自保護(hù)藥芯焊絲工藝在油田工程中的開發(fā)及應(yīng)用

高海軍 王暉 劉守恩 蔣小燕

自保護(hù)半自動(dòng)焊接技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于焊接領(lǐng)域的各個(gè)方面，本文主要介紹一種用于橋梁、大型鋼結(jié)構(gòu)、造船、儲罐建設(shè)中有望取代焊條電弧焊的新工藝，這種焊接工藝在國外已得到廣泛的應(yīng)用。目前在油田管道以及儲罐焊接施工中，廣泛采用的焊接方法是焊條電弧焊，纖維素焊條E6010打底加半自動(dòng)填充、蓋面，氬弧焊打底加堿性焊條填充、蓋面。這些工藝雖然設(shè)備簡單，使用方便，抗風(fēng)能力強(qiáng)，但也存在焊接效率低，焊縫缺陷多，施工進(jìn)度慢，生產(chǎn)成本高，對焊接操作人員要求高等諸多限制因素。

1.焊接概況

目前油田內(nèi)部儲罐建設(shè)中主要采用焊條電弧焊焊接工藝，這種工藝從開始問世到今天歷經(jīng)了近100多年的歷程。雖然現(xiàn)在大型儲罐焊接中出現(xiàn)了多種新工藝，但是由于各種條件的限制和使用長效性，決定了油田內(nèi)部小型儲罐不可能引進(jìn)成套的焊接機(jī)具。因此如何調(diào)整焊接結(jié)構(gòu)和有效應(yīng)用先進(jìn)的焊接工藝，是提高小型儲罐焊接效率的關(guān)鍵。于是，尋找一種適合儲罐焊接的自保護(hù)藥芯焊絲，既適合野外操作，又可以連續(xù)焊接，不僅提高焊接熔敷率，而且對焊工的操做技能要求也不高。經(jīng)過不斷的試驗(yàn)、篩選，最終選擇了美國Hobart公司生產(chǎn)的牌號為E71T—8J H8、φ1.6mm的焊絲作為試驗(yàn)性焊接的材料。

2.焊接材料

E71T—8J H8 自保護(hù)藥芯焊絲是專門為要求苛刻的結(jié)構(gòu)鋼、建筑用鋼和儲罐設(shè)計(jì)的。它能產(chǎn)生穩(wěn)定的電弧，有大的焊接參數(shù)范圍。在各種位置都能形成高質(zhì)量X光片的焊縫，尤其是在向上焊接時(shí)，可以采用大電流以提高熔敷率，從而提高生產(chǎn)速度。它既可單道焊，也可多道焊，焊道平整、脫渣性好。E71T—8J H8在大的熱輸入范圍內(nèi)，都能獲得滿意的力學(xué)性能，符合AWS A5.20：2005新的D分類要求，能滿足AWS D1.8 對抗震級焊縫的要求。在國外廣泛應(yīng)用于橋梁、大型鋼結(jié)構(gòu)及儲罐的建設(shè)中。

由于E71T—8J H8是一種藥芯自保焊絲，其藥芯中含有大量的礦物質(zhì)，在高溫下可以產(chǎn)生大量的保護(hù)氣體，在保護(hù)焊縫金屬的同時(shí)，又可以在結(jié)晶的過程中脫去焊縫中大量的有害物質(zhì)，使得焊縫中的晶粒更加細(xì)化，從而較好地滿足對焊縫力學(xué)性能的要求。E71T—8J H8焊絲的使用特點(diǎn)和效果如表1所示。

3.焊接設(shè)備選擇

目前E71T—8J H8自保護(hù)焊絲在國內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)焊接中使用較少，國內(nèi)各焊機(jī)生產(chǎn)廠家還沒有成熟的機(jī)型進(jìn)行試驗(yàn)性焊接。而國外的機(jī)型價(jià)格又太高，成本上沒有優(yōu)勢，因此根據(jù)E71T—8J H8自保護(hù)藥芯焊絲的焊接性，最終選擇了對國產(chǎn)焊機(jī)進(jìn)行改進(jìn)、開發(fā)。我們先后對焊接電源主板、送絲控制系統(tǒng)、焊槍的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，提高了焊接電流的穩(wěn)定性，現(xiàn)已達(dá)到預(yù)期效果，不僅比國外同等機(jī)型節(jié)約近一半的經(jīng)費(fèi)，而且在昆北油田工程中已得到應(yīng)用，體現(xiàn)出較好的效果。

表1

4.焊接試驗(yàn)

