直缝埋弧焊管焊缝形貌控制

    摘 要：焊缝余高过高及焊缝鱼脊背，都会使得焊缝与母材过渡角过小，从而引起焊趾处应力集中，导致服役条件下管道疲劳破坏；加大钢管的外防腐作业难度，造成焊缝部位防腐层厚度减薄甚至开裂。针对这些问题，分析了影响焊缝余高质量的主要因素，以及改善焊缝形貌所采取的工艺措施，如铣边坡口和焊接工艺参数的优化设计、焊头位置参数的调整。焊缝形貌的改善在实际生产中取得了满意的效果。

    关键词：直缝埋弧焊管；焊缝形貌；焊缝余高；焊缝鱼脊背；防腐

    DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.08.021

    0 前言

    随着油气管道建设的快速发展，行业竞争也愈演愈烈，客户对钢管内外质量需求也在不断提高，不仅要求焊缝内在质量缺陷少、具有良好的力学性能，而且还要求焊缝的外观形貌越来越美观，即焊缝余高不能超高、焊缝不能存在鱼脊背，焊缝与母材需平滑过渡等。

    目前，我公司钢管防腐多采用三层聚乙烯（3PE）技术，那么在直缝埋弧焊管防腐过程中，由于焊缝余高的存在，焊缝部位的防腐层厚度要小于管体，且焊缝余高越大，两者之间差值越大，GB/T 23257-2009等相关标准中都明确要求焊缝部位的防腐层厚度不能小于管体防腐层厚度的70%，故防腐工序为保证焊缝部位的防腐层厚度能满足要求，必须增加整个管体的防腐层厚度，如此防腐成本就会大大增加，并且焊缝若存在鱼脊背，易造成焊缝防腐层开裂，大大增加防腐作业难度。

    1 现状分析

    API SPEC 5L（45版）焊缝余高要求：当钢管壁厚≤13mm时，内焊缝≤3.5mm，外焊缝≤3.5mm；当钢管壁厚>13mm时，内焊缝≤3.5mm，外焊缝≤4.5mm；我公司内控标准对焊缝余高要求：内焊缝≤3.0mm，外焊缝≤2.5mm，分析目前我公司直缝埋弧焊管的焊缝形貌，当壁厚≥10mm时，外焊缝余高可以控制在2.5mm以内，但当8mm≤壁厚<10mm时，外焊缝余高很难控制在2.5mm以内，基本都在2.8mm；当钢管20mm≤壁厚≤25mm壁厚时，外焊缝存在明显鱼脊背，如图1所示，因这些问题也常遭到防腐工序的质量投诉。

    分析产生焊缝余高过高和焊缝鱼脊背的原因，主要有以下几个方面：

    （1）坡口参数设计不合理。坡口参数包括钝边、坡口角度、坡口深度，若钝边过大或坡口的角度和深度设计的过小，都会造成焊缝熔池填充空间变小，使得焊缝余高超高。

    （2）焊接参数设计不合理。焊接参数包括焊接电流、焊接电压、焊接速度，若焊接电流过大、焊接电压过小、焊接速度过慢都会造成焊缝余高超高、产生焊缝鱼脊背。

    （3）焊头位置参数设计不合理。焊头位置参数包括焊丝干伸长、焊丝间距、焊丝倾角，焊接时，若焊丝干伸长过大或焊丝间距、倾角过小，同样会造成焊缝余高超高。

    2 焊缝形貌控制的工艺措施

    2.1 优化铣边坡口尺寸

    针对生产钢管8mm≤壁厚<10mm时存在的焊缝余高超高，以及钢管20mm≤壁厚≤25mm壁厚时存在的焊缝鱼脊背问题，重新设计优化了坡口参数。

    （1）针对8≤壁厚<10mm的钢管，生产采用的坡口角度90°，钝边4mm，m值2.5～3mm。若想降低外焊缝余高，必须增大外坡口尺寸即n值，目前90°坡口刀已为所使用的最大角度，故只能更改钝边尺寸h和坡口深度（即n、m值），于是在现有刀盘尺寸的基础上，对铣边刀盘进行改造，通过增加垫片，将钝边h值由4mm减小至极限值3.4mm，上坡口斜面长度m值由2.5～3mm减小至极限值2～2.5mm。

