自保護藥芯焊絲工藝在油田工程中的開發及應用

高海軍 王暉 劉守恩 蔣小燕

自保護半自動焊接技術已廣泛地應用于焊接領域的各個方面，本文主要介紹一種用于橋梁、大型鋼結構、造船、儲罐建設中有望取代焊條電弧焊的新工藝，這種焊接工藝在國外已得到廣泛的應用。目前在油田管道以及儲罐焊接施工中，廣泛采用的焊接方法是焊條電弧焊，纖維素焊條E6010打底加半自動填充、蓋面，氬弧焊打底加堿性焊條填充、蓋面。這些工藝雖然設備簡單，使用方便，抗風能力強，但也存在焊接效率低，焊縫缺陷多，施工進度慢，生產成本高，對焊接操作人員要求高等諸多限制因素。

1.焊接概況

目前油田內部儲罐建設中主要采用焊條電弧焊焊接工藝，這種工藝從開始問世到今天歷經了近100多年的歷程。雖然現在大型儲罐焊接中出現了多種新工藝，但是由于各種條件的限制和使用長效性，決定了油田內部小型儲罐不可能引進成套的焊接機具。因此如何調整焊接結構和有效應用先進的焊接工藝，是提高小型儲罐焊接效率的關鍵。于是，尋找一種適合儲罐焊接的自保護藥芯焊絲，既適合野外操作，又可以連續焊接，不僅提高焊接熔敷率，而且對焊工的操做技能要求也不高。經過不斷的試驗、篩選，最終選擇了美國Hobart公司生產的牌號為E71T—8J H8、φ1.6mm的焊絲作為試驗性焊接的材料。

2.焊接材料

E71T—8J H8 自保護藥芯焊絲是專門為要求苛刻的結構鋼、建筑用鋼和儲罐設計的。它能產生穩定的電弧，有大的焊接參數范圍。在各種位置都能形成高質量X光片的焊縫，尤其是在向上焊接時，可以采用大電流以提高熔敷率，從而提高生產速度。它既可單道焊，也可多道焊，焊道平整、脫渣性好。E71T—8J H8在大的熱輸入范圍內，都能獲得滿意的力學性能，符合AWS A5.20：2005新的D分類要求，能滿足AWS D1.8 對抗震級焊縫的要求。在國外廣泛應用于橋梁、大型鋼結構及儲罐的建設中。

由于E71T—8J H8是一種藥芯自保焊絲，其藥芯中含有大量的礦物質，在高溫下可以產生大量的保護氣體，在保護焊縫金屬的同時，又可以在結晶的過程中脫去焊縫中大量的有害物質，使得焊縫中的晶粒更加細化，從而較好地滿足對焊縫力學性能的要求。E71T—8J H8焊絲的使用特點和效果如表1所示。

3.焊接設備選擇

目前E71T—8J H8自保護焊絲在國內鋼結構焊接中使用較少，國內各焊機生產廠家還沒有成熟的機型進行試驗性焊接。而國外的機型價格又太高，成本上沒有優勢，因此根據E71T—8J H8自保護藥芯焊絲的焊接性，最終選擇了對國產焊機進行改進、開發。我們先后對焊接電源主板、送絲控制系統、焊槍的結構進行改進，提高了焊接電流的穩定性，現已達到預期效果，不僅比國外同等機型節約近一半的經費，而且在昆北油田工程中已得到應用，體現出較好的效果。

表1

4.焊接試驗

由于E71T—8J H8自保護藥芯焊絲目前在國內還沒有得到廣泛的應用，所以沒有任何現成的焊接工藝可以作為參考，所有的焊接數據都需要在焊接試驗中不斷地摸索完善。為此，我們先從平角焊縫的焊接開始，逐步向板狀試件拓展，最終獲取了各種位置的焊接數據資料，各種位置的焊接角度如圖1所示，詳細數據如表2所示。

為驗證該焊絲焊接的工藝性，模擬現場需要的位置在試板上焊接，試板的坡口形式如圖2所示。a=3mm,b=1.5mm,d=40°～50°，c=10mm，經過反復試驗，確認坡口角度為45°時最適合E71T—8J H8自保護藥芯焊絲的焊接。該坡口在焊接時可以采用較大的電流，有利于焊縫的成形和提高焊接質量，同時也便于焊接操作人員的掌握。在實際焊接時，由于坡口較小，使得填充量變少，從而加快了焊接速度，并且能有效減少焊接熱輸入，提高了力學性能。

在焊接試驗過程中我們不斷改進焊機的性能，完善焊接工藝。使得焊縫質量得到較大提高，焊接試件的合格率為100%，一級片為85%，力學性能全部合格。

5.工程中應用和傳統工藝的比較

為了驗證E71T—8J H8 自保護藥芯焊絲在工程中的應用效果，我們在昆北聯合站儲罐建設工程中進行了試驗焊接，主要在3 000m3大罐上進行試驗（該罐主材采用的是Q235鋼板）。在焊接中E71T—8J H8 自保護焊絲，不但能夠很好地應用在大罐所有位置的焊縫上，而且焊接速度均快于焊條電弧焊3倍以上。以8mm板為例，E71T—8J H8 自保護藥芯焊絲在完成立縫時所用時間為11min，而傳統的焊條電弧焊所用時間在45min以上；橫縫焊接時，E71T—8J H8 自保護藥芯焊絲焊接完成1m所需要時間為8min，而傳統的焊條電弧焊焊接完成1m需要時間35min。由此可見，自保護藥芯焊絲焊接施工速度優于傳統的焊條電弧焊，焊接質量也高于焊條電弧焊。在焊接試驗和工程應用中，自保護藥芯焊絲合格率在98%以上，一級片率為85%，焊條電弧焊合格率為85%，一級片率為30%。由此可見，E71T—8J H8 自保護藥芯焊絲在焊接速度、質量上都優于傳統的焊條電弧焊。由于E71T—8J H8自保護藥芯焊絲采用大電流焊接，因此冶金反應充分，焊縫金屬成分均勻，焊縫成形也優于焊條電弧焊（見圖3、圖4）。

圖1 各種位置的焊接角度

表2 采用的焊接參數

結合在這次試驗施工中所得到的數據，在經濟性分析中由表3可以看出，采用這種自保護藥芯焊絲焊接，可降低施工成本約1/3。

圖2 板狀試件的坡口形式

圖3 E71T—8J H8 自保護藥芯焊絲焊接效果

圖4 焊條電弧焊焊接效果

表3 與傳統焊接方法成本對比

此次比較不包括在焊接操作人員培訓時所產生的數據。E71T—8J H8焊絲是一種重金屬自保護藥芯焊絲，焊接時主要調節的是焊接電流和電弧電壓的參數，不需要特定的手法進行控制。由于操作簡單、使用方便、容易掌握，所以培訓周期短，可以節省大量的培訓經費和人員。

6.結語

根據以上的測試結果，可以得出如下結論：

（1）采用E71T—8J H8焊絲，可以提高生產效率 3 倍。

（2）該焊絲熔敷率高，克服了下向焊自保護藥芯焊絲熔敷率低的問題，特別適合油田建設中大罐和厚壁管道的焊接。

（3）使用該焊絲，可以降低施工成本約1/3。

（4）可進一步對國產焊機進行提升和改造，為自動化焊接奠定基礎。