CO2半自动单面焊双面成型工艺在钢管施工中的应用

苏林

（上海宏波工程咨询管理有限公司,上海市 201707）

CO2半自动单面焊双面成型工艺在钢管施工中的应用

苏林

（上海宏波工程咨询管理有限公司,上海市 201707）

简要介绍了大口径输水管道施工现状及开发应用背景,详细介绍了新工艺应用试验过程和钢管连接中CO2自动单面焊双面成型的焊接工艺及其特点、优越性和实际应用,并对其工程安全、质量、经济技术进行了比较。

输水管道；钢管；焊接；施工；CO2半自动单面焊双面成形工艺

1 大口径输水管道施工现状及开发应用背景

原水管道一般采用长距离单管输水,特别是在长江引水系统中,都采用钢管压力输水。如果原水输水管道由于施工质量等问题造成爆管事故,引起自来水厂停水,将影响一大片地区的生产和生活用水,范围较一般自来水供水管道要大得多。因此,对大口径原水输水管道的设计、施工更须严格要求。

2 新工艺应用试验过程

CO2保护焊的全称为“二氧化碳气体保护电弧焊”,是融化极焊接方法的一种。它采用氧化性气体CO2作为保护介质,焊接时将电弧及熔池与空气机械地隔离开来,从而避免有害气体侵入,以确保形成质量良好的焊缝。CO2保护焊成本低、生产效率高、变形少、焊缝质量好,且操作方便,可以进行全位置焊接。CO2保护焊可用于多种材料的焊接,材料厚度为0.8～150 mm。

CO2保护焊焊丝可分为实芯焊丝和药芯焊丝。药芯焊丝CO2保护焊是以药芯焊丝作为电极,外加二氧化碳气体保护的焊接法。用该方法焊接后焊缝的表面有一层薄薄的渣。利用CO2保护的药芯焊丝,既有CO2保护焊的特点,又具有焊条手工电弧焊的特点,从保护的角度来看是属于气渣联合保护的焊接法。这种保护更有效地防止空气中氧、痰、氢等有害气体和液态金属的相互作用,以获得优质的焊缝。

药芯焊丝CO2保护焊的特点是:（1）生产效率高,是手工电弧焊的3～5倍；（2）工艺性能好,飞溅少且成细颗粒,焊缝成形美观；（3）对焊接电源特性无特殊要求；（4）调节焊丝芯部的合金剂及其比例,可以焊接和堆焊不同成分的钢材。

另外,与手工电弧焊相比,药芯焊丝CO2保护焊熔较大,在具有相同的焊脚时,增加了焊缝的计算截面,提高了焊缝的计算强度。药芯焊丝CO2保护焊法适宜焊接中厚板,尤其适用于一般难于实现机械化焊接的各部位,不规则的短焊缝和角焊缝,且电弧可见,操作方便,具有较好的工艺性能。

CO2半自动单面焊双面成型工艺是利用CO2保护半自动焊工艺配用相应的衬垫材料,已达到正面焊接反面同时成形的目的,用的焊接材料由衬垫、焊丝和CO2气体组成。此种工艺已在船舶制造行业中得到应用,但在大型输水钢管野外施工中的应用还没有先例。

在实验过程中,首先选定了适用于野外作业的轻便型焊机,先后购进2台日本松下KR500 CO2焊机,并使用多种焊丝、衬垫在旧钢管上进行初步试验。焊丝与衬垫的匹配,直接影响后期焊接接头的机械性能和抗裂性,当焊接不同的钢材时应选用不同型号的焊丝与之匹配以达到预期效果。通过不断摸索,最终选定了既经济又能与焊机匹配的焊丝及衬垫材料,即:国产YJ501-11.2药芯焊丝及上海耐火材料厂TSHD-1 600 mm陶瓷衬垫。

TSHD-1型单面焊衬垫是耐火陶瓷衬块黏贴在涂着胶水的铝带上制成,可以在任何位置下衬贴。衬垫成形槽宽为14 mm,焊接时坡口根部间隙要求可在较宽的范围内变动,只要范围选择适当,操作合理,均能得到良好的反面成形焊缝。

