双金属复合管的施工焊接技术

【摘要】文章围绕着双金属复合管的施工焊接技术问题，就双金属复合管焊接难题、复合管坡口的焊接、焊接方法、影响焊接的因素及常见问题的处理等进行了分析和探讨。

【关键词】双金属复合管；施工；焊接技术

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

引言

双金属复合管又称双层管或包覆管，它是由两种不同的金属管材构成，管两端僻用特殊方法焊接或特殊结构连接。油气田用防腐双金属复合管其基管采用碳钢管或其他合金钢管(通常为20G、X60、Q235等)，从而保证优异的机械力学性能衬管为一层薄壁耐蚀合金，耐蚀金属可根据油气田腐蚀环境选择，常选用Super13Cr、22Cr以及镍基合金825等，从而保证良好的耐腐蚀性能同时价格却又比整体耐蚀钢管低50%甚至70%，从而达到最佳性能价格组合。

1 双金属复合管焊接难题

双金属复合管以碳素钢管或合金钢管为基管,在其内表面覆衬一定厚度(一般为2~3 mm)的不锈钢、钛合金、铜、铝等耐蚀合金属制造的复合管,这种特殊的结构形式,使其兼顾碳钢的耐压性和不锈钢的耐蚀性以及相对不锈钢价格低廉的特点,其突出的性价比和耐蚀性能,使它在石油及天然气工业、供水工程、化学工业等行业具有广泛的应用前景。

但是该材料焊接有许多技术特点,工艺参数和现场措施对接头的组织和性能有很大影响,由于生产工艺的限制,目前国内主要采用“金属管道爆燃加衬技术”或者液压复合技术,其基层和衬层间的结合完全是机械结合,未达到冶金结合,基层和衬层间会有一定的缝隙,其特殊的结构形式导致焊接时层间未熔合或夹渣、主要合金元素易烧损、熔池金属塌陷形成焊瘤、焊缝背面氧化成型不良、焊缝周围碳原子迁移影响防腐效果等焊接缺陷,并且目前国内无法生产复合管的弯头,必然存在两种钢或多种钢的焊接,因此解决复合管的焊接难题是其大规模推广应用的关键。

2 复合管坡口

2.1 坡口接头形式

坡口的接头形式对焊接工艺评定影响很大,由于国内复合管采用的生产形式,无论是爆炸复合还是液压复合,都属于机械式复合,基层和衬层未达到原子或分子间的结合,它们之间有一定的间隙,如果采用常规的坡口形式(见图1)焊接,焊缝区域易造成“渗碳”,且在衬层和基层的间隙交界处出现裂纹,工程技术人员认真摸索,设计出了如图2所示的坡口形式,衬层突出2~3 mm,其优点为:a.便于采用封焊焊道进行衬层的固定,减少焊接组对的错边量;b.衬层突出的部分使碳钢到根焊焊缝距离加长,可以降低“渗碳”对复合管焊接接头防腐性能的影响。

图1传统的接头坡口形式

图2创新的接头坡口形式

2.2 坡口加工方法

为了保证接头质量和尺寸上的要求,复合管和不锈钢的接头须采用机械加工工艺,可在车床加工,也可用便携式旋转坡口刀进行加工,根据现场施工条件,由于地理条件限制和返修需要,采用了便携式旋转坡口机进行加工坡口,该设备简单便携易操作,加工坡口时,该设备一端伸入管口内部,靠支腿外撑固定在管口处,通电后,管子不动,仅刀头旋转就可加工成需要的坡口,克服了车床的地理条件限制和费工费时的缺点。

3 焊接工序

复合管的焊接不同于复合板的焊接,传统的复合板可以先焊基层,再焊过渡层,见图3。复合管由于受管径的影响,只能先进行衬层对接焊,再焊过渡层,最后进行基层的焊接。在施工中发现,由于管材椭圆度的影响,衬层的厚度一般在2~3 mm,组对十分困难,此外若焊把的位置和力度控制不好,往往造成衬层烧穿,于是确定了先进行封焊再进行根焊的焊接工序,见图4~5,同时为避免电流过大而将2mm不锈钢层烧穿,施工时电弧弧柱中心尽量靠向基层金属,以熔化基层金属为主。实践证明封焊后的焊接接头,减少了组对的错边量,解决了衬层和基层钢管的相对位移问题,同时也解决了衬层金属热导率小、焊接热量传输速度慢和途径单一等问题,避免了焊缝过热而造成焊接困难、焊后成型差和主要合金元素过量烧损等现象的发生;也避免了直接在接头坡口处产生未熔合和焊接裂纹等缺陷,为焊接的顺利进行提供了便利。

