不良外焊縫形狀對(duì)鋼管3PE 防腐的影響及控制措施

王海力， 雷小兵

（山東勝利鋼管有限公司， 山東 淄博255082）

0 前 言

隨著鋼管3PE 防腐工藝的廣泛采用， 對(duì)螺旋埋弧焊管外焊縫形狀提出了越來(lái)越高的要求。鋼管3PE 防腐質(zhì)量不僅取決于防腐設(shè)備、 防腐工藝、 防腐材料、 操作技術(shù)能力、 管理水平等，而且受鋼管（光管） 外觀質(zhì)量的影響， 比如鋼管橢圓度、 直度、 劃傷、 壓坑、 焊縫形狀等， 特別是外焊縫形狀的影響更大。 因此， 探討不良外焊縫形狀對(duì)3PE 防腐的影響及其控制措施， 對(duì)預(yù)防防腐層開(kāi)裂、 密集漏點(diǎn)、 涂層不均勻以及防腐材料的浪費(fèi)等具有十分重要的意義。

1 不良外焊縫形狀對(duì)焊管3PE 防腐的影響

1.1 “內(nèi)卷邊” 外焊縫對(duì)3PE 防腐的影響

“內(nèi)卷邊” 外焊縫是指沿外焊縫邊緣寬約0.5 mm 與母材只是形成緊密搭接而并未熔合在一起的一種不良外焊縫 （如圖1 所示）。 “內(nèi)卷邊” 外焊縫隱蔽性很強(qiáng)， 一般出現(xiàn)在焊縫一側(cè)邊緣， 看似焊縫邊緣與母材已經(jīng)熔合， 但實(shí)際上只是緊密搭接覆蓋， 其內(nèi)卷邊寬度雖然只有0.5 mm 左右， 但對(duì)3PE 防腐會(huì)產(chǎn)生大量漏點(diǎn)。 漏點(diǎn)檢測(cè)是檢測(cè)鋼管防腐層是否漏點(diǎn)或防腐層厚度是否足夠的工序。 其基本原理是漏點(diǎn)檢測(cè)儀在鋼管裸露區(qū)和防腐層表面施加25～30 kV高壓， 形成擊穿電壓， 以對(duì)防腐層薄弱區(qū)進(jìn)行檢測(cè)。 GB/T 23257—2017 《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》 （以下簡(jiǎn)稱防腐標(biāo)準(zhǔn)） 第7.5 條規(guī)定： “防腐層的漏點(diǎn)應(yīng)按采用在線電火花檢漏儀進(jìn)行連續(xù)檢查， 檢漏電壓為25 kV， 無(wú)漏點(diǎn)為合格”。

有的3PE 防腐工程是在鋼管生產(chǎn)廠內(nèi)部進(jìn)行的， 而有的則是將鋼管運(yùn)送到施工現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行防腐。 即便是在鋼管廠內(nèi)部進(jìn)行防腐， 一旦發(fā)現(xiàn)因 “內(nèi)卷邊” 外焊縫導(dǎo)致的密集漏點(diǎn)， 也已有批量鋼管生產(chǎn)出來(lái)， 處理 “內(nèi)卷邊” 外焊縫的唯一辦法只能是手工修磨。 使用磨光機(jī)沿整條外焊縫手工磨掉寬約0.5 mm 的 “內(nèi)卷邊”部分， 這樣必然會(huì)導(dǎo)致大量人力、 物力、 財(cái)力的浪費(fèi)。 因此， 必須嚴(yán)格控制 “內(nèi)卷邊” 外焊縫的產(chǎn)生。

1.2 “魚(yú)脊” 形外焊縫對(duì)3PE 防腐的影響

“魚(yú)脊” 形外焊縫又稱 “駝峰” 形外焊縫（如圖2 所示）， 外焊縫中間高而窄。 防腐過(guò)程中， 在硅膠輥的擠壓和旋轉(zhuǎn)托輥的作用下， 極易造成這種不良外焊縫處防腐層嚴(yán)重減薄甚至出現(xiàn)裂口， 這不僅增加了補(bǔ)口和補(bǔ)口質(zhì)量檢驗(yàn)工作量， 而且也降低了鋼管防腐的一次通過(guò)率。 同時(shí)， 還會(huì)造成防腐材料的巨大浪費(fèi)。

