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无背面衬垫的完全自动全位置MAG焊接技术开发


近年来,跨越山丘及河流的大型管道建设项目增加,很多都采用专业的盾构隧道施工方法。隧道内的管道建设中,钢管和钢管之间的连接——环焊缝是关键所在,因此为提高工程进度,迫切需要缩短焊接时间。在这种情况下,如果打底焊道到填充焊道均采用自动MAG焊接,为保证焊接质量,必须在管道内侧设置铜衬垫,需要作业人员进入管道内部放置衬垫。

但是,焊接500 A以下的钢管时,由于作业人员无法进入钢管内部,不能采用该办法。一般在打底焊道由资深焊工采用TIG焊背面成形,填充焊道采用自动MAG焊接。此方法打底焊道焊接速度慢,而且需要由TIG焊切换到MAG焊,所以所需焊接时间长。此外,打底焊道需要TIG焊背面成形,只有资深焊工才能完成。因此,500A以下管道的传统焊接方法有以下两点问题:一是在品质上依赖焊工的技能,二是效率上不如完全自动MAG焊接效率高。

为了解决以上问题,开发了无背面衬垫的完全自动全位置MAG焊接方法,500 A以下管道也可以完全采用自动MAG焊接。本文介绍了该方法的开发内容和现场应用情况。

 

1、开发的关键点

实现了无背面铜衬垫、从打底到填充焊道均采用完全自动全位置MAG焊接。该方法和传统方法的对比如图1。

 

图1 传统焊接方法和开发焊接方法对比

 

 

开发的关键点是,通过选择适合背面成形的特殊焊接电源,着眼背面余高的不同焊接位置进行各种工艺参数(焊接电流、电压、焊接速度等)最优化设计,最终实现了管道全位置焊接的高品质背面成形。

 

2、焊接工艺的确定

固定管焊接需要全位置焊,有必要根据不同焊接位置进行焊接工艺最优化。本方法使用的焊接电源不同于以往的DC电源,可以调节峰值电流、基值电流等很多参数,所以优化过程复杂。确定焊接工艺,首先进行平焊、立向下焊、仰焊、立向上焊四种位置的工艺研究,在此基础上确定钢管全位置焊接的工艺。

 

2.1钢板的基础研究

钢板的基础研究仅限于打底焊。母材为板厚12mm的SS400,焊接材料为JIS Z 3312 YGW 12 Ф0.9mm的实心焊丝。坡口角度40°,V型,不使用铜衬垫。

 

焊接实验时,首先固定焊接速度,改变峰值电流、基值电流、送丝速度,综合评价焊接工艺是否适合,如背面成形是否连续稳定、有无咬边、熔透深度等。评价结果如图2所示。图2(a)为合适;(b)热输入过小,背面成形不足;(c)和b相反热输入过大,背面成形过凸。平焊时工艺参数之间关系总结如图3。

 

图2 评价结果例

 

其次,改变图3中合适工艺的焊接速度,分析工艺窗口宽度。对应焊接速度的工艺窗口比较宽,最终确定了最适合的焊接工艺范围。送丝速度为2m/ min时结果如图4所示。对每个焊接位置进行的同样的分析,最终确定4个焊接位置的最优焊接工艺。

 

图3 工艺参数关联性分析结果

 

 

图4 焊接速度工艺窗口分析结果

 

2.2钢管的分析

钢管焊接时母材为API 5L X60 500 A×12.7 mm t,将钢管水平固定,进行全位置焊接。确定焊接工艺时,首先将平板焊接时确定的4个焊接位置焊接工艺参数扩大为12个参数,初定为钢管全位置焊接的初期参数。在此基础上,反复进行钢管焊接实验,分析背面成形是否连续稳定、有无咬边、熔透深度等,确定打底焊道的焊接工艺参数,确保在实际焊接出现坡口波动(根部间隙±0.5mm、错边≤2mm)时也能具备较宽工艺窗口实现管道全位置焊接。接下来确定第2层焊道至盖面焊道的焊接工艺参数,最终确定从打底焊道到填充焊道实现全自动MAG焊接的所有工艺参数。

