J型坡口管道施工

顧永哲

（福建寧德核電有限公司，福建 寧德 355200）

1 J型坡口的形成

1.1 坡口的形式

一般的碳鋼管（不銹鋼管）在采用焊接連接的形式時，隨著管線壓力、溫度的不同，所選用的管道壁厚也不同。而不同的壁厚和焊接工藝方法將對應不同的接頭（坡口）型式。國內壁厚一般在26mm以內可采用V型坡口（或其變化型式），大于20-60mm采用J型（或其變化型式等）。ASEM（美國機械工程師協會）B16.25標準中對于不同焊接工藝方法及相應壁厚統一規定了焊接坡口的型式。以下示意圖為不同的坡口型式（單位為mm）：

圖1 不同坡型式示意圖

1.2 坡口加工及“C”值的確定

J型坡口一般應使用坡口機加工。J型坡口加工C值（擴孔直徑或加工后管內徑）非常重要，它將影響對口錯邊量及焊接的質量。一般情況應依據相應表格查得“C”值，也可依據以下公式計算C值：

C=ф-0.79-1.75δ-0.25(mm)

ф=標準管外徑

0.79=最小的管外徑公差（mm），依據ASTM（美國材料與試驗協會）標準的規定

1.75=標準管壁厚的87.5%X 2，依據ASTM的規定，鋼管允許的最小壁厚為標準管壁厚的87.5%

δ=標準管壁厚(mm)

0.25=加工后管內徑（C值）的正公差（mm）

實際的施工中無論查表或計算，均應采用統一的C值。坡口加工前應檢查坡口機是否運轉正常，加工的管口橢圓度是否滿足加工要求，必要時對管口進行校正。坡口加工時應仔細核實加工尺寸，隨時使用游標卡尺測量擴孔尺寸，調節進刀量，確保C值不超差。

2 J型坡口焊縫收縮量的確定

J型坡口管道壁厚較厚，對應的管線級別較高，安裝公差也相應提高。預先測量出焊縫收縮量及變形對管道下料、現場組對安裝及管線與設備的連接都將起到非常重要的作用。

2.1 前提條件

選用材料和坡口形式及焊接工藝方法應與實際工程施工所用相同或可代替，焊口已組對且架設牢固準備焊接。

工具（僅列出測量變形和收縮的工具）：鋼板尺、游標卡尺、水平尺、線墜、百分表。

2.2 焊縫收縮量的測量

圖2 樣沖眼作測量點

在焊口兩側 0°、90°、180°、270°四個方位各打 4 個樣沖眼作測量點（如圖2），預先測得兩個樣沖眼間的間距L0，焊縫焊接完成后從不同方位測量樣沖眼間的間距L，求得焊縫收縮量S=L0-L（記錄在焊縫收縮表中）。同時管端附近裝上百分表以觀察變形，焊接時采用對稱焊控制變形。

2.3 測量結果

最終的焊縫收縮量（焊縫熱處理完成后）可由記錄表中查得同一規格的焊縫收縮量取其平均值計算得出（一般應至少取相同焊接工藝方法和環境下，同一規格的三個數據）。

表1是本人在秦山核電三期管道預制廠測得的一組數據：

表1

規格 材質 焊接工藝 焊材牌號 外徑（mm）加工C值(mm)壁厚(mm)焊縫收縮量(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