CO2气体作为焊接时的保护气体,防止空气侵入焊接区,但若CO2气体内其含水量较高时,则易在焊缝中形成气孔,因此CO2气体纯度不应小于99.5%。为减少CO2气体中的水分,通常可将气瓶倒置1～2 h,打开倒置气瓶的气阀,放水2～3次即可,使用时应先放出瓶上部水分较多气体,另外,还可在焊接气路系统中串联一个干燥器或预热器。

由于施工现场焊接条件较差,所以在厂里进行的实验能否在现场排管中取得相同的效果是非常重要的。针对沟槽内钢管较脏、较潮湿等情况,在要求管道拼装符合要求的基础上,还要求焊工在焊接前必须清理掉管端泥浆垃圾,对坡口打磨,并用割刀对焊缝周边加热烘干,然后再在管壁下部黏贴衬垫,从管壁上部进行焊接。试验相当成功,对现场焊接的钢管进行拍片检验全部合格。

3 CO2半自动单面焊双面成型工艺

3.1工艺概况及编制依据

CO2半自动单面焊双面成型工艺,以CO2气体作为保护介质,采用药芯焊丝,配以陶瓷衬垫,通过焊丝自动进给的手工操作来完成焊接工程。

实验证明,本工艺只要装配质量符合要求,操作得当,一般均能获得成形良好的焊缝,但装配间隙或板材位差不合要求以及焊接时操作不当,也可能产生一些焊接缺陷,必须引起重视。

3.2 适用范围

本工艺适用于牌号为Q235A或相似的材料,板厚为13.5～25 mm,管径大于1 370 mm的输水钢管的上半圆（外焊）和下半圆（内焊）对接接头。

3.3 装配要求

3.3.1 基本要求

本工艺的焊接质量,在很大程度上取决于工件边缘的加工质量,接头与接头处的清洁程度及装配质量,其基本要求如下:

（1）工件的坡口形为V形

当板厚＞18 mm时,坡口a=40°,±（1～5）°,间隙21,C=5±。

当板厚≤18 mm时,坡口a=50°,±（1～5）°,间隙同上,C=5±。

（2）装配板厚差应≤2 mm。

（3）工作边缘可采用剪切、刨边、自动或半自动气割加工,但不能有留根。在装配前应清除油、油漆、水、泥、黄锈及气割毛刺。清除范围除坡口面外,还应包括内外焊接面焊缝两侧各30 mm和贴衬垫面焊缝两侧各50 mm的范围。

（4）装配时采用“∩”形马板定位,马板可安装在焊缝正面或背面,视现场情况定。马板外形尺寸及安装间距应以保证焊接质量为准,但安装在焊缝正面时,安装间距应大于500 mm,以减少接头及部分接头凹坑的处理。马板可在成形焊缝和第一层打底焊缝施焊后敲除。

3.3.2 焊接材料要求

本工艺所用焊丝、CO2气体和衬垫须经工艺试验相互匹配,以保证焊接接头的机械性能和内在质量。

（1）焊丝:本工艺配用中船总公司461厂牌号为YJ501-1或其他与母材相应等级的Ф1.2 mm药芯焊丝。当成形施焊和第一层打底焊缝施焊后,以后各层可继续使用该药芯焊丝继续施焊,也可采用结422焊条施焊至焊缝全部结束。焊丝在保管和施工中表面应无油、锈及脏物,并应保持干燥。

（2）CO2气体:CO2气体作为焊接时的保护气体,防止空气侵入焊接区,应采用纯度大于99.5%,含水量低的CO2气体（必要时可倒置一段时间后再用）。

（3）衬垫:衬垫应保持干燥,当板厚差大于2 mm时,需用厚薄板形衬垫。

3.3.3 焊接工艺要求

（1）一般工艺要求

a.CO2气体使用时应经预热,焊枪各部件的连接应保证气密；

b.导电嘴不允许伸出喷嘴外,导电嘴缩进喷嘴的距离为0～3 mm；

c.焊接时,焊炬喷嘴要求基本上与焊缝垂直,焊接接头应避免明显凸起,收弧时熔池应受延时气体保护,且弧坑应填满；

d.每层施焊厚度约4～5 mm,不宜过大,最后一层打底焊高度应离上口1～2 mm。

（2）衬垫安装

安装时要使衬垫凹槽中心的红线对准间隙中心,在2根衬垫连接处应紧密相连,以免造成背面成型呈“竹节”状。衬垫就位后,应使铝箔与钢板贴紧抹平,以免焊接过程中衬垫坍塌。衬垫安装后不能受潮或过夜。

