浅析不锈钢管道施工的焊接变形控制

2023-01-02毛晓军

中国设备工程 2022年2期

毛晓军

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

1 不锈钢管道焊接变形原因

对于不锈钢这种特殊的材料而言，当这种材料在高温状态下时，在沿着焊道的方向上，焊缝金属数量显著增多，根据相关经验调查，电弧附近的峰值温度异常高，甚至在一些条件下可达到几千摄氏度，因此，在这种条件下，靠近焊缝的较热金属会表现出较明显的膨胀特性，而远离焊缝的较冷金属膨胀特性并不明显，且会对来自较热金属的膨胀力产生一定的阻止作用，最终诱发工件金属的变形。在工件处于冷却条件下时，因为存在热收缩力，这一热收缩力将加剧焊缝金属的收缩，但部分收缩力可能分布在变形的工件金属内，此时，工件刚性部分，没有收缩力的分布且不会残留在工件内部，无法形成内应力。这些特点使得不锈钢管道焊接变形主要是由以下因素所导致：（1）不锈钢的热膨胀系数相对较大，根据相关调查，奥氏体不锈钢的热膨胀系数大约为碳钢的40%，且不锈钢的电阻率较高且导热系数较小，这些特性使得在不锈钢管道焊接中，易形成巨大的内应力，一旦在焊接施工过程中无法有效进行这一内应力的控制，将加剧变形情况的出现。（2）不锈钢熔的流体黏性相对较高，焊接作业的实施困难，为顺利焊接，在焊接作业的开展中需适当增大焊接电流，因为焊接作业的开展中表现出热输入增加，也就会增大焊接变形的概率。（3）当焊接作业中点焊、固定焊的长度或者数量无法达到焊接施工的要求，或者焊接顺序设置不当，也易引发焊接变形。

2 不锈钢管道焊接变形控制

出于不锈钢管道焊接变形的原因，为有效实现对焊接变形的控制，在具体的焊接作业开展中，可从以下几个方面来控制。

2.1 焊工资质

接收因为不锈钢管道焊接的专业性较强，参与此项焊接作业的人员要具备高超的技术和良好专业素质，总之，焊工资质要达到要求，工程企业需对焊工开展严格的检查，确保参与不锈钢管道焊接的焊工，都持有岗位所要求的职业技能证书和资格证，在后续的焊接作业开展中，焊工可遵守规范化焊接的要求，利用自身专业知识解决焊接作业中出现的诸多问题。

2.1.1 检查资格证明的有效期

焊工资格检查也要重视对有效期的检查，一般情况下，从焊接人员的考核合格日期开始，资格有效期不应超过3年，一旦焊接人员因为某些原因中断了焊接作业，且中断时间超过了半年，就需要开展重新的资格考核与认证。

2.1.2 检查考试项目与所焊产品的一致性

焊接人员的考试中，在考试项目中明确标明了相应的代号，检查人员在开展焊工检查的过程中，要熟悉各个考试代号，在开展焊接人员的资格检查时，可根据自身所掌握的知识，对考试项目与所焊产品的一致性开展检查。就我国现行的焊接检查标准，合格证中的代号包含焊接方法分类号、材料分类号、母材钢号分类号、证件类别分类号，在对焊接人员进行资格认定的过程中，除了要进行焊工资格证有效期的检查，更需要保障焊接方法、材料、母材钢号、试件类别符合焊接要求。

2.2 机械加工坡口

在开展不锈钢管道焊接作业的过程中，对于坡口加工或者切割环节，一般会配备手工等离子切割磨光机来开展焊接作业，在这一焊接作业的实施过程中，现场管理工作难度大，涉及的焊接任务艰巨。机械切割的实施不仅可保障加工速率，更可给现场的操作施工带来巨大的便捷，有利于加工标准化目标的实现。但在不锈钢管道涉及机械加工坡口时，应严格遵循机械加工的要求，开展规范化的加工处理，尽可能保障热影响区的均匀分布。

