J型坡口管道施工

顾永哲

（福建宁德核电有限公司，福建 宁德 355200）

1 J型坡口的形成

1.1 坡口的形式

一般的碳钢管（不锈钢管）在采用焊接连接的形式时，随着管线压力、温度的不同，所选用的管道壁厚也不同。而不同的壁厚和焊接工艺方法将对应不同的接头（坡口）型式。国内壁厚一般在26mm以内可采用V型坡口（或其变化型式），大于20-60mm采用J型（或其变化型式等）。ASEM（美国机械工程师协会）B16.25标准中对于不同焊接工艺方法及相应壁厚统一规定了焊接坡口的型式。以下示意图为不同的坡口型式（单位为mm）：

图1 不同坡型式示意图

1.2 坡口加工及“C”值的确定

J型坡口一般应使用坡口机加工。J型坡口加工C值（扩孔直径或加工后管内径）非常重要，它将影响对口错边量及焊接的质量。一般情况应依据相应表格查得“C”值，也可依据以下公式计算C值：

C=ф-0.79-1.75δ-0.25(mm)

ф=标准管外径

0.79=最小的管外径公差（mm），依据ASTM（美国材料与试验协会）标准的规定

1.75=标准管壁厚的87.5%X 2，依据ASTM的规定，钢管允许的最小壁厚为标准管壁厚的87.5%

δ=标准管壁厚(mm)

0.25=加工后管内径（C值）的正公差（mm）

实际的施工中无论查表或计算，均应采用统一的C值。坡口加工前应检查坡口机是否运转正常，加工的管口椭圆度是否满足加工要求，必要时对管口进行校正。坡口加工时应仔细核实加工尺寸，随时使用游标卡尺测量扩孔尺寸，调节进刀量，确保C值不超差。

2 J型坡口焊缝收缩量的确定

J型坡口管道壁厚较厚，对应的管线级别较高，安装公差也相应提高。预先测量出焊缝收缩量及变形对管道下料、现场组对安装及管线与设备的连接都将起到非常重要的作用。

2.1 前提条件

选用材料和坡口形式及焊接工艺方法应与实际工程施工所用相同或可代替，焊口已组对且架设牢固准备焊接。

工具（仅列出测量变形和收缩的工具）：钢板尺、游标卡尺、水平尺、线坠、百分表。

2.2 焊缝收缩量的测量

图2 样冲眼作测量点

在焊口两侧 0°、90°、180°、270°四个方位各打 4 个样冲眼作测量点（如图2），预先测得两个样冲眼间的间距L0，焊缝焊接完成后从不同方位测量样冲眼间的间距L，求得焊缝收缩量S=L0-L（记录在焊缝收缩表中）。同时管端附近装上百分表以观察变形，焊接时采用对称焊控制变形。

2.3 测量结果

最终的焊缝收缩量（焊缝热处理完成后）可由记录表中查得同一规格的焊缝收缩量取其平均值计算得出（一般应至少取相同焊接工艺方法和环境下，同一规格的三个数据）。

表1是本人在秦山核电三期管道预制厂测得的一组数据：

表1

规格 材质 焊接工艺 焊材牌号 外径（mm）加工C值(mm)壁厚(mm)焊缝收缩量(mm)DN 250 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 273.1 240.05 18.26 3.2 DN 300 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 323.9 285.30 21.44 3.3 DN 300 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 323.9 285.30 21.44 3.2 DN 400 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 406.4 359.55 26.19 3.7 DN 400 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 406.4 359.55 26.19 3.6 DN 450 SA106 GRB GTAW封底SMAW填充ER70S E7018 457.2 457.2 29.36 3.9 DN 450 DN450GTAW封底SMAW填充GTAW封底SMAW填充 457.2 404.75 29.36 3.8

