高压厚壁管道埋弧焊工艺及缺陷预防措施

宋相华

中石化第十建设有限公司 山东青岛 266500

某石油化工有限公司4000 万t/ a 炼化一体化项目二期工程中，300 万t/ a 浆态床渣油加氢装置共有设计压力≥10MPa 的管道8.1km。高压管道数量多，占比高，压力范围为16.5M～45.85MPa，工艺流程复杂，介质种类繁多，安装工程量大、难度大。其中，最厚管道不锈钢材质A312 TP347 的壁厚最大为55mm。根据施工策划，该管道预制阶段采用管道埋弧焊。

埋弧自动焊是电弧在焊剂层下燃烧，利用机械自动控制焊丝送进和电弧移动的一种电弧焊方法。该焊接工艺具有效率高、成本低、接头质量好、没有弧光辐射、劳动条件好等优点。与常用其他焊接方法相比，施焊时其材料可节省1/ 2～2/ 3，生产效率能提高1/ 2 以上。相比之下，埋弧自动焊的焊接效率优于熔化极气体保护焊。

中石化第十建设有限公司目前已经大面积使用管道埋弧焊，焊接效率高，工艺成熟。施工时，焊接工艺选用钨极氩弧焊打底（背面氩气保护），埋弧自动焊填充盖面。但施工过程中因管道壁厚较大、坡口较深、焊接操作等原因，焊缝焊接过程中极易出现焊接缺陷，造成一定的质量隐患。

1 焊材特性和管道埋弧焊特点

焊接前，要对不锈钢焊接特性及管道埋弧焊特点进行分析。不锈钢具有导热慢、容易热量集中、熔深浅、铁水凝固较慢等特性，埋弧焊接时容易出现夹渣、气孔、驼型焊缝等缺陷。由于焊工看不到电弧与工件之间的相对位置，容易出现焊肉偏移造成夹渣和未熔合缺陷；还会由于坡口形式、焊剂特性的原因，出现清渣困难。因此，需要焊工熟练掌握焊接设备功能，对焊接参数和焊缝位移等准确调节，靠经验确定电弧准确位置等。

2 埋弧焊的技术措施

（1）为防止埋弧焊电流大烧穿打底焊缝，氩弧打底焊接需两遍后，方可进行管道埋弧焊。

（2）埋弧焊枪角度适当往垂直位置转动反方向前移20～30mm，适当调整焊接速度在40cm/ min，以克服由于不锈钢导热较差、热量容易集中，导致铁水不容易凝固而形成驼型焊缝。

（3）注意控制埋弧焊的起弧、收弧质量，避免出现起弧时熔池焊肉堆积和收弧弧坑裂纹。

（4）坡口角度可适当减小，以减少填充金属，提高焊接效率。但要同时考虑便于清渣和焊缝成型，管道坡口为40°～45°或者U 形坡口为宜。

（5）注意焊接厚度，如果过厚，容易造成清渣困难，同时势必导致热量集中，焊缝的晶粒粗大，造成焊缝潜在缺陷。每层厚度一般为3～4mm 左右为宜。

（6）注意焊接参数匹配，由于不锈钢材料具有电阻大、导热性较差的特点，焊接电压应适当增大。经过反复试验，Φ1.6mm 焊丝的电压以38V 左右为宜。

（7）注意接头方法方式，推荐采用交错连续式焊接接头，可连续焊接完成整个焊缝的焊接，尽量避免多接头，以免出现缺陷。

（8）焊剂的选择时应注意目数、颗粒度，一般采用40～60 目规格焊剂。焊剂太粗，容易出现焊剂漏嘴输送焊剂不均匀；焊剂太细，熔池残余气体不能及时溢出，又易造成焊缝缺陷，同时还要考虑清渣问题。

（9）控制好干伸高度，减小对熔池和药剂的影响，一般推荐干伸高度为20～30mm。

（10）焊工熟练掌握埋弧焊熔池移动的规律和观察技巧，防止熔池位移造成的缺陷。

（11）注意焊接层道间及找平质量，以利盖面。

（12）较长管道焊接过程中容易出现变形。克服措施是每台埋弧焊机安装必须用水平仪找正，焊接前每根管线吊到埋弧焊机上必须用水平仪找正确认。短管焊接需要临时增加加长管时，组对一定找正水平，确定后再上埋弧焊机。

