大直径直缝焊管焊缝在线预热工艺探讨

2014-01-23申惠芳孙灵丽曾晓东

焊管 2014年5期

申惠芳，孙灵丽，曾晓东

（1.中冶京诚工程技术有限公司，北京100176；

2.渤海装备研究院输送装备分院，河北青县，062658；3.江苏天淮钢管有限公司，江苏淮安223002）

大直径直缝埋弧焊管应用已扩展到众多领域，除输送管线外，还向特种船舶如海洋钻探采油平台、海上浮吊等海洋结构和火力发电机组等管道领域方向发展。大直径直缝焊管作为海洋结构用管具有明显的优势，如壁厚均匀、工艺简单、成本低，性能受制管工艺影响较小，易于实现高强度、高韧性的要求，且其规格调整灵活，可满足不同管径的要求。然而海洋结构用管的服役环境与陆路流体输送管有所不同，海洋结构用管除了承受工作应力外，还要经受风、浪、海水腐蚀、温差和低温等环境应力的作用。因此，在实际应用中，对海洋结构用管除了要求具有一般管道性能外，还对其强韧性、耐腐蚀性提出了更高的要求。通过试验可知，采用小焊接热输入和焊前焊缝预热的工艺方法是提高焊接接头综合性能的有效途径。

大型超超临界火电机组四大管道，即主蒸汽管道、再热蒸汽管道热段、再热蒸汽管道冷段和高压给水管道，是火电机组的关键部件，其中再热蒸汽管道冷段采用大直径直缝结构焊管，为了保证焊缝质量，在焊接工艺上也要求对焊缝进行预热。

对于碳当量和冷裂纹敏感系数较高的高强度、高韧性的大直径直缝焊管，要求焊前对焊缝进行预热，焊后对焊缝进行缓冷，有的结构焊管品种还要进行整体热处理。焊缝预热和缓冷的主要作用是：①预热可以降低焊接结构的拘束度，对降低角接接头的拘束度尤为明显，随着预热温度的提高，裂纹发生率下降；②可降低焊接应力。均匀地局部预热或整体预热，可以减少焊接区域被焊工件之间的温差（也称为温度梯度），这样，一方面降低了焊接应力，另一方面降低了焊接应变速率，有利于避免焊接裂纹产生；③减缓焊后的冷却速度。有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹，同时也减少焊缝及热影响区的淬硬程度，提高焊接接头的抗裂性。

1 现有的焊缝预热方式

各JCOE焊管生产厂家现有的焊缝预热工艺有以下2种方式：①用气体火焰加热焊缝全长；②用电阻加热焊缝全长。这两种预热方式都是离线形式，即预焊后的管筒由吊车运至焊缝预热设备上进行预热，当焊缝温度加热到160～220℃时，再由吊车将管筒吊运至内焊小车上进行内焊。

离线式焊缝预热工艺的缺点是：

（1）内焊时焊缝温度不均匀。当焊缝全长加热到160～220℃后再进行内焊，焊缝管头和管尾有温差，即内焊到管尾时焊缝的温度达不到管头的温度，焊缝质量会有差异；

（2）整体加热管筒焊缝效率低，能耗大，不利于节能；

（3）气体火焰加热焊缝全长的预热方式，造成环境污染；

（4）焊缝离线预热采用吊车吊运，加上预热时间，周期较长，影响焊接设备的利用率。

因此，考虑采用中频感应预热器，使焊缝预热和焊接在线同步进行，这样焊缝预热温度会比较均匀，而且可以降低能耗，提高焊接设备的利用率，改善操作环境。

以现有的1422 JCOE焊管机组为例，探讨采用中频感应预热设备，实现管筒焊缝预热和焊接同步的2种工艺方案。

1 422 JCOE焊管机组管筒有关参数如下：

管筒直径：508～1 422 mm；

管筒壁厚：6.4～60.0 mm；

管筒长度：8 000～12 500 mm（未包括引弧板长度300 mm和熄弧板长度500 mm）；

焊缝预热温度：160～220℃；

管筒预热（内焊）线速度：0.9～1.6 m/min；

管筒预热处V形角最大宽度：30～35 mm；

工作状态：间隙、连续工作制。

2 管筒内焊前焊缝在线预热工艺方案

2.1 中频感应预热设备

与中频感应预热设备生产厂家技术沟通后，根据管筒尺寸、预热温度和内焊速度要求，初步提出的中频感应预热设备如下：

中频感应预热设备由电源柜、感应预热器、电容器、控制柜、操作台、测温装置及冷却系统等组成。中频感应预热设备感应器功率200 kW，频率可达1 000 Hz。考虑到感应预热过程的热传导和钢管内焊速度，感应器长度为900 mm；管筒焊缝V形角最大宽度30～35 mm，为充分加热，预热器宽度为100 mm（如图1所示）。因此感应器尺寸为900 mm×100 mm×35 mm，感应器上面有2对小滚轮（图1中未标示），预热时将感应器贴在管筒底部。

