大直徑直縫焊管焊縫在線預熱工藝探討

申惠芳，孫靈麗，曾曉東

（1.中冶京誠工程技術有限公司，北京100176；

2.渤海裝備研究院輸送裝備分院，河北 青縣 ，062658；3.江蘇天淮鋼管有限公司，江蘇 淮安223002）

大直徑直縫埋弧焊管應用已擴展到眾多領域，除輸送管線外，還向特種船舶如海洋鉆探采油平臺、海上浮吊等海洋結(jié)構和火力發(fā)電機組等管道領域方向發(fā)展。大直徑直縫焊管作為海洋結(jié)構用管具有明顯的優(yōu)勢，如壁厚均勻、工藝簡單、成本低，性能受制管工藝影響較小，易于實現(xiàn)高強度、高韌性的要求，且其規(guī)格調(diào)整靈活，可滿足不同管徑的要求。然而海洋結(jié)構用管的服役環(huán)境與陸路流體輸送管有所不同，海洋結(jié)構用管除了承受工作應力外，還要經(jīng)受風、浪、海水腐蝕、溫差和低溫等環(huán)境應力的作用。因此，在實際應用中，對海洋結(jié)構用管除了要求具有一般管道性能外，還對其強韌性、耐腐蝕性提出了更高的要求。通過試驗可知，采用小焊接熱輸入和焊前焊縫預熱的工藝方法是提高焊接接頭綜合性能的有效途徑。

大型超超臨界火電機組四大管道，即主蒸汽管道、再熱蒸汽管道熱段、再熱蒸汽管道冷段和高壓給水管道，是火電機組的關鍵部件，其中再熱蒸汽管道冷段采用大直徑直縫結(jié)構焊管，為了保證焊縫質(zhì)量，在焊接工藝上也要求對焊縫進行預熱。

對于碳當量和冷裂紋敏感系數(shù)較高的高強度、高韌性的大直徑直縫焊管，要求焊前對焊縫進行預熱，焊后對焊縫進行緩冷，有的結(jié)構焊管品種還要進行整體熱處理。焊縫預熱和緩冷的主要作用是：①預熱可以降低焊接結(jié)構的拘束度，對降低角接接頭的拘束度尤為明顯，隨著預熱溫度的提高，裂紋發(fā)生率下降；②可降低焊接應力。均勻地局部預熱或整體預熱，可以減少焊接區(qū)域被焊工件之間的溫差（也稱為溫度梯度），這樣，一方面降低了焊接應力，另一方面降低了焊接應變速率，有利于避免焊接裂紋產(chǎn)生；③減緩焊后的冷卻速度。有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋，同時也減少焊縫及熱影響區(qū)的淬硬程度，提高焊接接頭的抗裂性。

1 現(xiàn)有的焊縫預熱方式

各JCOE焊管生產(chǎn)廠家現(xiàn)有的焊縫預熱工藝有以下2種方式：①用氣體火焰加熱焊縫全長；②用電阻加熱焊縫全長。這兩種預熱方式都是離線形式，即預焊后的管筒由吊車運至焊縫預熱設備上進行預熱，當焊縫溫度加熱到160～220℃時，再由吊車將管筒吊運至內(nèi)焊小車上進行內(nèi)焊。

離線式焊縫預熱工藝的缺點是：

（1）內(nèi)焊時焊縫溫度不均勻。當焊縫全長加熱到160～220℃后再進行內(nèi)焊，焊縫管頭和管尾有溫差，即內(nèi)焊到管尾時焊縫的溫度達不到管頭的溫度，焊縫質(zhì)量會有差異；