2.3 组对点焊

不锈钢管道焊接作业的实施中，对于卡具制作材料硬度等都有严格的规定，根据焊接施工经验，不锈钢组对卡具制作材料硬度的要求相对低一些，在涉及管子和管件的组对作业时，必须保障内壁的平齐性，如果为同管径内壁，应保持错边量的均匀分布，但错边量不得超过1.5mm。一旦在错边量超出了设计规定，就需要按照相关要求及时进行坡口的加工与处理。点焊作业的开展要配备专业的焊工来完成，并在焊接作业中开展规范化的施工，一般情况下，点焊焊缝长度需保持在15～20mm。点焊的硬性规定为：所使用的焊材与正式焊接时的焊材完全一致，严禁随意使用焊材；焊接工艺需与正式焊接的焊接工艺相一致；依据管道直径来确定点焊的数量与长度；焊接作业结束后，安排专人来对焊缝质量进行全面检查，一旦发现了质量问题，及时组织专人来处理。

2.4 过程控制

不锈钢管道的焊接变形控制中，为最大程度上减小变形问题，可从过程控制的角度，确保每个焊接作业都可规范化实施。过程控制可从以下方面来开展：（1）对厚度偏差进行严格控制，确保偏差处于允许范围内，针对DN150mm的管口，在偏差控制上一般采用角向磨光机手动磨光，而针对DN150mm～DN300mm的管道，需对坡口开展机械加工。（2）在DN150mm～DN300mm管道的焊接处理中，需配备专用的对口夹具，将放置在管道中的马凳固定或者连接处理为一个整体性结构，在利用夹具组对定位的过程中，不得直接将夹具焊接在管道上。如果在焊接作业的实施中，需对焊口开展热处理，焊接作业人员要在热处理之前及时将卡具拆除，且在热处理结束后，严禁在母材上开展任何附件的焊接作业。（3）对口作业实施前，焊接人员要对坡口管壁开展检测，一旦坡口管壁与实际存在较大的偏差，则需在焊接作业开展时实施厚薄交叉搭配，并达到对称错开的效果。管道沿着圆周方向的坡口角度，应保持大小的均匀性，将对口间隙控制在合理的范围内，根据工程经验，对口间隙一般保持在2～4mm，只有将这一指标控制在了这一范围内，才可以减小金属的填充作业。试件圆周特点位置的点焊作业开展时，为保障点焊施工效果，需在焊接作业的开展过程中，加强对点焊长度和厚度的控制，一般点焊长度、厚度应分别超过10～20mm。（4）现场应用推广焊接不锈钢管道采用的常见充气方法：①“隔断充氩气保护法”预制短管、法兰和弯头及直管（短节）使用，对于局部空间较小尺寸较短的管道易使用局部保护，方法：将管道焊口用胶带封住(防止漏气)，管道两端用海绵、胶皮、纸壳等封口，将氩气软管从一端插入充入氩气，管道的另一端封口处最好打一小孔，这样有利于最后的打底焊接接头，不会因内压过高而产生凹陷等，这种措施避免了焊接大管径管线时用气量大，产生浪费。②“焊口处充气保护法”从管汇一端开始连接或另一端从采油树法兰开始连接时，中间使用易溶纸、易溶胶带隔开的组对前在焊口两侧150～200mm处贴上水溶纸作为封堵，组对好焊口后和海绵堵头同样的充气焊接，当管道水压试验时，水溶纸会溶解掉，随水排出，容易掌握、方便操作，避免成本高、浪费氩气。③“背部氩气保护法”管径小的管线使用整根管线连接在一起后再焊接。为了减少管内氩气从对口间隙处流失，影响保护效果，增加成本，焊接前可沿焊口间隙贴上胶带，仅留出焊工一次连续焊接的长度，边焊边揭去胶带，此种方法适合小管径管线，不仅节约耗材，还能提高工作效率。

2.5 不锈钢管道背部保护注意事项及效果判断

（1）不锈钢管道焊接前，应提前对管道做背部充氩气保护，开始流量适当大一些，等待空气排出后，流量逐渐减小。焊接过程中应不间断地向管道内充氩气。焊完焊口后才能拔掉氩气软管，这样焊缝才能得到很好的内外保护效果。（2）充氩气入口应置于封闭管道尽可能低的位置，空气排出孔应置于封闭管段稍高位置。因为氩气比空气重，从较低位置充入氩气能够保证管道内氩气的浓度，充氩保护效果更好。（3）不锈钢管道氩气保护效果可根据内焊缝颜色进行判断，这样，现场操作人员可以根据颜色进行氩气量的调整，使其达到最好的保护效果。不锈钢管道焊缝其颜色以白、金黄为最好，灰黑最差。