感应加热器、电容器放置在T形钢臂上，T形钢臂的尺寸为13 000 mm×100 mm×350 mm，T形钢臂上有3～4对滚轮，可在内焊小车底板上滚动。

图1 管筒焊缝与感应器相对位置示意图

电源柜尺寸1 600 mm×1 000 mm×2 000 mm。电源柜放置在内焊小车尾部侧边，通过电缆和连接母排与感应器连接。连接母排长度12 500 mm，宽100 mm，高270 mm，连接母排布置在T形钢臂下侧面，感应器安装在电容器柜上。

红外测温仪尺寸很小也很轻，可装在内焊臂上，放在钢管内表面，用于测量管筒内壁预热温度，防止因为预热温度过低或过高影响焊接质量。

在内焊设备不进行内焊和焊缝预热时，内焊小车后退，T形钢臂脱离内焊小车，其一端固定在支柱上，伸出的约13 000 mm悬臂，由2个可倾倒的气缸支撑架托住。整个T形钢架臂放置在内焊臂的正下方（如图2所示）。

图2 T形钢臂示意图

2.2 内焊小车的修改

要求内焊小车上的V形辊改为2个悬臂的锥形辊，端部间距约为150 mm（如图3所示）。固定在内焊小车上的V形辊和旋转托辊架的底板要切断，切断后两端间距为150 mm；内焊小车靠内焊臂这一端，150 mm宽的两侧和底面，做成喇叭形，便于感应预热器、电容器柜和T形钢臂进入。内焊小车的其他部件和参数不需修改。

图3 V形辊、旋转辊与感应器相对位置示意图

2.3 管筒焊缝预热和内焊操作工艺过程

当内焊小车接收到待焊的管筒后，内焊小车和管筒前进（如图2所示），内焊臂进入待焊管筒内，T形钢臂同时进入内焊小车和待焊管筒之间形成的空间（如图3所示）。当内焊小车和管筒继续前进，T形钢臂上的位置传感器根据检测的信号，气缸支架依次倾倒，直到内焊臂的焊丝进到管筒的引熄弧板上方，T形钢臂也同时到达管筒前端部，两者之间有位置差，此时内焊小车和管筒停止移动。当内焊臂焊丝下降，感应器上升贴在管筒底部，内焊小车和管筒后退（如图2所示），管筒预热和内焊开始，当内焊小车后退到一定位置时，T形钢臂上的位置传感器根据检测的信号，气缸支架依次竖立起来，托住T型钢臂，直到管筒的预热和内焊结束。准备下一根管筒的预热和内焊，这样使预热和内焊同步进行，克服了管筒离线预热存在的各种问题。

采用中频感应预热设备，对管筒焊缝预热和内焊同步进行的设计方案和有关专家讨论过，专家认为对于φ508～φ1 422 mm管筒，内焊小车空间宽度（150mm）窄小，操作过程中有一定的难度。如生产直径较大的直缝焊管，可将内焊小车上的2个悬臂的锥形辊和旋转托辊的间距加大，使T形钢臂比较自由地进入和退出内焊小车，那么该设计方案更加可靠。

3 管筒外焊前焊缝在线预热工艺方案

如前所述，如果采用管筒内焊前焊缝在线预热工艺方案，意味着一些小直径直缝焊管可能不能生产。如果仍维持生产φ508～φ1 422 mm直缝焊管，则采用管筒外焊前焊缝在线预热工艺方案更加合理。因为外焊工艺设备相对简单，空间尺寸较大，而且焊缝处在12点钟位置，中频感应器小滚轮可直接贴在焊缝上方，中频感应预热设备的其他部件可布置在外焊小车侧边，这样焊缝在线预热和外焊同步进行就很好解决了。这就要求预焊后的管筒先外焊再进行内焊，将改变内、外焊的焊接工序和焊接区域的设备平面布置，也需要认真研究。

对大直径直缝埋弧焊管，先外焊后进行内焊，从埋弧焊接机理本身看，有关专家认为技术上是可行的，而且国内的天水锻压机床有限公司曾在JCOE机组上进行过试验，试验是成功的。

采用先外焊后内焊的焊接工序和焊接区域的设备平面布置变化，对新建的JCOE机组是没有问题的。但在国内目前直缝埋弧焊管机组产能过剩的情况下，建设新的JCOE机组，短时间内可能性不大。

国内现有的JCOE机组，管筒几乎都是采用先内焊后外焊的焊接工艺，这些机组的焊接工序和设备布置已经确定。管筒能否先外焊，采用中频感应预热设备，使外焊和焊缝预热同步，然后再进行内焊，这可能需要对每套JCOE机组进行认真研究分析后才能确定工艺方案。可能有些JCOE机组仅进行少量的改造，就能实现预焊和检查修补后，管筒通过辊道可直接输送到外焊设备，使焊缝预热和焊接同步进行，外焊检查修补后管筒通过辊道返回到内焊设备上进行内焊。有些JCOE机组可采用吊车，将预焊和检查修补后的管筒直接吊运到外焊设备上，使焊缝预热和焊接同步进行，外焊检查修补后管筒再吊运到内焊设备上进行内焊，然后进行下道工序。

总之，对国内现有的大部分JCOE机组，如要生产大直径直缝埋弧焊管，采用中频感应预热设备，使焊缝预热和外焊在线同步，外焊后再内焊，是完全可行的。