（2）整體加熱管筒焊縫效率低，能耗大，不利于節(jié)能；

（3）氣體火焰加熱焊縫全長的預熱方式，造成環(huán)境污染；

（4）焊縫離線預熱采用吊車吊運，加上預熱時間，周期較長，影響焊接設備的利用率。

因此，考慮采用中頻感應預熱器，使焊縫預熱和焊接在線同步進行，這樣焊縫預熱溫度會比較均勻，而且可以降低能耗，提高焊接設備的利用率，改善操作環(huán)境。

以現(xiàn)有的1422 JCOE焊管機組為例，探討采用中頻感應預熱設備，實現(xiàn)管筒焊縫預熱和焊接同步的2種工藝方案。

1 422 JCOE焊管機組管筒有關參數(shù)如下：

管筒直徑：508～1 422 mm；

管筒壁厚：6.4～60.0 mm；

管筒長度：8 000～12 500 mm（未包括引弧板長度300 mm和熄弧板長度500 mm）；

焊縫預熱溫度：160～220℃；

管筒預熱 （內(nèi)焊）線速度：0.9～1.6 m/min；

管筒預熱處V形角最大寬度：30～35 mm；

工作狀態(tài)：間隙、連續(xù)工作制。

2 管筒內(nèi)焊前焊縫在線預熱工藝方案

2.1 中頻感應預熱設備

與中頻感應預熱設備生產(chǎn)廠家技術溝通后，根據(jù)管筒尺寸、預熱溫度和內(nèi)焊速度要求，初步提出的中頻感應預熱設備如下：

中頻感應預熱設備由電源柜、感應預熱器、電容器、控制柜、操作臺、測溫裝置及冷卻系統(tǒng)等組成。中頻感應預熱設備感應器功率200 kW，頻率可達1 000 Hz?？紤]到感應預熱過程的熱傳導和鋼管內(nèi)焊速度，感應器長度為900 mm；管筒焊縫V形角最大寬度30～35 mm，為充分加熱，預熱器寬度為100 mm（如圖1所示）。因此感應器尺寸為900 mm×100 mm×35 mm，感應器上面有2對小滾輪（圖1中未標示），預熱時將感應器貼在管筒底部。

感應加熱器、電容器放置在T形鋼臂上，T形鋼臂的尺寸為13 000 mm×100 mm×350 mm，T形鋼臂上有3～4對滾輪，可在內(nèi)焊小車底板上滾動。

圖1 管筒焊縫與感應器相對位置示意圖

電源柜尺寸1 600 mm×1 000 mm×2 000 mm。電源柜放置在內(nèi)焊小車尾部側(cè)邊，通過電纜和連接母排與感應器連接。連接母排長度12 500 mm，寬100 mm，高270 mm，連接母排布置在T形鋼臂下側(cè)面，感應器安裝在電容器柜上。

紅外測溫儀尺寸很小也很輕，可裝在內(nèi)焊臂上，放在鋼管內(nèi)表面，用于測量管筒內(nèi)壁預熱溫度，防止因為預熱溫度過低或過高影響焊接質(zhì)量。

在內(nèi)焊設備不進行內(nèi)焊和焊縫預熱時，內(nèi)焊小車后退，T形鋼臂脫離內(nèi)焊小車，其一端固定在支柱上，伸出的約13 000 mm懸臂，由2個可傾倒的氣缸支撐架托住。整個T形鋼架臂放置在內(nèi)焊臂的正下方（如圖2所示）。

圖2 T形鋼臂示意圖

2.2 內(nèi)焊小車的修改

要求內(nèi)焊小車上的V形輥改為2個懸臂的錐形輥，端部間距約為150 mm（如圖3所示）。固定在內(nèi)焊小車上的V形輥和旋轉(zhuǎn)托輥架的底板要切斷，切斷后兩端間距為150 mm；內(nèi)焊小車靠內(nèi)焊臂這一端，150 mm寬的兩側(cè)和底面，做成喇叭形，便于感應預熱器、電容器柜和T形鋼臂進入。內(nèi)焊小車的其他部件和參數(shù)不需修改。

圖3 V形輥、旋轉(zhuǎn)輥與感應器相對位置示意圖

2.3 管筒焊縫預熱和內(nèi)焊操作工藝過程

當內(nèi)焊小車接收到待焊的管筒后，內(nèi)焊小車和管筒前進（如圖2所示），內(nèi)焊臂進入待焊管筒內(nèi)，T形鋼臂同時進入內(nèi)焊小車和待焊管筒之間形成的空間（如圖3所示）。當內(nèi)焊小車和管筒繼續(xù)前進，T形鋼臂上的位置傳感器根據(jù)檢測的信號，氣缸支架依次傾倒，直到內(nèi)焊臂的焊絲進到管筒的引熄弧板上方，T形鋼臂也同時到達管筒前端部，兩者之間有位置差，此時內(nèi)焊小車和管筒停止移動。當內(nèi)焊臂焊絲下降，感應器上升貼在管筒底部，內(nèi)焊小車和管筒后退 （如圖2所示），管筒預熱和內(nèi)焊開始，當內(nèi)焊小車后退到一定位置時，T形鋼臂上的位置傳感器根據(jù)檢測的信號，氣缸支架依次豎立起來，托住T型鋼臂，直到管筒的預熱和內(nèi)焊結(jié)束。準備下一根管筒的預熱和內(nèi)焊，這樣使預熱和內(nèi)焊同步進行，克服了管筒離線預熱存在的各種問題。

采用中頻感應預熱設備，對管筒焊縫預熱和內(nèi)焊同步進行的設計方案和有關專家討論過，專家認為對于φ508～φ1 422 mm管筒，內(nèi)焊小車空間寬度（150mm）窄小，操作過程中有一定的難度。如生產(chǎn)直徑較大的直縫焊管，可將內(nèi)焊小車上的2個懸臂的錐形輥和旋轉(zhuǎn)托輥的間距加大，使T形鋼臂比較自由地進入和退出內(nèi)焊小車，那么該設計方案更加可靠。