經過對焊接過程和焊縫收縮量結果分析，J型坡口管道焊縫收縮具有以下特點：

●焊縫收縮量與所選焊接工藝方法和材料（質）有關,但差異不大；

●一般在焊至母材1/3至1/2之前焊縫收縮量較大；

●焊接速度快則焊縫收縮量較小；

●隨著管道壁厚增大，焊縫收縮量增大但變化幅度不明顯；

●焊縫收縮無法避免，焊接變形（水平度，管口垂直度等）均因焊口不對稱收縮產生，所以焊接變形可以通過對稱焊接來消除和控制；

●焊縫間隙大則收縮量相對較大。

3 J型坡口管道施工的關鍵點

J型坡口管道作為工藝管道的一種，典型預制安裝流程分別如下：

預制：管材（件）的領取→下料標識→坡口加工、鉆孔→組對→焊前預熱→焊接→焊后熱處理→NDE檢查→管段的酸洗清潔→包裝、儲存

安裝：管段（在線部件的領取）→管道放線、定位→支吊架安裝→組對→焊前預熱→焊接→焊后熱處理→NDE檢查→管道系統試驗與沖洗→系統移交

J型坡口管道與其它管道的施工順序區別不大，本文只對與J型坡口管道的坡口特點、焊縫收縮及變形控制相關的施工關鍵點（下料、管段的領取、放線定位、組對、焊接）進行闡述。

3.1 下料

管段的下料尺寸一般由圖紙設計長度（或管口間距）、焊縫間隙、焊縫收縮量以及連接管段（管件）的公差決定，可按下式計算：

L=L1+S-G-T

L=下料長度(此處的下料長度指加工好坡口后的尺寸，實際施工下料時應考慮切割管端的平直度和機加工坡口可能損耗的長度，一般應再加一定的加工坡口長度)

L1=圖紙設計長度(或測得的管口間距)

S=焊縫收縮量

G=焊縫間隙

T=連接管段(管件)的公差

一般V型坡口的管道涉及系統級別相對較低，對于安裝容差要求也相應較低，管道下料尺寸為：碳鋼管取L=L1-3（mm）；不銹鋼管取L=L1。

J型坡口的管道可考慮焊縫收縮為4mm，焊縫間隙為1mm，公差相互抵消，此時下料長度為L=L1+4-1+0=L1+3（mm）。在實際施工中，在測得現場管口間距后再加3 mm確定下料長度，在安裝中則會產生滿意的結果。

3.2 管段及在線部件的領取

管段及在線部件領取時應仔細核對標識及尺寸，部件是否存在缺陷,應特別注意坡口保護。

因為現場空間及吊裝設施有限，而J型坡口的管段較重 （如DN300 SCH100：160kg/m）外形尺寸較大，所以施工前應設計好合理的領用次序。

3.3 現場定位與放線

J型坡口管道施工中，首先由專業測量人員對將要安裝管道房間中易引出點進行三維坐標放線并提交書面的測量報告單。然后從基準點引線在附近墻上、鋼結構或預埋件上，標記坐標。第三步則依據施工圖紙尺寸、坐標放線：

●根據支架圖和預埋件圖，在預埋件或鋼結構上測量放出管道支架安裝位置中心線和標高線，并明確標識所在支架位號、角度和標高。

●根據管道安裝等軸圖在墻外壁或鋼結構上測量放出管道安裝中心線，并明確標識管線號、標高，同時可依據此基準線測量出管道長度與圖紙的偏差，必要時可對管道進行預制加工，以確保管道安裝符合要求。

●準確定位初始管段，后序管段放線時應多次測量來確定管線走向及下料尺寸（一般應以管口上、中、下各引一點進行測量取平均值來確定下料尺寸），對于空間坐標難以準確放線的地方，由測量班使用儀器測量管口坐標是有必要的，它將減少后序工作因放線不準而導致的安裝偏差。

●連接特殊角度的管段時，應最好在木板上投影放線，組對時依據投影線調整管段，這樣可以更好的保證連接管段的角度和尺寸均滿足要求。

3.4 組對

J型坡口管道焊接工藝、安裝精度及清潔度要求較高，故應盡量提高預制裝配程度，減少現場組對施工。對于尺寸、角度暫時無法確定的管段，應留有現場測量段，經實測后進行二次加工、組對。

管段組對前應核查預留洞、連接設備的位置是否偏差，從而確定管段組對時應調節的辦法；應核對管段、在線部件的標識是否正確，坡口有無損傷；應消除離坡口50mm范圍內的污物、毛刺、水分和鐵銹等，如果管道坡口表面附近有油污、油脂等則應用丙酮清理至干凈為止；對于帶有管座或其它管件需現場安裝的管段應在組對焊接前將孔開好并加以保護；應核實在線部件的方向后再進行組對。

