能量
检查焊接线能量是否合适,一般用焊接接头的酸蚀样来检查。一是检查内外焊缝的重合量的程度,二是检查焊道腰部的宽窄。对重合量的规定一般是大于1.5 mm,但笔者认为内外焊缝的重合量以1.3～3.0 mm较合适,若超过3.0 mm就说明线能量大了。线能量大,不仅仅是熔深大,而且焊缝余高也大,如不开坡口或U形槽,焊缝余高就更大。这是因为焊接线能量越大,单位时间内熔化的焊丝必然增加。对于高强钢,焊接的线能量更应严格控制。焊接高强度钢板时,为了降低每层的线能量,一般采用多道焊(2道以上),且应使焊缝的形状系数在1.3～2.0 mm内。
2.3 多丝焊时宜采用较细的前丝
采取多丝焊时,如原外焊三丝直径的匹配是4mm+3.2 mm+3.2 mm(DC-AC-AC),则前丝改为Ф3.2 mm较好。因为在采用相同电流的情况下,使用Ф3.2 mm的焊丝比使用Ф4 mm的焊丝熔深大。也就是说,前丝采用Ф3.2 mm的焊丝,即便降低一些线能量,也可以达到采用Ф4 mm时同样的熔深效果,这是因细丝比粗丝的电流密度大所致。经验证明,在其他条件不变的情况下,采用Ф3.2 mm的前丝要比Ф4 mm的前丝熔深大20%左右。这在外焊不开坡口或不刨凹槽时所减少的外焊缝余高效果更明显。
但是,当焊接壁厚大于14.3 mm的钢管而需要前丝电流在1 000 A左右时,应采用Ф4 mm的前丝,否则就可能影响到电弧的稳定燃烧。
2.4 螺旋焊必须调整好内外焊头的位置
螺旋埋弧焊管在内焊时应调整好内焊头的位置,尽量减少或消除“马鞍形”内焊缝(图2);在外焊时,也应调整焊头的空间位置,尽量减少或消除“鱼脊背形”的外焊缝,这主要是靠对外焊焊点的偏中心值调整来实现。不同口径的螺旋焊管,其外焊焊点的偏中心值是不同的。根据试验结果,采用双丝焊的外焊,其焊点偏中心值可按表2设定。
3 结语
(1)对于埋弧焊管的对接焊缝,一是余高要小,二是要使焊缝圆滑过渡以及焊缝的转角半径要大,否则在焊缝应力集中部位的焊趾处就会产生应力腐蚀裂纹。埋弧焊缝的余高控制在2.5 mm以下较为合适。
(2)螺旋埋弧焊管在内焊时,要精心调整好内外焊缝的空间位置,使其内焊缝尽量减少和避免出现“马鞍形”,外焊缝不出现“鱼脊背形”。建议在制定输送用螺旋焊管标准时,对内焊缝的“马鞍形”应有相应的规定。
