X80以上钢级的高强度管道半自动焊接方法

摘要

本发明涉及长输管道的焊接工艺技术领域，是一种X80以上钢级的高强度管道半自动焊接方法，包括焊接管口预处理和管道焊接操作，其特征在于管道焊接操作采用可熔化实心焊丝、脉冲电流和熔化极气体保护焊技术对管道进行全位置焊接，其焊接工艺参数如下：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为130A至170A之间，焊接电压为14V至24V之间，焊接速度为15cm/min至28cm/min之间，送丝速度为300cm/min至500cm/min之间。本发明弥补了目前X80以上钢级的高强度管道的无半自动焊接方法的空白，可以有效解决全自动焊接成本及环境要求高、手工焊接效率低的缺点，大大提高了工作效率，节约了施工成本；其相比全自动焊接可以减少一半以上的直接施工成本，相比手工焊接可以减少三分之二的焊接时间。

说明书

技术领域

本发明涉及长输管道的焊接工艺技术领域，是一种X80以上钢级的高强度管道半自动焊接方法。

背景技术

对于荒芜大陆地区的天然气运输，可行的方法则是采用管道输送，管道作为石油、天然气的一种经济、安全、不间断的长距离输送工具，提高其输送压力和性能则是提高天然气的经济性的关键。尽管随着管道钢级别的提高，钢管的单位价格也会提高，但平均至天然气的单位输送量的工程造价将大幅减少，因此，由高强度管线钢构成的输送管道则被迫切需求。

对于X80以上钢级的焊接，目前国内尚无具体工程的应用实践，而中国目前大口径长输管道常采用的主流焊接工艺－STT根焊+半自动药芯焊丝自保护焊（FCAW）的焊接工艺不能满足要求。其主要原因即为焊接电流过大（一般在220A以上），导致焊接线能量、热输入过大，使完成焊口的力学性能尤其是弯曲试验表现极差。

年，西气东输二线重大科技专项（二期）课题七专题六进行了X100高强度管线钢焊接施工新技术研究，针对新日铁的1016钢管，通过焊接性试验，焊接材料优选，初步形成5种焊接工艺，均为熔化极气保护自动焊。但由于当时全球的钢管制造厂都没有大规模制造X100高强度钢管的能力，故其焊接工艺仅停留在理论阶段。

在2013年西气东输三线（西段）第三标段的施工中，管道局进行了超过200km的0.8系数试验段的焊接，该段管线全部采用接近X90钢的钢管材质。经过管道局廊坊焊培中心的多次焊接试验，最终确定当时中国主流的STT根焊+半自动药芯焊丝的焊接工艺不能满足该段管材的焊接需要。由于半自动焊接其采用半自动药芯焊丝焊接的所有焊口的力学性能均不能满足要求。最后，经过多次试验，最终确定了该段管线全部采用全自动焊（GMAW）和手工焊（SMAW）焊接。根据最终结果，自动焊AUT检测合格率比较理想，但RT检测合格率较低，手工焊焊接不仅RT检测合格率较低，且施工效率极其低下。

综上所述，目前对于X80以上钢级的管道，可行的焊接方式仅有全自动和手工焊条焊两种。然而，由于在长输管道的实际施工中，往往存在山地、水平转角多、石方段需沟下焊接等情况。此类情况下，若采取全自动焊接，由于全自动焊接对焊接环境和空间要求高的特点，则必须对焊接作业点进行开拓修整，势必增加大量的土石方作业，造价影响高。若采取手工焊条焊，则施工效率极其低下，完全不适用于大口径的管道焊接。

发明内容

本发明提供了一种X80以上钢级的高强度管道半自动焊接方法，克服了上述现有技术之不足，其能有效解决现有高强度管道存在的全自动焊接对焊接环境和空间要求高，造价影响高，手工焊接效率低，且成品合格率低，不适用于大口径管道焊接的问题。

本发明的技术方案是通过以下措施来实现的：一种X80以上钢级的高强度管道半自动焊接方法，包括焊接管口预处理和管道焊接操作，其特征在于管道焊接操作采用可熔化实心焊丝、脉冲电流和熔化极气体保护焊技术对管道进行全位置焊接，其焊接工艺参数如下：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为130A至170A之间，焊接电压为14V至24V之间，焊接速度为15cm/min至28cm/min之间，送丝速度为300cm/min至500cm/min之间，焊丝伸出长度为8 mm至12mm之间，摆幅以焊缝金属熔敷到焊道边缘为准。

