STT根焊技术在西气东输二线管道工程中的应用

【摘要 】本文讲述了STT焊接工艺在根焊焊接中的参数确定、操作要点、常见缺陷分析及质量控制措施。并通过STT焊接技术在西二线31标段的实际应用，证明该工艺具有焊接速度快、焊缝成型质量好、易于控制、飞溅少等优点。

【关键词 】 STT根焊工艺参数质量控制

中图分类号：F253文献标识码： A

一、工程概况

西气东输二线工程是国家“十一五”规划的重点项目，也是我国目前正在建设的最大一条输气管线工程。该工程干线采用X80级管线钢，X80是一种低碳、微合金高强钢，具有高强度和良好的抗延展性断裂能力。X80管线钢的焊接是管道工程建设中的重要环节，而其中根焊道的焊接质量及焊接速度又将直接关系到整个管道的焊接质量和工程进度。

胜利石油化工建设有限责任公司承接的本工程第31标段线路全长80.9874公里，设计压力10MPa，管径为Φ1219mm，壁厚分别为18.4mm、22mm、27.5mm。沿线共设置线路阀室4座，穿越大中型河流4处，穿越国道2次，穿越省道6次。施工地点位于广东省翁源县和英德市，该地区气候湿润、雨水较多，沟壑纵横、地形复杂，非常不利于管道组对焊接，因此为保证如期并且高质量完成工程建设，在西气东输二线工程根焊中采用了优质高效的STT半自动焊接技术。

二、 STT焊接工艺分析

（一） STT焊接原理

STT气体保护半自动焊是一种以表面张力为熔滴主要过渡力的熔化极气体保护焊，它采用独特的波形控制技术，可以根据熔滴的不同过渡过程，自动调节焊接电流和电弧电压波形，能保证在整个熔滴过渡周期里精确控制流过焊丝的电流，从而精确控制焊接热输入。该焊接技术解决了CO2 气体保护焊飞溅大的技术难题，同时确保了焊接电弧的稳定，保证焊缝成形美观。STT气体保护焊电流、电压及熔滴过渡过程示意图如图1所示。

图1 熔滴过渡过程及对应的电流、电压波形

整个过渡过程可分为六个阶段：t1阶段是短路前燃弧期，输出基值电流，其作用是提供电弧燃烧和熔滴长大的能量；t2阶段是短路前期，当焊接回路刚刚短接时，将输出电流迅速减小；t3是缩颈阶段，焊接电源向短接的熔滴施加一个大电流，促使缩颈过程加快；t4阶段是缩颈后期，在熔滴和焊丝将要分离时，输出电流瞬间减少，使液态小桥被表面张力、重力，电磁力联合拉断，避免了因输入过大热量使液态小桥爆断而引起的飞溅，同时可以控制燃弧能量，改善焊缝成型；t5阶段是电弧重新引燃阶段，熔滴与焊丝分离后，焊接电源立即输出大电流，保证电弧的重新引燃；t6逐渐恢复为短路前燃弧期，电流逐渐减小，最终回到基值电流，开始下一次熔滴过渡。

1.基值电流

基值电流是一个重要参数，主要用于控制热输入，决定根焊道背面的焊缝成型情况。一般来讲基值电流太大会造成滴状过渡和形成较大的熔滴，这样会使飞溅增大，同时会使焊缝背面出现内凹。基值电流过小时会引起焊丝抖动，使焊缝金属的润湿性变差，导致焊缝背面成型窄而高。在焊接壁厚18.4mm的长输管道时，在100%CO2作为保护气的前提下，Ф1.20mm的实心焊丝焊接工艺规程规定的基值电流为55～65A。

2.峰值电流

峰值电流主要影响电弧长度和焊道与坡口边缘的融合情况，并决定根焊时正面的焊道成型。峰值电流过大时会引起电弧瞬间变宽，同时增加了电弧长度。过小时会引起电弧不稳和焊丝抖动。实际焊接时，峰值电流的设置应满足最小的飞溅和熔池搅动作用。焊接工艺规程规定18.4mm厚的管道根焊采用100%CO2作为保护气时，Ф1.20mm实心焊丝的峰值电流为380～430A。

3.热起弧

热起弧主要用来提供引燃电弧所需要的额外能量，提高引弧的成功率。即在焊缝起始点增加20%～50%的电流，保证有足够的热输入来补偿因管道母材温度较低散失的热量。

4.焊接速度

焊接速度对熔池的熔深和熔宽均有明显影响。焊接速度增加时，相应的焊缝的熔深和熔宽都会减小，容易导致未融合缺陷的产生；焊接速度减小时易导致焊缝烧穿，产生缺陷。实际焊接时焊接速度应与焊接电流及送丝速度相匹配。

5.焊接电压

焊接电压的波形和大小由设备根据熔滴的不同过渡过程自行进行调节。焊接设备利用检测到的电弧电压来判断熔滴过渡的瞬时形态，从而按照STT的要求控制瞬时电弧电流的变化。

为确定较为合理的焊接参数，在日常焊接施工中对焊接施工中的焊接电流、焊接电压、送丝机出丝速度、焊接速度等参数进行了统计，并对焊口无损检测的检验情况进行分析比较，同时结合业主下发的《西气东输二线工程焊接工艺规程汇编》，最终确定了焊接工艺参数如表1所示：