图3复合板焊接工序

图4一般焊接工序

图5创新焊接工序

4 焊接方法

由于复合管特殊的结构形式, 2~3 mm的衬层对接时不易操作,故选钨极氩弧焊作为封焊和根焊的焊接方法,与其它焊接方法相比,尽管焊接速度较慢,但它是打底焊的理想方法,适用于各种坡口的打底焊。钨极氩弧焊能清晰的观察到焊接熔池和熔透情况,易于实现单面焊双面成形。且钨极氩弧焊背面无熔渣,对保护管内清洁极有利。同时这种焊接方法熔合比较小,对异种钢的焊接来说控制焊缝的组织和成分十分有益。打底焊工序完成后,为普通碳钢之间的焊接,如图5中第3道至第n道工序。为提高焊接速度,解决焊道宽导致的钨极氩弧焊速度慢问题,经焊接工艺评定,确定了焊条电弧焊作为复合管基层的焊接方法。

5 气体保护

选用钨极氩弧焊作为根焊和封焊的焊接方法,自然应采用氩气作为保护气体,同时对诸如316L这类合金含量高的金属,为避免Cr、Ni等元素烧损和氧化,须采用氩气等惰性气体进行焊缝背面保护,保护气体采用含量不低于99.99%的氩气。工程技术人员根据管径的大小,制作了特殊的封焊和根焊气体内保护工装, ,根焊前先将背面气体保护装置装入坡口内,一端用铁丝拴牢以便焊接完成后将保护工装牵出管外,坡口处采用胶带密封,只在坡口12点钟位置留一个排气孔,并用测氧仪检测背面保护气体区域的纯度,若气体不纯或保护气体流量不够,易造成熔池金属塌陷形成焊瘤,以及焊缝内表面氧化或成型不良。

6 其它影响异种钢焊接性的因素

6.1热导率

由于衬层金属导热率小,根焊时熔池前部不允许出现熔孔,以防止造成熔池金属塌陷形成焊瘤。

6.2线膨胀系数

由于不锈钢和碳钢这两种材料的线膨胀系数相差近5×10-6/℃,焊接时热膨胀的量和冷却时收缩的量差别很大,都会在接头处产生焊接残余应力,方向性极强的焊缝柱状晶组织,导致有害杂质及晶间液态夹层的形成,产生凝固裂纹,母材及焊缝的合金组成比较复杂,不仅S、P、Sn、Sb等杂质可形成易溶液膜, Si、Nb等也可形成易溶共晶,这样焊缝和热影响区都有可能产生热裂纹,工程技术人员通过实验证明焊前预热是减少热裂纹的有效措施。

6.3电磁性

不锈钢和碳钢一种无磁性,一种有磁性,造成焊接电弧磁偏吹,焊后焊缝成型较差,焊接时利用电磁感应原理,只需将电焊的导线缠绕到管道上3到5圈即可,若感觉电弧磁偏吹更强,则将线圈反向缠绕即可消除磁偏吹。

6.4施焊环境

本工艺要求施焊环境温度≥5℃,湿度≤90%RH,环境风速氩弧焊时≤2 m/s,焊条电弧焊时≤5m/s。

7 常见缺陷以及处理措施

7.1根部内凹

缺陷原因：a.焊工操作不当,焊丝未送到位,焊丝熔化量不够;b.管道组对间隙过大,熔化金属由于重力的作用产生下坠,造成内凹;c.电磁场引起的磁偏吹,导致结晶条件改变。

解决方法：应停止焊接,随后调整组对间隙,改变地线与管道的接触部位和放置情况。

7.2 根部未焊透

缺陷原因：a.焊接电流过小或电弧过长,电弧挺度和穿透力变小,根部未熔化;b.组对间隙过小,电弧不易穿透;c.电磁场引起的磁偏吹。

解决方法：适当加大焊接电流,减小电弧长度以及适当加大组对间隙。

7.3 气孔

缺陷原因：当为钨极氩弧焊焊接时:a.保护气体流量不均、过小;b.环境风速过大,致使空气进入到熔池里。当为焊条电弧焊时:a.焊条受潮,或烘烤未达标;b.焊接电弧过长,电弧保护熔池的效果变差;c.焊渣结晶速度慢,保护熔池效果差;d.引弧或停弧不当。

解决方法：做好防风抗沙的准备,检查保护气体的纯度,认真烘烤焊条和改进焊接操作方法。

7.4 层间未熔合和夹渣

缺陷原因：a.电流较小或是电弧过长,以及操作不当,造成焊道或母材未熔化电弧即离开;b.层间或道间清理不净或不均,留有渣或死角,焊接电弧未能把渣排出和熔化焊道,从而造成未熔合和夹渣。

解决方法：认真进行层间或道间焊渣、杂质的清理工作。

参考文献

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