下面是对上述发明技术方案的进一步优化或/和改进：

上述焊接管口预处理可包括如下步骤：

1、坡口加工，坡口加工采用机械方法加工，坡口为不含内衬垫的外焊坡口，坡口型式为复合V型坡口，且加工的坡口端面平整、均匀、光滑；

2、管口清洁，管口清洁应采用机械方法将管口内外表面坡口两侧各25mm范围内清理至呈现金属光泽，且被焊接表面应均匀、光滑，不应有起鳞、磨损、铁锈、渣垢、油脂、油漆和影响焊接质量的其它有害物质；

3、管口组对，管口组对应采用内对口装置进行组对，且内对口装置不应在管道内表面留下刻痕、磨痕和油污；在管口组对时不应敲击管道的两端，管口组对错边量应≤2.2mm，且应沿管口圆周均匀分布。

上述复合V型坡口的具体参数可为：上坡口角度β为10°至15°之间，下坡口角度α为25°至30°之间，组对间隙为1.5mm至2.5mm之间，钝边为0.8mm至1.5mm之间，变坡口拐点距管内壁的距离为7±0.2mm，管壁厚为14.8mm。

上述管道焊接操作可包括步骤如下：

1、焊前检查，具体为检查设备、指示仪表、开关、电源极性等各旋钮开关是否到位，线路是否接好，输气管接头是否上紧，焊枪连接口是否松动，导电嘴是否拧紧，调试设备，保证焊接电路正常，检查气瓶、各个气体压力表及进气管，保证气路畅通和气体压力稳定；

2、焊前管道坡口预热，具体为在焊接前采用感应加热或电加热或火焰加热的方法将管道坡口预热至100℃至150℃之间，预热宽度以不小于管道坡口两侧各50mm范围内为宜，且保证预热温度均匀；

3、依次进行根焊层焊接、热焊层焊接、填充层焊接和盖面层焊接，且在焊接过程中应保持层间温度为80℃至150℃之间，其中，当层间温度高于150℃时，应等待温度冷却至150℃以下，当层间温度低于80℃时，采用感应加热或电加热或火焰加热的方法进行加热处理使温度高于80℃以上。

上述根焊层焊接的焊接工艺参数可为：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为140A至170A之间，焊接电压为14V至18V之间，焊接速度为17cm/min至28cm/min之间，送丝速度为300 cm/min至500cm/min之间，焊丝伸出长度为8 mm至12mm之间，摆幅以焊缝金属熔敷到焊道边缘为准。

上述热焊层焊接、填充层焊接和盖面层焊接可采用相同的焊接工艺参数，具体如下：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为130A至160A之间，焊接电压为17V至24V之间，焊接速度为15cm/min至25cm/min之间，送丝速度为350 cm/min至500cm/min之间，焊丝伸出长度为8 mm至12mm之间，摆幅以焊缝金属熔敷到焊道边缘为准。

上述管道焊接操作可采用的焊接设备为方波脉冲弧焊设备丝。

上述熔化极气体保护焊技术中的保护气体可采用混合气体，该混合气体配比由80% 氩气和20%二氧化碳气组成，其气体纯度分别为：氩气≥99.99%、二氧化碳气≥99.95%，混合气体的输出流量18 L/min至25L/min。

本发明弥补了目前X80以上钢级的高强度管道的无半自动焊接方法的空白，可以有效解决全自动焊接成本及环境要求高、手工焊接效率低的缺点，大大提高了工作效率，节约了施工成本；其相比全自动焊接可以减少一半以上的直接施工成本，相比手工焊接可以减少三分之二的焊接时间。采用本发明实现了管道全位置、全壁厚的半自动焊接，节省了大口径高强管道所需全自动焊接设备的高昂购置费用。采用本发明进行焊接时，每层焊道所熔敷的焊缝金属量要小于药芯焊丝电弧焊FCAW和手工电弧焊SMAW，即所谓的“焊层薄、焊层多”。但对焊道而言，由于后道焊层焊接时对前道焊层有类似热处理的作用，因此焊层薄对焊口的力学性能是有利的。采用本发明无焊渣，操作人员能够很容易地观察电弧和熔池的情况，从而改善控制。同时由于没有焊渣，焊缝的每层焊接完的层间清理工作大大减少，实现了焊接施工安全、清洁、连续性好、效率高的目的。