    （2）针对20mm≤壁厚≤25mm壁厚钢管，生产采用的坡口角度内90°外75°，鈍边8.5mm，n-m值1～1.5mm。如要增加坡口角度，目前比75°大的只有90°，但通过对焊缝横截面熔敷量模拟计算，若角度从75°增加到90°，熔池金属填充量在原基础上会增加40%左右，熔敷量变化太大，若要采用原有的焊接规范，焊缝就会低于母材，若要余高合适，就必须增加焊接热输入量，如此会对焊缝内在力学性能产生较大影响。故针对大壁厚钢管，笔者从改变钝边尺寸和坡口深度上考虑，但钝边尺寸过小易产生成型不稳定、焊接烧穿等缺陷，故调整坡口深度n和m值，通过改变n-m的差值调整坡口深度，将n-m值由1～1.5mm增加至2.5～3mm，从而将外坡口宽度增加了2mm。

    因此，针对不同壁厚的生产要求，以生产数据为基础，参考试验结果，应制定适用的钝边尺寸和坡口深度。

    2.2 优化焊接参数

    通过对焊接电流、焊接电压、焊接速度进行了调整，取得了良好的效果。

    （1）针对8mm≤壁厚<10mm的钢管，车间以前采用的焊接规范如下，见表1：

    外焊缝余高2.8mm，超出标准要求2.5mm，根据焊接理论，在使用较小的焊接电流情况下，焊缝熔池搅拌作用减弱，焊丝的熔化量减小，焊缝余高会降低，但为了降低外焊缝余高，减小外焊电流会使得外焊熔深变浅，又会影响焊缝的内外质量，极易产生焊接缺陷。为此通过调整外焊电焊机电流档位，以减小外焊电流增加内焊电流为目的，对焊接规范重新设计优化，优化后的焊接规范如表2：

    （2）针对20mm≤壁厚≤25mm，为了降低外焊缝余高，外焊后丝使用较小的电流，如壁厚为21.6mm的焊接规范如表3：

    按照以上规范焊接后外焊缝余高1.5mm，宽度24mm，两侧焊缝偏低，尽管余高不高，但是却存在明显鱼脊背，很容易导致防腐层开裂，于是笔者针对大壁厚钢管，重新设计焊接规范，增加电流电压，一方面让焊缝尽量饱满，另一方面增加焊缝宽度，优化后的焊接规范见表4：

    2.3 优化焊头位置参数

    在同样焊接规范条件下，焊丝伸丝长度降低、焊丝间距和倾角增大，焊缝余高都会降低，故针对8mm≤壁厚<10mm和20mm≤壁厚≤25mm钢管，优化前后外焊焊头位置参数见表5和表6：

    在整个焊接工艺参数优化调整过程中，仅通过调整铣边坡口、焊接规范、焊头位置参数中的单个值，取得的效果并不明显，而需要几个项点同时调整优化，才能取得一定效果。在整个工艺参数优化过程中，始终要以酸蚀焊缝试样为基础，以焊缝余高、焊缝内在质量、焊缝理化性能为依据，既要严格控制焊缝的外观形貌，又要保证焊缝的内在质量和理化性能符合工艺要求，因此以上数据的积累建立为提升钢管质量提供了可靠依据。

    3 调整后焊缝效果

    通过焊缝形貌工艺参数的优化调整，直缝埋弧焊管焊缝形貌得到改善，对于8mm≤壁厚<10mm的钢管，在主机保证预焊缝无错边修补的前提下，外焊缝可以控制在2.2～2.4mm；对于20mm≤壁厚≤25mm的钢管，外焊缝余高可控制在1.5～2.0mm，且鱼脊背情况大有好转，如图3所示，焊缝外观形貌得到改观，既提升了钢管整体品质，又大大降低了防腐成本和作业难度。

    4 结论

    （1）通过对铣边坡口参数和焊接工艺参数的优化设计，以及焊头位置参数的调整，直缝埋弧焊管焊缝形貌得到了一定的改善，并且焊缝内在质量和理化性能也能满足工艺要求。

    （2）针对钢管壁厚≥16mm的外焊缝，余高不能太低否则焊缝不饱满易出现边缘未熔，余高尽量控制在1.5mm以上。

    （3）焊接工艺参数优化调整的过程中，仅通过调整铣边坡口、焊接规范、焊头位置参数中的单方面，效果并不明显，而需要几个项点同时调整优化，才能达到满意效果。

    作者简介：刘文友（1986-），男，江西萍乡人，工学学士，工程师，主要从事埋弧焊管质量与工艺管理工作。