CO2半自動單面焊雙面成型工藝在鋼管施工中的應用

蘇林

（上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海市 201707）

CO2半自動單面焊雙面成型工藝在鋼管施工中的應用

蘇林

（上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海市 201707）

簡要介紹了大口徑輸水管道施工現狀及開發應用背景,詳細介紹了新工藝應用試驗過程和鋼管連接中CO2自動單面焊雙面成型的焊接工藝及其特點、優越性和實際應用,并對其工程安全、質量、經濟技術進行了比較。

輸水管道；鋼管；焊接；施工；CO2半自動單面焊雙面成形工藝

1 大口徑輸水管道施工現狀及開發應用背景

原水管道一般采用長距離單管輸水,特別是在長江引水系統中,都采用鋼管壓力輸水。如果原水輸水管道由于施工質量等問題造成爆管事故,引起自來水廠停水,將影響一大片地區的生產和生活用水,范圍較一般自來水供水管道要大得多。因此,對大口徑原水輸水管道的設計、施工更須嚴格要求。

2 新工藝應用試驗過程

CO2保護焊的全稱為“二氧化碳氣體保護電弧焊”,是融化極焊接方法的一種。它采用氧化性氣體CO2作為保護介質,焊接時將電弧及熔池與空氣機械地隔離開來,從而避免有害氣體侵入,以確保形成質量良好的焊縫。CO2保護焊成本低、生產效率高、變形少、焊縫質量好,且操作方便,可以進行全位置焊接。CO2保護焊可用于多種材料的焊接,材料厚度為0.8～150 mm。

CO2保護焊焊絲可分為實芯焊絲和藥芯焊絲。藥芯焊絲CO2保護焊是以藥芯焊絲作為電極,外加二氧化碳氣體保護的焊接法。用該方法焊接后焊縫的表面有一層薄薄的渣。利用CO2保護的藥芯焊絲,既有CO2保護焊的特點,又具有焊條手工電弧焊的特點,從保護的角度來看是屬于氣渣聯合保護的焊接法。這種保護更有效地防止空氣中氧、痰、氫等有害氣體和液態金屬的相互作用,以獲得優質的焊縫。

藥芯焊絲CO2保護焊的特點是:（1）生產效率高,是手工電弧焊的3～5倍；（2）工藝性能好,飛濺少且成細顆粒,焊縫成形美觀；（3）對焊接電源特性無特殊要求；（4）調節焊絲芯部的合金劑及其比例,可以焊接和堆焊不同成分的鋼材。

另外,與手工電弧焊相比,藥芯焊絲CO2保護焊熔較大,在具有相同的焊腳時,增加了焊縫的計算截面,提高了焊縫的計算強度。藥芯焊絲CO2保護焊法適宜焊接中厚板,尤其適用于一般難于實現機械化焊接的各部位,不規則的短焊縫和角焊縫,且電弧可見,操作方便,具有較好的工藝性能。

CO2半自動單面焊雙面成型工藝是利用CO2保護半自動焊工藝配用相應的襯墊材料,已達到正面焊接反面同時成形的目的,用的焊接材料由襯墊、焊絲和CO2氣體組成。此種工藝已在船舶制造行業中得到應用,但在大型輸水鋼管野外施工中的應用還沒有先例。

在實驗過程中,首先選定了適用于野外作業的輕便型焊機,先后購進2臺日本松下KR500 CO2焊機,并使用多種焊絲、襯墊在舊鋼管上進行初步試驗。焊絲與襯墊的匹配,直接影響后期焊接接頭的機械性能和抗裂性,當焊接不同的鋼材時應選用不同型號的焊絲與之匹配以達到預期效果。通過不斷摸索,最終選定了既經濟又能與焊機匹配的焊絲及襯墊材料,即:國產YJ501-11.2藥芯焊絲及上海耐火材料廠TSHD-1 600 mm陶瓷襯墊。

TSHD-1型單面焊襯墊是耐火陶瓷襯塊黏貼在涂著膠水的鋁帶上制成,可以在任何位置下襯貼。襯墊成形槽寬為14 mm,焊接時坡口根部間隙要求可在較寬的范圍內變動,只要范圍選擇適當,操作合理,均能得到良好的反面成形焊縫。

CO2氣體作為焊接時的保護氣體,防止空氣侵入焊接區,但若CO2氣體內其含水量較高時,則易在焊縫中形成氣孔,因此CO2氣體純度不應小于99.5%。為減少CO2氣體中的水分,通?？蓪馄康怪?～2 h,打開倒置氣瓶的氣閥,放水2～3次即可,使用時應先放出瓶上部水分較多氣體,另外,還可在焊接氣路系統中串聯一個干燥器或預熱器。