附图说明

附图1为本发明中单边管道坡口为复合V型坡口的主视剖视结构示意图。

附图2为本发明中管道坡口组对形成的复合V型坡口的剖视结构示意图。

附图3为本发明管道焊接的焊缝焊接层数的主视剖视结构示意图。

附图中的编码分别为：1为根焊层，2为热焊层，3为填充层，4为盖面层，ɑ为下坡口角度，β为上坡口角度，H为变坡口拐点距内壁的高度，δ为管壁厚，p为钝边，b为组对间隙，h为焊缝表面余高，W 为盖面焊缝宽度。

具体实施方式

本发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。

在本发明中，为了便于描述，各部件的相对位置关系的描述均是根据说明书附图1的布图方式来进行描述的，如：前、后、上、下、左、右等的位置关系是依据说明书附图的布图方向来确定的。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述：

如附图1、2、3所示，该X80以上钢级的高强度管道半自动焊接方法包括焊接管口预处理和管道焊接操作，其特征在于管道焊接操作采用可熔化实心焊丝、脉冲电流和熔化极气体保护焊技术对管道进行全位置焊接，其焊接工艺参数如下：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为130A至170A之间，焊接电压为14V至24V之间，焊接速度为15cm/min至28cm/min之间，送丝速度为300cm/min至500cm/min之间，焊丝伸出长度为8 mm至12mm之间，摆幅以焊缝金属熔敷到焊道边缘为准。由此可实现长输管道的全壁厚、全位置焊接，在焊接过程中，电弧熔化焊丝和母材形成的熔池及焊接区域在惰性气体或活性气体的保护下，可以有效地阻止周围环境空气的有害作用。管道下向焊是从管道上顶部引弧，自上而下进行全位置焊接的操作技术，该方法焊接速度快，焊缝形成美观，焊接质量好，可以节省焊接材料，降低工人劳动强度；采用半自动下向焊工艺，既可克服手工焊存在的焊接效率低、成品合格率低、不适用于大口径管道焊接的问题，也可克服全自动焊接存在的对环境和空间要求高、需要对焊接作业点进行开拓修整、造价高的问题，具有焊接效率高、成品合格率高、对环境和空间要求低、能适用于工况复杂环境下的大口径管道焊接、且造价低的特点。

可根据实际需要，对上述X80以上钢级的高强度管道半自动焊接方法作进一步优化或/和改进：

如附图1、2、3所示，焊接管口预处理包括如下步骤：

1、坡口加工，坡口加工采用机械方法加工，坡口为不含内衬垫的外焊坡口，坡口型式为复合V型坡口，且加工的坡口端面平整、均匀、光滑；

2、管口清洁，管口清洁应采用机械方法将管口内外表面坡口两侧各25mm范围内清理至呈现金属光泽，且被焊接表面应均匀、光滑，不应有起鳞、磨损、铁锈、渣垢、油脂、油漆和影响焊接质量的其它有害物质；

3、管口组对，管口组对应采用内对口装置进行组对，且内对口装置不应在管道内表面留下刻痕、磨痕和油污；在管口组对时不应敲击管道的两端，管口组对错边量应≤2.2mm，且应沿管口圆周均匀分布。由此可确保后续焊接过程的顺利进行。

如附图1、2、3所示，复合V型坡口的具体参数为：上坡口角度β为10°至15°之间，下坡口角度α为25°至30°之间，组对间隙b为1.5mm至2.5mm之间，钝边p为0.8mm至1.5mm之间，变坡口拐点距管内壁的距离H为7±0.2mm，管壁厚δ为14.8mm。根据需求，管道可选用X100钢级的管线钢，管径为￠1219×14.8mm，其中上坡口角度β和下坡口角度α均指的是单面角度。

如附图1、2、3所示，管道焊接操作包括步骤如下：

1、焊前检查，具体为检查设备、指示仪表、开关、电源极性等各旋钮开关是否到位，线路是否接好，输气管接头是否上紧，焊枪连接口是否松动，导电嘴是否拧紧，调试设备，保证焊接电路正常，检查气瓶、各个气体压力表及进气管，保证气路畅通和气体压力稳定；