表1 STT半自动根焊焊接工艺参数

三、现场实际应用

（一）焊前准备

1.焊接设备

采用美国林肯公司DC-400型焊接电源，送丝机为美国林肯公司的LN-23P型送丝机。

2.焊材

采用锦泰公司生产的JM-58实心焊丝，焊丝直径为Ф1.20mm，保护气体为 CO2 。

3.坡口形式

管材壁厚18.4mm，采用双V型坡口，具体坡口形式及尺寸数据见图2。

图2 焊接坡口设计 图3施焊顺序及方向

4.装配组对

焊口的组装配对质量是影响焊缝内部质量和外观成型的主要因素之一。正常地段施工时采用内对口器组对，特殊地段可采用外对口器进行组对。组对前应对管口内外表面坡口两侧25mm范围内采用机械清理至呈现金属光泽，并且相邻管制管焊缝在对口处错开，距离不小于100mm。

（二）焊接操作要点

1由于所用管径较大，为减小由于受热不均所引起的焊接应力及提高焊接速度，每层焊道采用两名焊工同时焊接。施焊顺序及方向如图3所示。

2进行STT半自动给根焊时，焊丝的干伸长要控制在10～15mm之内。由于从0～6点位，中间要经历平焊、立焊、仰焊三种焊接方式，所以焊枪倾角及电弧摆动方式都须根据位置的不同而变化。在0～2点钟位置焊枪倾角应保持在20°～25°为宜，电弧进行月牙形小幅摆动；2～4点钟位置焊枪倾角应保持在10°～15°为宜，进行直拉焊接；4～6点钟焊枪倾角应保持在0～5°（即焊枪基本与管壁垂直），进行直拉焊接。

3根焊道的厚度保持在4mm左右，以尽量减少自保护药芯焊丝半自动热焊时烧穿根焊道的可能性。

四、常见缺陷分析及质量控制

（一）缺陷分析

经过焊缝外观检查并结合检测部门无损检测结果，归纳总结出STT根焊常见缺陷及原因分析如下：

1.气孔

分析原因：（1）CO2气体不纯或未干燥；（2）环境风速过大，超过2m/s；(3)保护气体流量过大；（4）施工现场空气湿度过大；（5）坡口表面未清理干净。

2.飞溅大

分析原因：（1）基值电流设置过高；（2）峰值电流设置过高；（3）送丝速度过小（导致电弧加长，电弧不稳）。

3.穿丝、粘丝

分析原因：（1）基值电流偏低；（2）送丝速度过快。

4.未融合

分析原因：（1）环境温度低，预热温度不达标；（2）热起弧、焊接电流设置过低。

5.未焊透

分析原因：（1）对口间隙过小；（2）对口错边量过大或钝边不一致；（3）焊工操作时焊接速度过快，电弧没摆动到位。

（二）质量控制

1.焊接施工前组织电焊工、对口班组人员等进行相关焊接工艺培训。严格遵守电焊工上岗考试制度，电焊工凭考试资质上岗。

2.STT根焊所用的焊接材料必须按照业主规定，由业主统一规定，并出具相应检查检验报告后方能进场使用。必须按规范保存焊接材料，保证材料的焊接性能不受外部因素的损害。

3.建立完善的工序交接制度和质量检验程序。组对与焊工之间必须有工序交接单，相关人员须签字确认。

4.在进行根焊焊接时，若使用内对口器，则须根焊全部完成后才能撤离对口器，若根部焊道承受的敷设应力比正常情况高，则须完成热焊后才能撤离内对口器，否则易产生根部裂纹；使用外对口器时，应保证根焊道均匀完成50%以上才能撤离，对口支撑或吊具则应在根焊道全部完成后方可撤离。

5.焊接现场必须配备防风棚，保证熔池周围风速小于2m/s

6.由于施工地段地处岭南丘陵地带，常年空气湿度大，为消除客观环境对焊接质量的影响，必须严格保证焊缝的加热质量，为此机组为每组电焊工配备齐全加热器具。管口进行加热采用烤把配合环型火焰加热器加热的方式，使管口温度仅用3分钟就能加热到120℃以上，解决了因加热不均匀引起的焊接缺陷

五、结论

利用上述焊接设备、工艺参数及操作方法，在西气东输二线东段31标段施工现场气候湿润、雨水较多，沟壑纵横、地形复杂的不利因素的影响下，已完成3000多道焊口。经100%射线检测，焊道一次性合格率为98%以上。经统计每道焊口的根焊焊接时间平均为17分钟。STT焊接根部焊道，操作容易，焊缝成形美观，无损检测合格率高，焊接速度快，因此STT焊接工艺在以后的长输管道的现场组焊施工中必将得到越来越广泛的应用。另一方面，由于STT焊接工艺对施工现场环境因素及工艺参数的匹配程度要求较高。下一步应加强对环境因素及焊接工艺参数匹配的控制，以期进一步提高STT根焊的焊接质量。

参考文献

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