（13）焊剂中焊丝头、铁屑、砂轮片粉末预防措施：焊丝头及铁屑过筛进行筛出，最后可通过磁铁进行吸取；筛出焊剂中的砂轮片粉末及粉末焊剂，更新增加一些新焊剂，确保焊剂的保护效果。

3 管道埋弧焊容易出现的缺陷及预防措施

3.1 保护套过大，导致焊丝不能深入到熔池

管道壁厚55mm，坡口较深，通常导电嘴的深度一般在45mm，焊接过程中埋弧焊保护套过大，焊丝靠不到坡口边缘，不能深入到焊道，导致不能正常焊接。

为此，采取以下措施：定制加工的导电嘴分为两部分，即长度70mm 的导电嘴杆及长度3mm 的导电嘴头，通过将导电嘴头部进行锥形处理，可解决坡口过深的问题；将保护套适当拍扁一些，导电嘴适当打磨销窄一些，保证焊剂流动顺畅（见图1）。另外，焊接时，焊工要及时通过送丝机上面左右手柄调整焊丝角度，保证焊丝与坡口之间的距离，确保焊缝与坡口的熔合性。

图1 拍扁保护套

3.2 焊丝的影响

埋弧焊焊丝规格Φ2.5mm，大部分焊机中的焊丝从导电嘴出来时，都弯曲比较严重。焊丝干伸越长，弯曲越严重，导致背弯侧坡口熔合不好。另外，焊机整体不在一个水平线及管线组对过程中的变形，会使焊丝干伸有所变化，干伸高度忽高忽低、忽前忽后。干伸高度忽高忽低容易造成熔合不好；干伸忽前会使焊缝倒流，导致焊缝中形成条形夹渣。

埋弧焊焊丝弯曲预防措施：埋弧焊机增加焊丝矫正器，可通过调整焊丝矫正器位置，调整焊丝弯曲度，焊丝矫正器要覆盖到每台焊机，见图2。

图2 加矫正器的焊丝

3.3 容易出现气孔缺陷

埋弧焊接过程中由于各种元素成分的相互作用，熔池和熔渣中会析出一定的气体。同时由于焊接参数较大，熔池热量高，熔池的冷却速度较快，焊剂如果没有烘干或者颗粒较细，熔池内的气体来不及析出，会被凝固在焊缝中而成为气孔等缺陷。因此，焊剂应选用匹配颗粒度，使用前应按规定严格烘干，随用随取，这样才能有效减轻焊接气孔产生。

3.4 熔池偏移，产生夹渣、未熔合缺陷

管道焊接过程中，由于熔池被焊剂覆盖，不易观察，有时会出现熔池轴向偏移的现象，使焊道出现夹渣、未熔合缺陷。因此，焊接过程中需要焊工对位移调节系统及时校正。同时，随着焊道层数的增加，机头应相应地提升，以保证焊丝的伸出长不变化。

3.5 焊接层道间的脱渣问题

常用的埋弧焊剂都具有较好的脱渣性能，但由于熔渣和液态金属具有不同的物理特性，渣壳形成后，渣壳会被两侧金属挤压，镶嵌在接头的间隙中，导致脱渣十分困难。另外，焊工在清理未脱落药皮时，砂轮机打磨坡口，砂轮机角度及用力的力度使焊缝表面宽窄、深浅不一。有时易磨出较窄夹沟，导致焊接过程中出现条形夹渣。

解决坡口内脱渣可采用以下几种方法：选用坡口内脱渣性能好的焊剂；借助专用工具打渣，减轻手工打渣的劳动强度；利用热脱渣技术；尽量采用排焊工艺；以及确保焊道表面成形良好等，可有效克服层道间脱渣问题。

4 结语

某石化二期工程项目高压聚乙烯装置和2×300 万t/ a 浆态床渣油加氢装置的工艺管道总焊接量约160 万吋，使用管道埋弧自动焊焊接量约56 万吋，总计拍片数约27 万张。管道埋弧焊一次焊接合格率保持在99%以上，焊接质量控制效果显著。

且管道埋弧焊具有以下优势：没有弧光辐射和焊接烟尘，焊工不需要佩戴焊帽等辅助工具，劳动条件好，劳动强度低，对焊工伤害小，焊工使用积极性高；对野外防风措施等工作环境条件要求不严格；焊工技能操作基本为机械类焊工操作，操作难度小，培训容易，非常容易掌握。