 

3、焊接质量

确认了使用无背面衬垫的完全自动全位置MAG焊接的NDI品质,结果如表1所示。射线探伤和超声波探伤均得到稳定良好的结果。

表1  无损检测结果(500 A×12.7㎜t X60)

接头No
 全周RT(JIS Z 3104)
 全周UT

(JIS Z 3060)
 
胶卷号
 
1
 2
 3
 4
 5
 6
 
1
 1N
 1B
 1N
 1B
 1B
 1N
 未检出缺陷
 
2
 1N
 1N
 1N
 1N
 1N
 1B
 未检出缺陷
 
3
 1N
 1N
 1N
 1N
 1N
 1N
 未检出缺陷
 
4
 1N
 1N
 1N
 1N
 1N
 1N
 未检出缺陷
 
5
 1N
 1B
 1B
 1N
 1N
 1N
 未检出缺陷
 
6
 1N
 1N
 1B
 1N
 1N
 1N
 未检出缺陷
 
7
 1B
 1N
 1N
 1N
 1N
 1N
 未检出缺陷
 
8
 1N
 1B
 1N
 1N
 1N
 1N
 未检出缺陷
 
9
 1N
 1N
 1B
 1N
 1N
 1N
 未检出缺陷
 
10
 1N
 1N
 1N
 1N
 1N
 1N
 未检出缺陷
 

 

4、接头性能评价

采用本焊接法进行钢管环焊缝焊接,主要分析接头力学性能,结果如表2,各项指标均满足日本高压燃气管道焊接要求。

表2  接头力学性能

项    目
 结    果
 
接头拉伸
 抗拉强度576、581MPa(断于母材)
 
硬    度
 最高226HV10、平均200 HV10
 
夏比冲击(2mmV型-10℃全尺寸)
 149、134、147、132、142、145(平均141.5J)
 
正    弯
 合   格(无缺陷)
 
背    弯
 合   格(无缺陷)
 

钢管:API 5L X60 500A×12.7mmt

焊丝:JIS Z 3312 YGW 12

 

5、钢管组对开坡口设备自动化

本焊接方法从钢管外侧进行自动焊接,从打底焊道到填充焊道连续自动焊,钢管内部放置夹具固定。但是,对于作业人员不能进入管道内的500 A以下钢管,无法使用必须进入管内才能设置的传统内置夹具。因此,开发了通过无线远程操作的遥控式内置夹具。并且,为提高组对效率,还开发了遥控式钢管开坡口台车,可以减少钢管组对开坡口操作人员,节约人力。传统夹具和开发夹具的对比如图5。

 

图5 传统夹具和开发夹具的对比

6、现场施工业绩

2011年8月开始的静滨干线建设工程/盾构隧道管道工程中应用了本焊接方法。静滨干线建设工程是高压燃气管道干线,以静冈县清水市的LNG基地为起点,至静冈县滨松市中部燃气南部供应站为终点,全长约108公里,其中约82公里的管道工程需组对焊接。A工区5处盾构隧道采用了该焊接方法,至2013年5月17日整个区间施工结束。静滨干线建设工程施工业绩如表3。

 

表3  施工业绩

钢  管
 总施工长度
 环焊缝总数
 一次合格率
 
API 5L X60 500A×12.7mmt
 11.2km
 935
 99.2%
 

焊接钢管总长度11.2km,935个环焊缝,一次合格率99.2%,进度 3~4个环焊缝 /日。本方法和传统方法的工作效率对比如图6所示,相比传统方法,可以大幅缩短34%的作业时间。

 

图6 盾构隧道内管道焊接施工周期业绩对比(500 A×12.7mmt X60)

 

7、结论

开发了无背面衬垫的完全自动全位置MAG焊接技术,首次应用在日本国内盾构隧道内管道工程,可以大幅省时、省力,并且不需要资深技能操作人员。预计今后将在管道施工中更多应用本焊接方法,为提高管道施工技术做出积极的贡献。


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