双V坡口焊接工艺浅议.docx

浅议双V坡口对接工艺

管道一公司第一作业处 徐群成 于德飞 贾涛
摘要：介绍了STT气体保护焊打底+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖帽工艺的特点及焊接工艺，着重介绍了新型双V破口对接技术的优缺点。
关键词：STT、药芯焊丝、双V坡口、半自动焊接
1、前言
西气东输二线管道工程是我国距离最长(上万多公里)、口径最大(1219mm)、管线钢级最高(X80)、设计压力最大(12MPa)的世界级的天然气干线管道。西气东输两条线的建成，将极大地缓和南方和沿线城市、尤其是长江和珠海三角洲地区的能源需求。
　　2、我国管道主线路焊接方法及工艺现状
　　随着管道工程建设技术的不断迅速发展，管线建设和运行对安全性、经济性、管线钢的质量参数、焊接质量、焊接效率和焊接技术水平都提出了更高的要求，同时，推动了焊接材料、焊接设备和焊接技术的发展，也推动了焊接工艺和焊接方法的更新和改进。从最初的纤维素下向焊、低氢下向焊，到90年代初的药芯焊丝半自动焊再到今天的STT根焊、全自动焊，西方国家如：中东、俄罗斯已经普遍应用埋弧焊双联管技术。
3、工艺特点
西气东输二线工程东段半自动焊接机组主要采用的STT气体保护电弧焊根焊+自保护药芯焊丝电弧焊填充、盖帽的焊接工艺。17标段半自动焊机组采用的是美国Lincoln公司生产的IM582 L10279型接电源，配IM586-B G3152型送丝机进行根焊作业，焊材为Boehler SG3-P Φ1.2mm 实心焊丝；填充盖帽采用的是Lincoln DC400焊机配L-23P送丝机，焊材为Hobart Fabshield X80 Φ2.0mm 自保护药芯焊丝。
3、1 STT气体保护焊
STT气体保护焊是一种以表面张力为主要熔滴过渡力的熔化极气体保护焊。它采用独特的波形控制技术，可以根据熔滴的不同过渡过程，自动调节焊接电流和电弧电压波形。在整个焊接周期里精确控制经过焊丝的电流，从而达到电弧所需的瞬时热量，同时解决了CO2气体保护焊短路过渡飞溅大的技术难题，确保焊接电弧的稳定燃烧和有效控制焊缝成形。其具有以下优点：⑥各层焊道焊完后基本上不需要打磨，节省了焊接材料和工时； 1）引弧容易，电弧燃烧稳定；2）飞溅极小，焊接烟尘少，噪音小；3）焊缝成形美观，焊接质量好； 4）精确的热输入控制可以减少焊接变形和烧穿；5）焊接成本较低；6）焊接速度快、焊接效率高；7）焊后不需清渣，节省了层间清理时间；8）容易操作；9）焊缝含氢量低，抗裂性能好。
3、2 自保护药芯焊丝半自动焊
自保护药芯焊丝半自动焊的优点是连续送丝、生产效率高、焊接质量好，特别是自保护药芯焊丝的焊接工艺性能优良，电弧稳定，成形美观，能实现全位置(下向)焊接，抗风能力强，尤其适于野外施工，是近年来应用最广的一种长输管道焊接工艺。
其坡口形式分为：传统单V坡口对接，新型双V坡口对接。其中双V坡口对接技术是自西气东输一线试验以来，再一次出现在国内长输管道工程施工中。
4、双V坡口对接工艺与单V坡口对接工艺比较
4、1 双V坡口对比单V坡口形式的优点（以Φ1219*18.4mm钢管为例）
4、1、1 缩短施焊时间，提高工作效率

图1 单V对接推荐焊接层数

图2 双V对接推荐焊接层数

图3 单V对接推荐焊接工艺参数

图1、图2为西气东输二线工程东段焊接工艺规程的推荐焊接层数，图3为西气东输二线工程东段焊接工艺规程的推荐焊接工艺参数。在施焊过程中，由于管壁厚、焊缝宽，单V坡口对接在第三、四遍填充时需进行排焊，同时盖帽也需要排焊。而双V坡口对接最大开口宽度比单V对接小4mm，从热焊到盖帽都不需要进行排焊。这相当于节省了3遍焊接量，每道口缩短了焊接时间20-38分钟，约占整道焊口焊接时间的26%-50%，极大地提高了工作效率。