2、焊前管道坡口预热，具体为在焊接前采用感应加热或电加热或火焰加热的方法将管道坡口预热至100℃至150℃之间，预热宽度以不小于管道坡口两侧各50mm范围内为宜，且保证预热温度均匀；

3、依次进行根焊层1焊接、热焊层2焊接、填充层3焊接和盖面层4焊接，且在焊接过程中应保持层间温度为80℃至150℃之间，其中，当层间温度高于150℃时，应等待温度冷却至150℃以下，当层间温度低于80℃时，采用感应加热或电加热或火焰加热的方法进行加热处理使温度高于80℃以上。在具体操作中，当操作环境差，温度下降速度快时，可将管道坡口的预热范围调整为100℃至200℃之间，从而确保根焊层1焊接、热焊层2焊接、填充层3焊接和盖面层4焊接时的层间温度能保持在80℃至150℃之间。根据需求，根焊层1焊接、热焊层2焊接、填充层3焊接和盖面层4焊接可采用流水作业，由此可无需重复调节各项参数，提高整体工程的施工效率；填充层3焊接过程中，可将填充层3分为五层结构进行焊接操作。

如附图1、2、3所示，根焊层1焊接的焊接工艺参数为：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为140A至170A之间，焊接电压为14V至18V之间，焊接速度为17cm/min至28cm/min之间，送丝速度为300 cm/min至500cm/min之间，焊丝伸出长度为8 mm至12mm之间，摆幅以焊缝金属熔敷到焊道边缘为准。

如附图1、2、3所示，热焊层2焊接、填充层3焊接和盖面层4焊接采用相同的焊接工艺参数，具体如下：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为130A至160A之间，焊接电压为17V至24V之间，焊接速度为15cm/min至25cm/min之间，送丝速度为350 cm/min至500cm/min之间，焊丝伸出长度为8 mm至12mm之间，摆幅以焊缝金属熔敷到焊道边缘为准。根焊层1焊接、热焊层2焊接、填充层3焊接和盖面层4焊接的焊接工艺参数对照表如附表1所示。

根据需求，管道焊接操作采用的焊接设备为方波脉冲弧焊设备丝。根据需求，焊接设备可选用熊谷MPS-500焊接电源与熊谷XG-93送丝机匹配，焊丝选用伯勒ER100S-G Φ1.2mm的熔化极气体保护实心焊丝。

根据需求，熔化极气体保护焊技术中的保护气体采用混合气体，该混合气体配比由80% 氩气和20%二氧化碳气组成，其气体纯度分别为：氩气≥99.99%、二氧化碳气≥99.95%，混合气体的输出流量18 L/min至25L/min。

在本发明中：气体的百分比都为体积百分比。

本实施例以X100钢级管线钢的管道焊接为例，其管径为￠1219×14.8mm，焊接步骤如下：

第一步，焊接管口预处理，具体包括如下步骤：

1、坡口加工，坡口加工采用机械方法加工，坡口为不含内衬垫的外焊坡口，坡口型式为复合V型坡口，且加工的坡口端面平整、均匀、光滑；复合V型坡口的具体参数为：上坡口角度β为10°至15°之间，下坡口角度α为25°至30°之间，组对间隙b为1.5mm至2.5mm之间，钝边p为0.8mm至1.5mm之间，变坡口拐点距管内壁的距离H为7±0.2mm，管壁厚δ为14.8mm；

2、管口清洁，管口清洁应采用机械方法将管口内外表面坡口两侧各25mm范围内清理至呈现金属光泽，且被焊接表面应均匀、光滑，不应有起鳞、磨损、铁锈、渣垢、油脂、油漆和影响焊接质量的其它有害物质；

3、管口组对，管口组对应采用内对口装置进行组对，且内对口装置不应在管道内表面留下刻痕、磨痕和油污；在管口组对时不应敲击管道的两端，管口组对错边量应≤2.2mm，且应沿管口圆周均匀分布。

第二步，管道焊接操作包括步骤如下：

1、焊前检查，具体为检查设备、指示仪表、开关、电源极性等各旋钮开关是否到位，线路是否接好，输气管接头是否上紧，焊枪连接口是否松动，导电嘴是否拧紧，调试设备，保证焊接电路正常，检查气瓶、各个气体压力表及进气管，保证气路畅通和气体压力稳定；

