本帖最后由 kanvic 于 2012-12-21 13:35 编辑
中国石化集团公司胜利油田油建职工培训中心 王绍智
中国石化集团公司胜利油田 门渤海 汤海东
中国石化集团公司第十建设公司技术质量部 唐元生
摘 要：本文针对工程中导管架管结点焊接接头采用常规焊接工艺方法，无法达到质量要求的难题，提出了用“灭弧点焊法”焊接管结点根部焊缝；用“多层多道排焊法”焊接填充焊缝；用“碱性焊条下向排焊法”焊接盖面焊缝的一整套操作技术，解决了管结点焊缝的质量问题。整套技术通过集中培训和现场示范等形式，已广泛应用到了施工生产中。
关键词：海洋工程；管结点；焊接
1 问题的提出
近几年来，随着海上油田建设的发展，海上采油平台、井下作业平台、导管架等金属结构大量生产制造、使用，这类结构中管结点是最为常见的焊接接头之一。由于管结点两侧母材都是筒形结构，其直径一般在400~ 800mm之间，壁厚在20~50mm之间，焊口在空间的位置属于曲线形全位置焊口如图1所示，就焊接而言，这种接头带有很大的特殊性。又由于海上钢结构焊缝与压力容器焊缝在质量上的要求不完全一样，因而采用常规的焊接手法时，焊接质量会出现许多问题, 其中主要的缺陷有以下3种。
1.1 根部焊缝出现裂纹
焊接根部焊缝时，非常容易出现焊缝表面看似良好，但内部却存在大量的微型裂纹的现象（因坡口深而窄, 焊缝表面裂纹很少）。如果用磨光机把焊缝表面焊肉磨去，就能见到许多夹渣和外形不规则的裂纹。特别在焊接大厚度接头时，这种现象更为明显。
1.2 填充焊缝外表成形不良
焊接填充焊道时，每层焊道两侧咬肉很难控制。在上坡焊、下坡焊、立焊、仰焊部位，焊道中间凸起很明显，焊接时非常容易出现夹渣、未熔合等缺陷。为清除此类缺陷，施焊过程中加大了各层之间磨修焊道的工作量，影响了焊接进度，同时焊接质量难以保证，超声波检查时合格率很低。
1.3 盖面焊缝外观质量不合格
常规焊接盖面焊缝，焊后除焊缝两侧有咬肉、中间凸起等缺陷外，上横部位还有焊道下坠的现象，成形不美观，不能达到船级社规范要求中“平滑过渡”的质量要求。为使焊后表面与比邻的母材熔合光顺，必须将焊缝磨成光滑的凹型，如图2所示，凹型半径r的最小值根据管件间的夹角α和铉杆管壁厚t规定如下：当夹角α≤130°时，r≥t/2；当夹角α≥130°时，r≥t。
2 焊接缺陷难点分析
2.1 根部焊缝裂纹形成的原因
根据根部焊缝裂纹形状和产生时间分析，基本应判定为焊接热裂纹（或叫结晶裂纹）。热裂纹产生机理其一为熔池的低熔点共晶，其二为焊接过程中的拉应力。焊接前，焊缝坡口都进行了严格清理和检查，可排除导致低熔点共晶的因素。由于结构的特殊性（厚度大、尺寸大、刚性大），焊接中焊缝要承受很大的焊接应力，所以这是造成结晶裂纹的主要原因。作用原理可通过图3进行分析。
图3中纵坐标表示焊缝的温度；横坐标表示焊缝金属在脆性温度区△T内实际具备的塑性变形量（P）和在焊接应力作用下产生的变形量（△e）；直线1、2表示在不同的焊接应力条件下, 随温度下降，焊缝金属产生的实际变形量。
常规的焊接方法中焊缝两侧热影响区受到的线能量大，熔池体积也大, 冷却过程中作用在焊缝上的焊接应力大，结果产生如同直线2所对应的应力变形△e2，△e2的值比Pmax大，因而形成开裂。当采用“灭弧点焊法”后, 焊接线能量小，形成的焊接应力变形相当于直线1对应的△e1，△e1小于Pmax，所以不会开裂。另外在对大间隙部位的处理上，采用“两点”或“三点”的操作手法如图4所示，实际上是降低了焊缝的刚性拘束，加大了塑性变形量Pmax，减小了焊接应力变形△e，焊缝更不会开裂。 2.2 碱性焊条下向焊优势分析
与酸性焊条相比，碱性焊条下向焊的焊接操作性稍好些，原因是碱性焊条与酸性焊条熔渣的物理特性不同。其中起主要作用的因素是熔渣在高温条件下（1200~1400℃）的粘度、表面张力、导电性。
图5中熔渣的温度在1200~1400℃及附近时，碱性熔渣的表面张力、粘度都明显小于酸性渣，这说明在该温度下碱性渣流动性好，也就是焊接中所感觉到的“碱性焊条熔池清晰，熔渣薄而稀，酸性焊条熔渣流动性差，不易赶开，熔池情况不易观察”的现象。因碱性渣具有这一特点，故而在下向焊中多余的熔渣比较容易被电弧吹掉。