由于E71T—8J H8自保護(hù)藥芯焊絲目前在國內(nèi)還沒有得到廣泛的應(yīng)用，所以沒有任何現(xiàn)成的焊接工藝可以作為參考，所有的焊接數(shù)據(jù)都需要在焊接試驗(yàn)中不斷地摸索完善。為此，我們先從平角焊縫的焊接開始，逐步向板狀試件拓展，最終獲取了各種位置的焊接數(shù)據(jù)資料，各種位置的焊接角度如圖1所示，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。

為驗(yàn)證該焊絲焊接的工藝性，模擬現(xiàn)場需要的位置在試板上焊接，試板的坡口形式如圖2所示。a=3mm,b=1.5mm,d=40°～50°，c=10mm，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確認(rèn)坡口角度為45°時(shí)最適合E71T—8J H8自保護(hù)藥芯焊絲的焊接。該坡口在焊接時(shí)可以采用較大的電流，有利于焊縫的成形和提高焊接質(zhì)量，同時(shí)也便于焊接操作人員的掌握。在實(shí)際焊接時(shí)，由于坡口較小，使得填充量變少，從而加快了焊接速度，并且能有效減少焊接熱輸入，提高了力學(xué)性能。

在焊接試驗(yàn)過程中我們不斷改進(jìn)焊機(jī)的性能，完善焊接工藝。使得焊縫質(zhì)量得到較大提高，焊接試件的合格率為100%，一級片為85%，力學(xué)性能全部合格。

5.工程中應(yīng)用和傳統(tǒng)工藝的比較

為了驗(yàn)證E71T—8J H8 自保護(hù)藥芯焊絲在工程中的應(yīng)用效果，我們在昆北聯(lián)合站儲罐建設(shè)工程中進(jìn)行了試驗(yàn)焊接，主要在3 000m3大罐上進(jìn)行試驗(yàn)（該罐主材采用的是Q235鋼板）。在焊接中E71T—8J H8 自保護(hù)焊絲，不但能夠很好地應(yīng)用在大罐所有位置的焊縫上，而且焊接速度均快于焊條電弧焊3倍以上。以8mm板為例，E71T—8J H8 自保護(hù)藥芯焊絲在完成立縫時(shí)所用時(shí)間為11min，而傳統(tǒng)的焊條電弧焊所用時(shí)間在45min以上；橫縫焊接時(shí)，E71T—8J H8 自保護(hù)藥芯焊絲焊接完成1m所需要時(shí)間為8min，而傳統(tǒng)的焊條電弧焊焊接完成1m需要時(shí)間35min。由此可見，自保護(hù)藥芯焊絲焊接施工速度優(yōu)于傳統(tǒng)的焊條電弧焊，焊接質(zhì)量也高于焊條電弧焊。在焊接試驗(yàn)和工程應(yīng)用中，自保護(hù)藥芯焊絲合格率在98%以上，一級片率為85%，焊條電弧焊合格率為85%，一級片率為30%。由此可見，E71T—8J H8 自保護(hù)藥芯焊絲在焊接速度、質(zhì)量上都優(yōu)于傳統(tǒng)的焊條電弧焊。由于E71T—8J H8自保護(hù)藥芯焊絲采用大電流焊接，因此冶金反應(yīng)充分，焊縫金屬成分均勻，焊縫成形也優(yōu)于焊條電弧焊（見圖3、圖4）。

圖1 各種位置的焊接角度

表2 采用的焊接參數(shù)

結(jié)合在這次試驗(yàn)施工中所得到的數(shù)據(jù)，在經(jīng)濟(jì)性分析中由表3可以看出，采用這種自保護(hù)藥芯焊絲焊接，可降低施工成本約1/3。

圖2 板狀試件的坡口形式

圖3 E71T—8J H8 自保護(hù)藥芯焊絲焊接效果

圖4 焊條電弧焊焊接效果

表3 與傳統(tǒng)焊接方法成本對比

此次比較不包括在焊接操作人員培訓(xùn)時(shí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。E71T—8J H8焊絲是一種重金屬自保護(hù)藥芯焊絲，焊接時(shí)主要調(diào)節(jié)的是焊接電流和電弧電壓的參數(shù)，不需要特定的手法進(jìn)行控制。由于操作簡單、使用方便、容易掌握，所以培訓(xùn)周期短，可以節(jié)省大量的培訓(xùn)經(jīng)費(fèi)和人員。

6.結(jié)語

根據(jù)以上的測試結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

（1）采用E71T—8J H8焊絲，可以提高生產(chǎn)效率 3 倍。

（2）該焊絲熔敷率高，克服了下向焊自保護(hù)藥芯焊絲熔敷率低的問題，特別適合油田建設(shè)中大罐和厚壁管道的焊接。

（3）使用該焊絲，可以降低施工成本約1/3。

（4）可進(jìn)一步對國產(chǎn)焊機(jī)進(jìn)行提升和改造，為自動(dòng)化焊接奠定基礎(chǔ)。