经过对焊接过程和焊缝收缩量结果分析，J型坡口管道焊缝收缩具有以下特点：

●焊缝收缩量与所选焊接工艺方法和材料（质）有关,但差异不大；

●一般在焊至母材1/3至1/2之前焊缝收缩量较大；

●焊接速度快则焊缝收缩量较小；

●随着管道壁厚增大，焊缝收缩量增大但变化幅度不明显；

●焊缝收缩无法避免，焊接变形（水平度，管口垂直度等）均因焊口不对称收缩产生，所以焊接变形可以通过对称焊接来消除和控制；

●焊缝间隙大则收缩量相对较大。

3 J型坡口管道施工的关键点

J型坡口管道作为工艺管道的一种，典型预制安装流程分别如下：

预制：管材（件）的领取→下料标识→坡口加工、钻孔→组对→焊前预热→焊接→焊后热处理→NDE检查→管段的酸洗清洁→包装、储存

安装：管段（在线部件的领取）→管道放线、定位→支吊架安装→组对→焊前预热→焊接→焊后热处理→NDE检查→管道系统试验与冲洗→系统移交

J型坡口管道与其它管道的施工顺序区别不大，本文只对与J型坡口管道的坡口特点、焊缝收缩及变形控制相关的施工关键点（下料、管段的领取、放线定位、组对、焊接）进行阐述。

3.1 下料

管段的下料尺寸一般由图纸设计长度（或管口间距）、焊缝间隙、焊缝收缩量以及连接管段（管件）的公差决定，可按下式计算：

L=L1+S-G-T

L=下料长度(此处的下料长度指加工好坡口后的尺寸，实际施工下料时应考虑切割管端的平直度和机加工坡口可能损耗的长度，一般应再加一定的加工坡口长度)

L1=图纸设计长度(或测得的管口间距)

S=焊缝收缩量

G=焊缝间隙

T=连接管段(管件)的公差

一般V型坡口的管道涉及系统级别相对较低，对于安装容差要求也相应较低，管道下料尺寸为：碳钢管取L=L1-3（mm）；不锈钢管取L=L1。

J型坡口的管道可考虑焊缝收缩为4mm，焊缝间隙为1mm，公差相互抵消，此时下料长度为L=L1+4-1+0=L1+3（mm）。在实际施工中，在测得现场管口间距后再加3 mm确定下料长度，在安装中则会产生满意的结果。

3.2 管段及在线部件的领取

管段及在线部件领取时应仔细核对标识及尺寸，部件是否存在缺陷,应特别注意坡口保护。

因为现场空间及吊装设施有限，而J型坡口的管段较重 （如DN300 SCH100：160kg/m）外形尺寸较大，所以施工前应设计好合理的领用次序。

3.3 现场定位与放线

J型坡口管道施工中，首先由专业测量人员对将要安装管道房间中易引出点进行三维坐标放线并提交书面的测量报告单。然后从基准点引线在附近墙上、钢结构或预埋件上，标记坐标。第三步则依据施工图纸尺寸、坐标放线：

●根据支架图和预埋件图，在预埋件或钢结构上测量放出管道支架安装位置中心线和标高线，并明确标识所在支架位号、角度和标高。

●根据管道安装等轴图在墙外壁或钢结构上测量放出管道安装中心线，并明确标识管线号、标高，同时可依据此基准线测量出管道长度与图纸的偏差，必要时可对管道进行预制加工，以确保管道安装符合要求。

●准确定位初始管段，后序管段放线时应多次测量来确定管线走向及下料尺寸（一般应以管口上、中、下各引一点进行测量取平均值来确定下料尺寸），对于空间坐标难以准确放线的地方，由测量班使用仪器测量管口坐标是有必要的，它将减少后序工作因放线不准而导致的安装偏差。

●连接特殊角度的管段时，应最好在木板上投影放线，组对时依据投影线调整管段，这样可以更好的保证连接管段的角度和尺寸均满足要求。

3.4 组对

J型坡口管道焊接工艺、安装精度及清洁度要求较高，故应尽量提高预制装配程度，减少现场组对施工。对于尺寸、角度暂时无法确定的管段，应留有现场测量段，经实测后进行二次加工、组对。