2、焊前管道坡口预热，具体为在焊接前采用感应加热或电加热或火焰加热的方法将管道坡口预热至100℃至150℃之间，预热宽度以不小于管道坡口两侧各50mm范围内为宜，且保证预热温度均匀；

3、依次进行根焊层1焊接、热焊层2焊接、填充层3焊接和盖面层4焊接，且在焊接过程中应保持层间温度为80℃至150℃之间，其中，当层间温度高于150℃时，应等待温度冷却至150℃以下，当层间温度低于80℃时，采用感应加热或电加热或火焰加热的方法进行加热处理使温度高于80℃以上；焊接设备可选用熊谷MPS-500焊接电源与熊谷XG-93送丝机匹配，焊丝选用伯勒ER100S-G Φ1.2mm的熔化极气体保护实心焊丝；熔化极气体保护焊技术中的保护气体采用混合气体，该混合气体配比由80% 氩气和20%二氧化碳气组成，其气体纯度分别为：氩气≥99.99%、二氧化碳气≥99.95%，混合气体的输出流量18 L/min至25L/min；其中，根焊层1焊接的焊接工艺参数为：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为140A至170A之间，焊接电压为14V至18V之间，焊接速度为17cm/min至28cm/min之间，送丝速度为300 cm/min至500cm/min之间，焊丝伸出长度为8 mm至12mm之间，摆幅以焊缝金属熔敷到焊道边缘为准；热焊层2焊接、填充层3焊接和盖面层4焊接采用相同的焊接工艺参数，具体如下：采用半自动下向焊工艺，焊接电流为130A至160A之间，焊接电压为17V至24V之间，焊接速度为15cm/min至25cm/min之间，送丝速度为350 cm/min至500cm/min之间，焊丝伸出长度为8 mm至12mm之间，摆幅以焊缝金属熔敷到焊道边缘为准。根焊层1焊接、热焊层2焊接、填充层3焊接和盖面层4焊接的焊接工艺参数对照表如附表1所示。

由此可完成对X100钢级管线钢的管道的焊接操作，在操作完成后按照目前最近似标准Q/SY GJX 0210-2012《西气东输三线管道工程线路焊接技术规范》要求，对管道的焊接接头进行检验，其检验项目包括外观检查、RT检测和力学性能试验。

检查结果表明：焊缝外观成形均匀一致，焊缝及其附近表面上未出现裂纹、未熔合、气孔、夹渣、凹陷等缺陷；盖面焊缝宽度W比外表面坡口宽度每侧增加0.5mm～2.0mm之间，错边量≤1/8δ，焊缝表面余高h在0mm～2mm之间，咬边深度在0.2mm～0.5mm之间；外观检查合格后，进行RT检测，符合《西气东输三线管道工程无损检测》射线标准的要求；RT检测合格后，再进行力学性能试验，其拉伸试验、刻槽锤断试验、弯曲试验、低温冲击试验、宏观金相、硬度试验等均符合Q/SY GJX 0210-2012标准及匹配X100钢母材强度的要求。

综上所述，本发明可广泛应用于X80以上钢级的高强度管道流水焊接作业，其有益效果如下：

1、本发明弥补了目前X80以上钢级的高强度管道的无半自动焊接方法的空白，可以有效解决全自动焊接成本及环境要求高、手工焊接效率低的缺点，大大提高了工作效率，节约了施工成本。其相比全自动焊接可以减少一半以上的直接施工成本，相比手工焊接可以减少三分之二的焊接时间。

、采用本发明实现了管道全位置、全壁厚的半自动焊接，节省了大口径高强管道所需全自动焊接设备的高昂购置费用。

、采用本发明进行焊接时，每层焊道所熔敷的焊缝金属量要小于药芯焊丝电弧焊FCAW和手工电弧焊SMAW，即所谓的“焊层薄、焊层多”。但对焊道而言，由于后道焊层焊接时对前道焊层有类似热处理的作用，因此焊层薄对焊口的力学性能是有利的。

、采用本发明无焊渣，操作人员能够很容易地观察电弧和熔池的情况，从而改善控制。同时由于没有焊渣，焊缝的每层焊接完的层间清理工作大大减少，实现了焊接施工安全、清洁、连续性好、效率高的目的。

以上技术特征构成了本发明的最佳实施例，其具有较强的适应性和最佳实施效果，可根据实际需要增减非必要的技术特征，来满足不同情况的需求。