图4 单V对接
图3 双V对接

假定条件:
两种对接形式的对口间隙均为 a=2.0
两种对接形式的钝边均为 b=1.5
现场双V坡口角度一般为30°和8°
双V对接最大开口宽度：
L双=a+2*(7-b)tan(30°)+2*（18.4-7）tan（8°）
=11.555mm （1）
单V对接最大开口宽度：
L单=a+2*（18.4-b）tan(22°)
=15.656mm （2）
4、1、2 双V坡口横截面积小，也就是焊道体积小，从而节约焊材。经过计算，一公里节约焊材约18.5kg（按单公里85根管84道焊口计算，焊材密度约为7.8g/cm3），相当于两盘半自动焊丝的重量。经实际焊接总结单道口焊材消耗量约为6kg，即每公里节约的焊材可以多焊接3道口。
参照图3、图4及4、1、1中的假定条件：
1）双V坡口对接的体积为：
图5 双V对接体积分解图
7
11.4
2
1.5
V1
V2
V3
V4

l
m
n
x
y
x
y
l
m
图5.1 双V分解
图5.2 单V分解
V2
V1

图5.1中=591.1+1.5=592.6 m=591.1+7=598.1 n=609.5
l m n都是该点到原点的距离
m-l=5.5
n-m=11.4
为高阶无穷小量
则：
V1=
=
=
=
=
=32715.63mm3
同样：
V2=
=
=34753.45mm3
V3=
=52303.75mm3
V4=
=361169.54mm3
V双= 2V1 +2V2 +V3 +V4
=548411.45mm3
2）单V对接的体积为：
图5.2中l=591.1+1.5=592.6 m=609.5
l m都是该点到原点的距离
m-l=16.9
为高阶无穷小量
V单1=
=
=218916.63 mm3
V单2=
=138802.1 mm3
V单= 2V单1 +V单2
=576635.36 mm3
V差= V单-V双=28223.91mm3
可节省焊材：84×28.22391×7.8÷1000=18.5kg
4、1、3 焊接质量方面
STT气保焊的自动化程度高，电弧自身调节作用强，焊接过程中电弧稳定性好，人为干扰因素少。电弧可持续燃烧，整条接头少，金属组织致密，焊接质量稳定。同时STT气保焊电弧气氛氧化性强，对焊件表面油、锈敏感性低，焊缝金属扩散氢含量低，大大提高了焊接接头力学性能和抗裂性能。
单V坡口盖帽是双道排焊，而双V坡口盖帽为单道焊，二者相比，双V坡口盖帽一次成型，焊道表面成型美观，表面缺陷少。而进行排焊时极易出现排焊沟过深低于母材的现象。为了解决排焊沟深得缺陷通常采用的是在排焊沟上补焊，不仅表面美观性差，且增加了工程量。
4、2 双V坡口对接对比单V坡口对接的缺点
4、2、1 双V坡口加工更为繁琐
目前双V坡口还没有刀具模型，需要分刀坡口。在调节刀架位置时需要进过精密的测量。如果两个刀架重合较多，则在连接处出现凹槽；反之会在连接处出现“平台”。
4、2、2 双V坡口对接根部更易出现气孔
在熔池金属内部存在有溶解不了的或过饱和的气体，当这些气体来不及从熔池中逸出时，便随熔池的结晶凝固，而留在焊缝内形成气孔。CO2保护气流对焊缝有冷却作用，又无熔渣覆盖，故熔池冷却快，加之焊缝窄而深，气体逸出路程长，增加了产生气孔的可能性。经过实地考察和射线对比，辽河一建和管道三公司采用的RMD焊接技术能有效的减少根部气孔的产生。
5、结语
STT气保护半自动根焊，自保护药芯焊丝半自动填充盖帽工艺可以在最大程度上发挥两种焊接方法的优点，不仅可以保证打底焊道的焊接质量，避免根焊清渣，又能发挥自保护药芯焊丝半自动焊焊接速度快、质量好的优点。双V坡口对接工艺比传统坡口方式更具有焊接速度快、节省焊材、外观成型好的特点，若配合RMD焊接技术能更好的减少焊接缺陷。
参考文献:
1、《焊接工程师手册》 陈祝年 机械工业出版社；
2、《STT根焊，自保护药芯焊丝半自动焊》 中石化河南石油勘探局油田建设工程公司
3、《西气东输管道工程 焊接工艺规程》 中国石油天然气管道科学研究院焊接技术中心