管段组对前应核查预留洞、连接设备的位置是否偏差，从而确定管段组对时应调节的办法；应核对管段、在线部件的标识是否正确，坡口有无损伤；应消除离坡口50mm范围内的污物、毛刺、水分和铁锈等，如果管道坡口表面附近有油污、油脂等则应用丙酮清理至干净为止；对于带有管座或其它管件需现场安装的管段应在组对焊接前将孔开好并加以保护；应核实在线部件的方向后再进行组对。

组对：J型坡口组对间隙为0～1.5mm，如预制管段有一定误差，可用间隙的大小加以调节。错边量一般不超过0.8mm，遇到有错边时应使错边在管口周向均匀分布。不允许强行对口，但可采取修磨坡口（因坡口中有一定范围的钝边可调节）或加热矫正等措施帮助组对。组对中如经设计同意使用临时附件（吊耳、搭板等）时，则附件材料应与母材相同或相容，焊接材料应与母材相熔，临时附件去除后，应对附件焊接点修磨后做磁粉检验，并对该区域进行焊后热处理。对好口的管段应进行对称点焊，为便于端头熔透，点焊焊肉的两端都必须修成缓坡形，同时点焊焊缝必须具有足够的强度。为避免系统变形过大，应避免连续组对，最好在焊缝焊接完成之后进行下段管段的组对。

组对好的管段如永久性支架暂时不能安装时，应使用临时支撑件支撑而保证不出现弯曲，向外伸出或失衡等，临时支撑应是刚性的且具有足够的尺寸和强度以支撑管道的重量直至永久性支撑安装完毕。

3.5 焊接

组对好的焊缝经QC检查后即可进行焊接。施焊前焊工应对焊接设备及工具进行仔细的检查，确保焊接设备及工具处于良好的工作状态。同时应检查点焊缝是否有损伤和裂纹，焊缝处是否有锈斑等污物，如不符合要求，则应使用合适的方法去除缺陷后施焊。

焊接过程中，焊工应严格按规定的焊接工艺进行。为减小焊接变形应尽量采用对称施焊配合分段跳焊和退焊法进行焊接，并控制好层间温度，以减小焊接应力和变形，保证焊缝质量。同时，焊接时应由专人观察管道的变形情况而调整焊接顺序，必要时在管口附近加一个如下图所示的临时支架是比较好的办法，这样可从管壁与支架的间隙清楚观察到变形的大小，从而及时做出相应的焊接调整。

焊接时，应将焊接的接地线连接牢靠，不得因接地伤击管道和设备；应特别防止焊接电缆拖动时在设备和管道上打弧。在焊接带有阀门的管段时，要确保焊接电流不经过阀门，接地钳应连接在管段一侧，并严格控制层间温度，以防损坏阀门密封环。焊接过程中，不得震动、敲击被焊部件。

一般情况下，在焊缝根部焊完后应检查有无裂纹或其它缺陷，同时在焊至焊缝厚度1/3时，做层间RT也是控制最终焊缝缺陷的有效办法。对因故中途停焊的焊缝，必须保证已焊厚度达到焊缝厚度的1/3后方可停焊，且不可将一条管线上的多个焊缝同时施焊，这样可能会因为多个焊缝同时收缩而造成焊缝开裂。

4 J型坡口管道安装中应注意的事项

4.1 清洁度

J型坡口的管道涉及重要管线，清洁度要求非常重要。在安装过程中应按以下几点加以控制：每根管段及在线部件安装前均要检查清洁度是否符合要求；管道组对、焊接前要检查其内部清洁度，小口径管道可用压缩空气吹扫，大口径管道可用吸尘器吸或用结实的布拖；对于暂不连接的管口应用管帽牢固封堵，此管口被最终连接或进行检查时才可打开。每根管线与其它管线或设备相连时应再次检查管内清洁度是否符合要求（对于U型弯的低部可采用内窥镜检查）。由于设计变更等必须切割管段（如增加排气污口），应仔细操作以确保无外部杂质进入管道内部。当管道内部要求打磨等可能产生灰尘时，应安装塞子防止灰尘掉入不可接近的内部，对打磨后的粉尘应使用吸尘器清扫，管口封闭焊接前一定要拆除密封塞等（必要时应做记录）。每次清洁度的验证应由QC人员严格按程序检查。