（3）焊接参数见表1。

表1 焊接参数

应先调电流,后调电压至适宜。成形道焊缝施焊时电流不宜过大。当风速＞2 m/s时,可适当加大气体流量。

4 新工艺在具体施工中的应用

1995年,在长江引水工程泰二标排灌施工中碰到特殊情况,敷设的2.6 m口径钢管要穿越康得利集装箱中转货场,长度达1 200 m。该货场原为征用农田,表面仅用道渣压实平整,进出的大型集装箱卡车重约30 t,外部力量经常对管道冲击,极易造成管道底部开裂,如按原来施工焊接工艺拼接钢管,工程质量难以保证。为此,在该地区采用了CO2半自动单面焊双面成型工艺。实际焊接费用虽比常规手工焊接费用增加了29%,但由于不需要留出管外焊接位置,沟槽可以适当减小,此段管道施工采用了局部板状处理窄沟槽进占方式,土方量及前期赔偿费明显减少,对货场生产的影响也降到了最小限度,总费用大大降低。

5 工程安全、质量、经济技术比较

CO2半自动单面焊双面成型工艺的应用解决了输水管道施工中存在的安全、质量隐患。由于不需要留出管外焊接位置,沟槽可以大大减小,焊工在管下危险区域停留时间减少,因此安全性提高,焊接质量也能得到保证。长江引水工程泰二标排管中使用该工艺拍片结果为:三级片占30%,二级片占70%,达到优良级水平。施工速度明显加快,施工工期有了保证,这在重大项目建设中是非常重要的。

应用新工艺后,实际焊接费用比手工焊接费用增加了29%（见表2、表3）。

表2 CO2保护焊耗用材料费用统计

表3 手工电弧焊接耗用材料费用统计

但是,由于焊接费用在排管成本中只占很小比例（见表4）,可以忽略不计,因而经济效益是很明显的。在实际应用中,输水钢管上半圆外焊仍使用手工电弧焊,仅在下半圆内焊使用CO2保护焊,两种焊接方法结合使用,还可适当节约一些焊接费用。

表4 CO2保护焊接排管成本统计

以长江引水泰二标项目情况为例,由于成功应用了二氧化碳气体保护焊新工艺,全线板桩窄沟槽施工,使排管沟槽宽度得以最大限度降低,与原设计图大开挖方案比较,仅1.2 km排管就为工程节约前期借地费、场地修复费用等超过100万元。作为施工单位,在结算成本时发现,每根管子铺设可减少开挖土方8.8 m3（费用约250元）,可减少打桩8根（10 m长板桩,费用约1 000元）及节约相应的机械费用,从而降低施工成本约5%,经济效益是很明显的。

对于长江引水工程这样单管压力输水的引水钢管,在使用了CO2保护焊后,由于对接质量明显提高,其承压能力也相应提高,这就为以后钢管的供水能力的提高创造了条件,预计创造的经济效益是非常可观的。

总之,虽从焊接成本来讲,新工艺应用前后费用相差无几,但应用了新工艺后,输水钢管对接功效有较大提高,管道质量、施工安全明显提高,间接产生的经济和社会效益是巨大的。

6 结语

CO2半自动单面焊双面成型工艺在大口径管道中的应用取得成功,现场拍片鉴定达到优良级水平,施工质量明显提高,施工人员安全得到保障,经济效益、社会效益显著。

这项工艺本身是成熟的技术,但成功应用于大口径钢管施工尚属首创,在实际应用中从施工现场的具体情况出发,结合排管中的其他技术措施,取得了很好的效果。

通过实践,认为使用松下KR500二氧化碳焊机比较轻便,国产YJ501-1.2药芯焊丝及TSHD-1 600 mm衬垫对13.5～25 mm厚度的普板卷管是适用的,且比较经济。建议将这项新工艺在今后大型引水工程或其他相似工程中推广应用。

TU990.3

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1009-7716（2017）07-0273-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.083

2017-03-16

苏林（1973-）,男,四川绵阳人,总监理工程师,工程师,从事工程监理工作。