組對：J型坡口組對間隙為0～1.5mm，如預制管段有一定誤差，可用間隙的大小加以調節。錯邊量一般不超過0.8mm，遇到有錯邊時應使錯邊在管口周向均勻分布。不允許強行對口，但可采取修磨坡口（因坡口中有一定范圍的鈍邊可調節）或加熱矯正等措施幫助組對。組對中如經設計同意使用臨時附件（吊耳、搭板等）時，則附件材料應與母材相同或相容，焊接材料應與母材相熔，臨時附件去除后，應對附件焊接點修磨后做磁粉檢驗，并對該區域進行焊后熱處理。對好口的管段應進行對稱點焊，為便于端頭熔透，點焊焊肉的兩端都必須修成緩坡形，同時點焊焊縫必須具有足夠的強度。為避免系統變形過大，應避免連續組對，最好在焊縫焊接完成之后進行下段管段的組對。

組對好的管段如永久性支架暫時不能安裝時，應使用臨時支撐件支撐而保證不出現彎曲，向外伸出或失衡等，臨時支撐應是剛性的且具有足夠的尺寸和強度以支撐管道的重量直至永久性支撐安裝完畢。

3.5 焊接

組對好的焊縫經QC檢查后即可進行焊接。施焊前焊工應對焊接設備及工具進行仔細的檢查，確保焊接設備及工具處于良好的工作狀態。同時應檢查點焊縫是否有損傷和裂紋，焊縫處是否有銹斑等污物，如不符合要求，則應使用合適的方法去除缺陷后施焊。

焊接過程中，焊工應嚴格按規定的焊接工藝進行。為減小焊接變形應盡量采用對稱施焊配合分段跳焊和退焊法進行焊接，并控制好層間溫度，以減小焊接應力和變形，保證焊縫質量。同時，焊接時應由專人觀察管道的變形情況而調整焊接順序，必要時在管口附近加一個如下圖所示的臨時支架是比較好的辦法，這樣可從管壁與支架的間隙清楚觀察到變形的大小，從而及時做出相應的焊接調整。

焊接時，應將焊接的接地線連接牢靠，不得因接地傷擊管道和設備；應特別防止焊接電纜拖動時在設備和管道上打弧。在焊接帶有閥門的管段時，要確保焊接電流不經過閥門，接地鉗應連接在管段一側，并嚴格控制層間溫度，以防損壞閥門密封環。焊接過程中，不得震動、敲擊被焊部件。

一般情況下，在焊縫根部焊完后應檢查有無裂紋或其它缺陷，同時在焊至焊縫厚度1/3時，做層間RT也是控制最終焊縫缺陷的有效辦法。對因故中途停焊的焊縫，必須保證已焊厚度達到焊縫厚度的1/3后方可停焊，且不可將一條管線上的多個焊縫同時施焊，這樣可能會因為多個焊縫同時收縮而造成焊縫開裂。

4 J型坡口管道安裝中應注意的事項

4.1 清潔度

J型坡口的管道涉及重要管線，清潔度要求非常重要。在安裝過程中應按以下幾點加以控制：每根管段及在線部件安裝前均要檢查清潔度是否符合要求；管道組對、焊接前要檢查其內部清潔度，小口徑管道可用壓縮空氣吹掃，大口徑管道可用吸塵器吸或用結實的布拖；對于暫不連接的管口應用管帽牢固封堵，此管口被最終連接或進行檢查時才可打開。每根管線與其它管線或設備相連時應再次檢查管內清潔度是否符合要求（對于U型彎的低部可采用內窺鏡檢查）。由于設計變更等必須切割管段（如增加排氣污口），應仔細操作以確保無外部雜質進入管道內部。當管道內部要求打磨等可能產生灰塵時，應安裝塞子防止灰塵掉入不可接近的內部，對打磨后的粉塵應使用吸塵器清掃，管口封閉焊接前一定要拆除密封塞等（必要時應做記錄）。每次清潔度的驗證應由QC人員嚴格按程序檢查。