在高温情况下，熔渣导电性能的好坏主要取决于熔渣中各种离子体的数量，如Na+、Fe2+、Mn2+、F-等离子体。酸性焊条药皮中主要成分是TiO2、SiO2、CaCO3等，碱性焊条药皮成份主要是CaCO3和CaF2，两种药皮熔化后形成的等离子体数量，碱性焊条要比酸性焊条多，所以碱性渣在高温下的导电性比较好，有利于防止熔渣压灭电弧现象的发生。
3 解决问题的措施及操作要点
3.1 用“灭弧点焊法”焊接根部焊缝
“灭弧点焊法”这种操作手法主要在于解决根部焊缝裂纹问题，同时也降低背面焊缝成形的控制难度。焊接时，起焊点的位置、焊条角度、焊接方向等都与常规操作时一样，但不同之处在于“灭弧点焊”尽量减小熔池尺寸。对于间隙大的部位可采用连点两点三点，即“左一点，右一点”或“左一点，右一点，中间一点”, 更换焊条收弧时要用三点向后收弧，如图5所示，以避免出现弧坑裂纹。焊接时用的焊条直径Φ3.2mm，焊接电流110~115A，电弧电压22~26V，采用直流反接短弧操作。
3.2 第二层焊缝用常规焊接手法
第二层焊缝焊接用常规手法操作, 只要正确制定并使用焊接规范，焊接质量较容易保证。焊接时选用E5015和焊条，直径Φ4mm，焊接电流160~170A, 点焊电压22~25V。起焊点位于6点钟位置左右，起焊时要从起焊点前方30mm 左右的位置引弧，电弧引燃后快速拉回起焊点施焊。运弧采用反月牙形运条方法，短弧操作。第一个熔池的焊肉要薄，从第二熔池起焊肉要增加到正常厚度，但厚度不宜高于焊条直径, 这样能防止焊接后半圈时接头处出现焊瘤。在随后的操作中都要用短弧，电弧在坡口两侧要稍作停顿，中间过渡稍快些。
3.3 其他填充层用多层多道排焊
第二层焊缝焊完后，开始采用排焊焊缝焊接效果较好。一般情况下第三、第四层排焊两道，以后各层根据焊口宽度不同排焊二或四道。每道焊缝使用的规范与第二层基本相同，但区别在于排焊时焊条摆动的幅度较小, 焊道宽度要控制在焊条直径3倍以内，如图6所示。
在接近盖面位置时，由于整个焊口的坡口深度不一致，可能出现有的部位已经焊满、有的部位还没有填满的现象，这时就要将未填满的部位进行填焊，同时还要对外形不符合要求的部位进行修整，尽量让焊缝低于表面0.5~1mm，并保证找平层上下均匀。
3.4 用碱性焊条下向排焊焊接盖面层
图7表示出了用碱性焊条下向排焊的基本操作过程。
其基本原理是利用电弧吹力和液态金属的表面张力克服重力的影响，让一部分液态金属附着于基本表面，随电弧向下移动形成薄而均匀的焊道, 同时也利用电弧吹力和重力作用，将多余的液态金属熔渣吹离开焊接区。
第一道焊道可以安排在大管一侧, 也可安排在小管一侧。其他焊道按先后顺序排列。起焊点位于12点左右位置，顺1点、2点、向6点方向施焊。焊条不做横向摆动, 连续向下移动，焊条在各个位置上的角度，如图8所示。
焊接时使用的焊条直径Φ3.2mm, 电流120~130A，电压21~25V，采用直流反接。后半圈操作与前半圈相同，随后各道焊缝的操作也与前半圈相同。整个盖面操作就是要把原焊道高的部分“抹平”，低的部分“填平”最终达到光滑平整的“船型”焊缝表面。下向排焊焊缝成形如图9所示。 4 结束语
4.1 对于刚性拘束非常大的焊接接头, 焊接根部焊缝时用“灭弧点焊法”操作，能有效地控制结晶热裂纹。
4.2 较深坡口全位置接头的填充焊缝, 用多层多焊道排焊，容易得到理想的焊缝表面形状，控制焊缝层温度，提高焊接质量和生产率。
4.3 对海洋平台工程中管结点接头的盖面焊缝，用碱性焊条下向排焊能获得平滑焊缝表面，可以满足船级规范中的各项技术要求。
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发表于 2012-12-21 13:34
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