圖1 “內(nèi)圈邊”外焊縫

在防腐層涂敷前， 首先要對(duì)鋼管表面進(jìn)行處理， 然后進(jìn)行拋丸（拋砂） 除銹， 以獲得清潔和有一定粗糙度的表面， 從而提高熔結(jié)環(huán)氧粉末層對(duì)鋼管表面的附著力。 鋼管表面要求錨紋深度達(dá)到50～90 μm， 除銹等級(jí)達(dá)到Sa2.5 級(jí)， 鹽分含量不超過(guò)20 mg/cm2， 灰塵度不低于2 級(jí)。 “內(nèi)卷邊” 外焊縫使寬約0.5 mm 范圍內(nèi)的鋼管母材被焊縫邊緣緊密覆蓋， 從而形成了沿整條焊縫寬約0.5 mm 范圍的“鋼管表面處理死角”。 在3PE防腐過(guò)程中， 一般采用靜電噴涂法噴涂環(huán)氧粉末。 噴涂環(huán)氧粉末前， 需要利用高頻設(shè)備將鋼管加熱到適宜的溫度范圍， 使環(huán)氧粉末一接觸到鋼管就能立即熔化， 余熱使涂膜繼續(xù)流動(dòng)， 進(jìn)一步流平覆蓋整個(gè)鋼管表面， 特別是錨紋凹陷處以及焊縫兩側(cè)， 使涂層與鋼管緊密結(jié)合， 最大限度地減少空隙。 但熔化的環(huán)氧粉末涂膜很難流入“內(nèi)卷邊” 外焊縫邊緣內(nèi)， 即使有部分流入， 由于“鋼管表面處理死角” 的存在， 這部分環(huán)氧粉末與鋼管表面及焊縫的附著力也會(huì)大大減弱。 因此，“內(nèi)卷邊” 外焊縫必然會(huì)導(dǎo)致大量漏點(diǎn)的存在。

圖2 “魚(yú)脊”形外焊縫

防腐標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定， 焊縫部位的防腐層厚度不應(yīng)小于管體防腐層厚度的80%， 在檢驗(yàn)測(cè)量防腐層厚度時(shí)是以最薄點(diǎn)為判定標(biāo)準(zhǔn)的。 在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中， 當(dāng)管體防腐層厚度達(dá)到防腐標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)， 中凸的 “魚(yú)脊” 形外焊縫處的防腐層厚度往往達(dá)不到防腐標(biāo)準(zhǔn)的要求， 造成該處防腐層厚度偏薄。 為滿足 “魚(yú)脊” 形外焊縫處防腐層厚度達(dá)到防腐標(biāo)準(zhǔn)要求， 必然會(huì)增加整個(gè)管體防腐層厚度， 從而導(dǎo)致防腐材料的浪費(fèi)， 增加防腐成本。

1.3 “矩形”、 “馬鞍” 形外焊縫對(duì)3PE 防腐的影響

“矩形” 外焊縫如圖3 所示。 這種不良外焊縫邊緣與母材過(guò)渡陡直， 其過(guò)渡角一般小于120°， 焊縫上部較平。 “馬鞍” 形外焊縫如圖4所示， 這種不良外焊縫中間凹陷， 兩側(cè)凸起， 焊縫邊緣與母材過(guò)渡不平緩。 這兩種不良外焊縫，由于焊縫與母材過(guò)渡角太小， 在噴砂處理時(shí)， 焊趾處清理不凈， 容易造成環(huán)氧粉末噴涂不到位形成空隙， 或防腐層擠壓不實(shí)， 粘結(jié)不牢， 造成防腐層出現(xiàn)密集漏點(diǎn)， 從而導(dǎo)致防腐驗(yàn)收不合格。這兩種不良外焊縫由于凸棱的存在也會(huì)導(dǎo)致防腐層厚度不均勻、 涂層間氣泡、 斷裂等問(wèn)題。 同時(shí)， “馬鞍” 形外焊縫凹陷深度若過(guò)大， 會(huì)增加防腐材耗。