4.2 施工顺序的确定

J型坡口管道的安装顺序应在依据传统的由内向外等原则外还应从以下几个方面统筹考虑：

●施焊及焊后修补的难易。J型管道焊口质量要求非常高，一般要求作RT外还应作UT，所以应将那些难以施焊的焊口（靠墙洞，其它管线下方等）先施焊，对可能出现质量问题而修复补焊困难的焊口最好应等待其焊口检验合格后再进行其它管道的安装，有些管段连接V型坡口的管道，应将其留在最后施焊。

●充氩的难易。应对需充氩的焊口优先考虑组对施焊，以免因接管太多而造成充氩效果不好或难以充氩。

●组对的难易。一般来说，现场安装管线应连贯进行，但J型坡口的管道因变形较大，对口要求高，所以应考虑将那些难以组对的焊口优先组对施焊。

4.3 调节管段的确定及安装

调节管段也叫现场测量段，它的重要作用是弥补焊缝收缩，焊接变形等造成的安装偏差。原则上每条管线应在X、Y、Z轴上都有一段带调节段的管段，这样可以修正难以控制和预见的空间变形而带来的管线无法连接。一般应将调节段设在与其它管线或设备相连的管段上。调节段的下料尺寸应在几次测量现场管口尺寸取平均值后加一个焊缝收缩量（一般取3mm）。每条管线的调节段应在最后安装。如与设备最终连接则应考虑2个焊缝焊接收缩而对设备产生应力带来设备精度超差的可能。必要时此管段下料尺寸应加2个焊缝收缩 （可取6mm），安装时用千斤顶等预先推开管线，将管段放入后，边施焊边放千斤顶的办法来控制焊缝收缩对设备产生的应力，同时可加装百分表观测设备的变形，随时调整焊接部位。

4.4 其它易出现的问题及其解决办法

4.4.1 坡口的破损

因运输或焊口点焊后未及时施焊等原因造成坡口的钝边破损可采用相应的焊接工艺手工氩弧焊修补后，打磨光滑再做PT检验的办法弥补。

4.4.2 安装变形过大

施工中因为预制精度超差，或对焊接变形控制不当等原因造成安装变形过大，管口偏离坐标造成后序管段无法组装对口的情况，可采用以下办法修正：

●在变形较小时，可用热处理的办法矫正。

●在经过设计部门同意后将对接坡口修改为V型坡口后组对。

●在设计部门同意的情况下，在一定范围内（一般不超过8mm），对管口进行修正后组对，如下图所示在秦山核电三期施工中一根与主管道相连的管段因预制偏差造成管口组对焊缝间隙超差，经申请设计确认后，对一端坡口堆焊，再用手工修磨成过渡均匀的“J”型坡口，做PT合格后重新组对焊接（图3）。

图3

●在不得以的情况下，可将变形对应侧的焊缝磨开一定深度后再施焊利用焊缝收缩来修正变形，这种方法应由焊接水平非常高的焊工进行。

●以上办法均难以解决时，只有切除并更换管段，对于现场一端管口手工加工J型坡口。

5 结束语

J型坡口管道的施工虽然较普通坡口管道困难，但是只要掌握了它的焊缝收缩特性，精心组织施工，在施工时认真执行每道工序，有效控制变形，是一定可以优质、高效的完成安装任务的。

［1］ANSI/ASME B16.25.对接焊坡口[S].

［2］ASME 31.1.动力管道[S].

［3］ASME第Ⅲ卷.锅炉及压力容器规范（核动力装置设备建造准则）[S].

［4］管道工程安装手册[M].机械工业出版社出版.管道安装施工技术[M].化学工业出版社出版.