3 管筒外焊前焊縫在線預熱工藝方案

如前所述，如果采用管筒內(nèi)焊前焊縫在線預熱工藝方案，意味著一些小直徑直縫焊管可能不能生產(chǎn)。如果仍維持生產(chǎn)φ508～φ1 422 mm直縫焊管，則采用管筒外焊前焊縫在線預熱工藝方案更加合理。因為外焊工藝設備相對簡單，空間尺寸較大，而且焊縫處在12點鐘位置，中頻感應器小滾輪可直接貼在焊縫上方，中頻感應預熱設備的其他部件可布置在外焊小車側(cè)邊，這樣焊縫在線預熱和外焊同步進行就很好解決了。這就要求預焊后的管筒先外焊再進行內(nèi)焊，將改變內(nèi)、外焊的焊接工序和焊接區(qū)域的設備平面布置，也需要認真研究。

對大直徑直縫埋弧焊管，先外焊后進行內(nèi)焊，從埋弧焊接機理本身看，有關專家認為技術上是可行的，而且國內(nèi)的天水鍛壓機床有限公司曾在JCOE機組上進行過試驗，試驗是成功的。

采用先外焊后內(nèi)焊的焊接工序和焊接區(qū)域的設備平面布置變化，對新建的JCOE機組是沒有問題的。但在國內(nèi)目前直縫埋弧焊管機組產(chǎn)能過剩的情況下，建設新的JCOE機組，短時間內(nèi)可能性不大。

國內(nèi)現(xiàn)有的JCOE機組，管筒幾乎都是采用先內(nèi)焊后外焊的焊接工藝，這些機組的焊接工序和設備布置已經(jīng)確定。管筒能否先外焊，采用中頻感應預熱設備，使外焊和焊縫預熱同步，然后再進行內(nèi)焊，這可能需要對每套JCOE機組進行認真研究分析后才能確定工藝方案。可能有些JCOE機組僅進行少量的改造，就能實現(xiàn)預焊和檢查修補后，管筒通過輥道可直接輸送到外焊設備，使焊縫預熱和焊接同步進行，外焊檢查修補后管筒通過輥道返回到內(nèi)焊設備上進行內(nèi)焊。有些JCOE機組可采用吊車，將預焊和檢查修補后的管筒直接吊運到外焊設備上，使焊縫預熱和焊接同步進行，外焊檢查修補后管筒再吊運到內(nèi)焊設備上進行內(nèi)焊，然后進行下道工序。

總之，對國內(nèi)現(xiàn)有的大部分JCOE機組，如要生產(chǎn)大直徑直縫埋弧焊管，采用中頻感應預熱設備，使焊縫預熱和外焊在線同步，外焊后再內(nèi)焊，是完全可行的。

4 結(jié) 語

要建設海洋強國，海洋工程需要更多高質(zhì)量的厚壁高強度直縫埋弧焊管，加上其他工業(yè)部門的需要，大直徑直縫埋弧焊管市場更大。在現(xiàn)有的JCOE機組上，實現(xiàn)焊管焊縫預熱和焊接同步的工藝，是提高直縫埋弧焊管質(zhì)量最簡單而投資又少的措施。

根據(jù)不同的厚壁高強度結(jié)構焊管管筒尺寸，本研究探討了采用中頻感應預熱設備，提出管筒內(nèi)焊前焊縫在線預熱和管筒外焊前焊縫在線預熱2種管筒焊縫預熱和焊接同步的工藝方案，有不妥之處將做進一步探討。

[1]彭在美，沈發(fā)楚，嵇紹偉，等.我國UOE/JCOE直縫埋弧焊管機組的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].鋼管，2013，42（02）：1-5.

[2]呂燕青，李東，熊培培，等.海上浮吊用Q690E直縫埋弧焊鋼管工藝研究[J].焊管，2010，33（04）：45-49.

[3]孫永喜.火力發(fā)電機組四大管道系統(tǒng)直縫埋弧焊管的市場需求與研制[J].焊管，2012，35（03）：29-35.

[4]錢勇，雷玄威，王紅鴻，等.焊前預熱對X120超高強管線鋼焊接接頭性能的影響[J].焊接技術，2012，41（03）：9-10.

[5]張文鉞.焊接冶金學基本原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[6]周大鵬.焊接預熱和后熱淺析[J].焊接技術，1988（05）：39-45.

[7]潘勇昆，王振家.鋼焊接最低預熱溫度的確定[J].焊接技術，2011，30（03）：6-8.

[8]李為衛(wèi)，馬秋榮，趙新偉，等.預熱溫度對管線鋼焊接熱影響區(qū)組織性能的影響[J].石油工程建設，2005，31（04）：10-12.

[9]劉振棟.焊前預熱工藝在大型海洋平臺上的應用[J].熱加工工藝，2002（06）：66.

[10]吳永勝，辛文彤，姚軍剛，等.焊前預熱對40Cr鋼手工自蔓延焊接接頭質(zhì)量的影響 [J].金屬鑄鍛焊技術，2009，28（05）：116-117.

致謝：此篇文章寫作過程中得到王三云教授的很多幫助，表示感謝。