圖3 “矩形”外焊縫

圖4 “馬鞍”形外焊縫

2 不良外焊縫形狀產(chǎn)生的主要原因及其控制措施

螺旋埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中， 影響焊縫成形的因素較多， 比如焊接工藝參數(shù) （焊接電壓/焊接電流/焊接速度）、 工藝因素 （焊絲偏心距/前后絲傾角及側(cè)傾角/焊絲間距/焊絲伸出長(zhǎng)度）、 結(jié)構(gòu)因素 （坡口/成型）、 焊劑 （化學(xué)成分和黏度/堆積密度和顆粒度/堆放高度/堆放高度和分布）及焊接設(shè)備 （焊機(jī)與控制系統(tǒng)的匹配/焊機(jī)容量/焊接設(shè)備故障） 等。 本研究?jī)H對(duì)幾種不良外焊縫形狀產(chǎn)生的主要原因進(jìn)行分析探討， 為獲得良好的焊縫成形提供參考。

2.1 “內(nèi)卷邊” 外焊縫產(chǎn)生的主要原因及其控制

2.1.1 焊接電壓

在其他條件不變時(shí)， 電弧電壓增大， 焊縫熔寬顯著增加而熔深和余高將略有減小。 由于螺旋埋弧焊管的外焊是在鋼管的外部沿螺旋縫進(jìn)行焊接的， 處于斜面上， 熔化的焊縫金屬會(huì)在重力作用下發(fā)生側(cè)向流淌。 可見(jiàn)， 焊接電壓越大， 熔池越寬， 熔化的焊縫金屬發(fā)生側(cè)向流淌的趨勢(shì)就越嚴(yán)重， 越容易導(dǎo)致焊縫金屬偏流， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生“內(nèi)卷邊” 外焊縫。 因此， 為獲得較好的外焊縫形貌， 可適當(dāng)減小外焊前后絲焊接電壓。

2.1.2 焊絲側(cè)傾角

螺旋埋弧焊管的外焊點(diǎn)位置處于斜面上， 熔化的焊縫金屬在重力作用下會(huì)產(chǎn)生向成形縫自由邊一側(cè)側(cè)向流淌的現(xiàn)象， 容易導(dǎo)致焊縫偏流， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生“內(nèi)卷邊” 外焊縫。 選擇合理的側(cè)傾角可有效減緩焊縫金屬側(cè)向偏流的現(xiàn)象。 焊絲指向成形縫遞送邊的側(cè)傾角為7°～15°。

2.1.3 焊劑

螺旋埋弧焊管焊縫成形的質(zhì)量與焊劑化學(xué)成分、 黏度、 堆積密度、 顆粒度、 堆積高度及分布等因素密切相關(guān)。 因此， 應(yīng)選用性能優(yōu)良、 質(zhì)量穩(wěn)定的焊劑， 同時(shí)使用過(guò)程中也應(yīng)注意焊劑堆放分布均勻。

正常情況下， 焊劑應(yīng)均勻分布在熔池上方。螺旋埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中， 焊劑的分布一般是靠焊劑擋碗來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 焊劑擋碗應(yīng)與螺旋焊縫對(duì)稱， 這樣才能使從焊劑管中流下來(lái)的焊劑均勻分布在熔池上方。 當(dāng)焊劑碗偏斜時(shí)， 則焊劑碗中的焊劑一邊高一邊低， 高的一邊焊劑始終對(duì)熔池金屬產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向推力， 將熔池金屬推向另一側(cè)，熔化的焊縫金屬凝固后則在這一側(cè)形成了“內(nèi)卷邊” 外焊縫。 因焊劑擋碗偏斜導(dǎo)致的 “內(nèi)卷邊”外焊縫雖然成因簡(jiǎn)單但極易被忽視， 生產(chǎn)過(guò)程中焊接操作人員必須注意觀察， 發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)調(diào)整。

2.2 “矩形” 外焊縫產(chǎn)生的主要原因及其控制

生產(chǎn)大壁厚螺旋埋弧焊管時(shí)， 為保證內(nèi)外焊道的熔深和減小焊縫余高以及保證焊縫力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 一般均采取鋼板邊緣開(kāi)Y 形或X 形坡口后進(jìn)行埋弧焊接。 選擇合理的焊接坡口形式是提高大壁厚螺旋埋弧焊管焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。