4.2 施工順序的確定

J型坡口管道的安裝順序應在依據傳統的由內向外等原則外還應從以下幾個方面統籌考慮：

●施焊及焊后修補的難易。J型管道焊口質量要求非常高，一般要求作RT外還應作UT，所以應將那些難以施焊的焊口（靠墻洞，其它管線下方等）先施焊，對可能出現質量問題而修復補焊困難的焊口最好應等待其焊口檢驗合格后再進行其它管道的安裝，有些管段連接V型坡口的管道，應將其留在最后施焊。

●充氬的難易。應對需充氬的焊口優先考慮組對施焊，以免因接管太多而造成充氬效果不好或難以充氬。

●組對的難易。一般來說，現場安裝管線應連貫進行，但J型坡口的管道因變形較大，對口要求高，所以應考慮將那些難以組對的焊口優先組對施焊。

4.3 調節管段的確定及安裝

調節管段也叫現場測量段，它的重要作用是彌補焊縫收縮，焊接變形等造成的安裝偏差。原則上每條管線應在X、Y、Z軸上都有一段帶調節段的管段，這樣可以修正難以控制和預見的空間變形而帶來的管線無法連接。一般應將調節段設在與其它管線或設備相連的管段上。調節段的下料尺寸應在幾次測量現場管口尺寸取平均值后加一個焊縫收縮量（一般取3mm）。每條管線的調節段應在最后安裝。如與設備最終連接則應考慮2個焊縫焊接收縮而對設備產生應力帶來設備精度超差的可能。必要時此管段下料尺寸應加2個焊縫收縮 （可取6mm），安裝時用千斤頂等預先推開管線，將管段放入后，邊施焊邊放千斤頂的辦法來控制焊縫收縮對設備產生的應力，同時可加裝百分表觀測設備的變形，隨時調整焊接部位。

4.4 其它易出現的問題及其解決辦法

4.4.1 坡口的破損

因運輸或焊口點焊后未及時施焊等原因造成坡口的鈍邊破損可采用相應的焊接工藝手工氬弧焊修補后，打磨光滑再做PT檢驗的辦法彌補。

4.4.2 安裝變形過大

施工中因為預制精度超差，或對焊接變形控制不當等原因造成安裝變形過大，管口偏離坐標造成后序管段無法組裝對口的情況，可采用以下辦法修正：

●在變形較小時，可用熱處理的辦法矯正。

●在經過設計部門同意后將對接坡口修改為V型坡口后組對。

●在設計部門同意的情況下，在一定范圍內（一般不超過8mm），對管口進行修正后組對，如下圖所示在秦山核電三期施工中一根與主管道相連的管段因預制偏差造成管口組對焊縫間隙超差，經申請設計確認后，對一端坡口堆焊，再用手工修磨成過渡均勻的“J”型坡口，做PT合格后重新組對焊接（圖3）。

圖3

●在不得以的情況下，可將變形對應側的焊縫磨開一定深度后再施焊利用焊縫收縮來修正變形，這種方法應由焊接水平非常高的焊工進行。

●以上辦法均難以解決時，只有切除并更換管段，對于現場一端管口手工加工J型坡口。

5 結束語

J型坡口管道的施工雖然較普通坡口管道困難，但是只要掌握了它的焊縫收縮特性，精心組織施工，在施工時認真執行每道工序，有效控制變形，是一定可以優質、高效的完成安裝任務的。

［1］ANSI/ASME B16.25.對接焊坡口[S].

［2］ASME 31.1.動力管道[S].

［3］ASME第Ⅲ卷.鍋爐及壓力容器規范（核動力裝置設備建造準則）[S].

［4］管道工程安裝手冊[M].機械工業出版社出版.管道安裝施工技術[M].化學工業出版社出版.