實(shí)際生產(chǎn)中， 壁厚較薄時(shí)一般不開(kāi)坡口。 但壁厚在11～12 mm 且未開(kāi)坡口時(shí)， 為確保熔深需采用較大的焊接電流。 此時(shí)若偏心距太小且焊接電壓較大， 則會(huì)產(chǎn)生“矩形” 外焊縫。 正確的做法應(yīng)該是適當(dāng)加大外焊偏心距， 而不能只靠加大焊接電壓來(lái)控制焊縫高度， 否則就會(huì)產(chǎn)生 “矩形” 外焊縫。

2.3 “魚(yú)脊”、 “馬鞍” 形外焊縫產(chǎn)生的主要原因及其控制

2.3.1 焊絲偏心距

螺旋焊縫是沿著不斷形成的螺旋線的運(yùn)動(dòng)方向而焊成的， 因此在焊縫上未凝固的液體金屬將隨著所處的空間位置的變化而流淌。 若要保證螺旋焊縫獲得良好的焊縫形狀， 必須使熔化而流動(dòng)的液體金屬在傾斜的母材上具有穩(wěn)定的凝固條件。 因此， 外焊點(diǎn)應(yīng)在鋼管頂點(diǎn)且逆旋轉(zhuǎn)方向偏移一段距離， 使熔池金屬結(jié)晶凝固時(shí)接近于水平位置， 以獲得較好的焊縫成形。

外焊點(diǎn)偏心距的選用與管徑成正比， 管徑愈大， 偏移量也應(yīng)較大； 管徑愈小， 偏移量也應(yīng)減小。 一般直徑219～1 420 mm 的鋼管， 其下坡偏移量可近似在10～100 mm 內(nèi)取值。 下坡偏移量過(guò)小， 熔深增加， 焊縫窄而高， 易造成咬邊缺陷， 焊縫呈中凸的 “魚(yú)脊” 形； 下坡偏移量過(guò)大， 焊縫熔寬增加， 熔深減小， 易造成未熔合，焊縫呈扁平或中凹的“馬鞍” 形。

2.3.2 雙絲焊前后絲傾角

在螺旋埋弧焊管生產(chǎn)中， 當(dāng)焊絲在一定的傾角內(nèi)后傾時(shí)， 電弧力后排熔池金屬的作用減弱，熔池底部液體金屬增厚， 熔深稍有減小， 而電弧對(duì)熔池前方的母材預(yù)熱作用加強(qiáng)， 故熔寬增大。根據(jù)雙絲埋弧焊的基本原理及生產(chǎn)實(shí)踐， 前絲一般采用直流前傾 （β1）， 主要是確保焊縫熔深；后絲一般采用交流后傾 （β2）， 主要是來(lái)改善焊縫表面成形。 β1、 β2分別為前絲、 后絲與垂直中心線的夾角。 β1在較小范圍內(nèi)增大時(shí)， 熔深無(wú)明顯變化， 熔寬減小， 而β1過(guò)小時(shí)， 焊道中間有棱， 呈“魚(yú)脊” 形狀； β1較大時(shí)對(duì)防止氣孔、 裂紋不利， 易造成未熔合或咬邊， 使焊縫成形不良。 β1一般應(yīng)控制在12°以下， 在選擇β1時(shí)常常使前絲延伸方向近似通過(guò)鋼管中心。 β2增大時(shí)，焊縫成形無(wú)明顯變化。 當(dāng)β2較大時(shí)， 焊道中間出現(xiàn)凹陷的“馬鞍” 形， 且焊道兩側(cè)有小夾渣等缺陷， β2一般應(yīng)控制在20°以下。

3 結(jié)束語(yǔ)

鋼管3PE 防腐質(zhì)量對(duì)延長(zhǎng)管線鋼管壽命至關(guān)重要， 而螺旋埋弧焊管外焊縫形狀又對(duì)3PE防腐質(zhì)量及成本有著重要影響。 因此， 在螺旋埋弧焊管生產(chǎn)過(guò)程中， 必須嚴(yán)格控制焊縫外觀形狀， 合理選擇各個(gè)參數(shù)， 杜絕不良外焊縫形狀的產(chǎn)生， 以降低防腐成本， 確保防腐質(zhì)量。