由于施工現場焊接條件較差,所以在廠里進行的實驗能否在現場排管中取得相同的效果是非常重要的。針對溝槽內鋼管較臟、較潮濕等情況,在要求管道拼裝符合要求的基礎上,還要求焊工在焊接前必須清理掉管端泥漿垃圾,對坡口打磨,并用割刀對焊縫周邊加熱烘干,然后再在管壁下部黏貼襯墊,從管壁上部進行焊接。試驗相當成功,對現場焊接的鋼管進行拍片檢驗全部合格。

3 CO2半自動單面焊雙面成型工藝

3.1工藝概況及編制依據

CO2半自動單面焊雙面成型工藝,以CO2氣體作為保護介質,采用藥芯焊絲,配以陶瓷襯墊,通過焊絲自動進給的手工操作來完成焊接工程。

實驗證明,本工藝只要裝配質量符合要求,操作得當,一般均能獲得成形良好的焊縫,但裝配間隙或板材位差不合要求以及焊接時操作不當,也可能產生一些焊接缺陷,必須引起重視。

3.2 適用范圍

本工藝適用于牌號為Q235A或相似的材料,板厚為13.5～25 mm,管徑大于1 370 mm的輸水鋼管的上半圓（外焊）和下半圓（內焊）對接接頭。

3.3 裝配要求

3.3.1 基本要求

本工藝的焊接質量,在很大程度上取決于工件邊緣的加工質量,接頭與接頭處的清潔程度及裝配質量,其基本要求如下:

（1）工件的坡口形為V形

當板厚＞18 mm時,坡口a=40°,±（1～5）°,間隙21,C=5±。

當板厚≤18 mm時,坡口a=50°,±（1～5）°,間隙同上,C=5±。

（2）裝配板厚差應≤2 mm。

（3）工作邊緣可采用剪切、刨邊、自動或半自動氣割加工,但不能有留根。在裝配前應清除油、油漆、水、泥、黃銹及氣割毛刺。清除范圍除坡口面外,還應包括內外焊接面焊縫兩側各30 mm和貼襯墊面焊縫兩側各50 mm的范圍。

（4）裝配時采用“∩”形馬板定位,馬板可安裝在焊縫正面或背面,視現場情況定。馬板外形尺寸及安裝間距應以保證焊接質量為準,但安裝在焊縫正面時,安裝間距應大于500 mm,以減少接頭及部分接頭凹坑的處理。馬板可在成形焊縫和第一層打底焊縫施焊后敲除。

3.3.2 焊接材料要求

本工藝所用焊絲、CO2氣體和襯墊須經工藝試驗相互匹配,以保證焊接接頭的機械性能和內在質量。

（1）焊絲:本工藝配用中船總公司461廠牌號為YJ501-1或其他與母材相應等級的Ф1.2 mm藥芯焊絲。當成形施焊和第一層打底焊縫施焊后,以后各層可繼續使用該藥芯焊絲繼續施焊,也可采用結422焊條施焊至焊縫全部結束。焊絲在保管和施工中表面應無油、銹及臟物,并應保持干燥。

（2）CO2氣體:CO2氣體作為焊接時的保護氣體,防止空氣侵入焊接區,應采用純度大于99.5%,含水量低的CO2氣體（必要時可倒置一段時間后再用）。

（3）襯墊:襯墊應保持干燥,當板厚差大于2 mm時,需用厚薄板形襯墊。

3.3.3 焊接工藝要求

（1）一般工藝要求

a.CO2氣體使用時應經預熱,焊槍各部件的連接應保證氣密；

b.導電嘴不允許伸出噴嘴外,導電嘴縮進噴嘴的距離為0～3 mm；

c.焊接時,焊炬噴嘴要求基本上與焊縫垂直,焊接接頭應避免明顯凸起,收弧時熔池應受延時氣體保護,且弧坑應填滿；

d.每層施焊厚度約4～5 mm,不宜過大,最后一層打底焊高度應離上口1～2 mm。

（2）襯墊安裝

安裝時要使襯墊凹槽中心的紅線對準間隙中心,在2根襯墊連接處應緊密相連,以免造成背面成型呈“竹節”狀。襯墊就位后,應使鋁箔與鋼板貼緊抹平,以免焊接過程中襯墊坍塌。襯墊安裝后不能受潮或過夜。

（3）焊接參數見表1。

表1 焊接參數

應先調電流,后調電壓至適宜。成形道焊縫施焊時電流不宜過大。當風速＞2 m/s時,可適當加大氣體流量。

4 新工藝在具體施工中的應用

1995年,在長江引水工程泰二標排灌施工中碰到特殊情況,敷設的2.6 m口徑鋼管要穿越康得利集裝箱中轉貨場,長度達1 200 m。該貨場原為征用農田,表面僅用道渣壓實平整,進出的大型集裝箱卡車重約30 t,外部力量經常對管道沖擊,極易造成管道底部開裂,如按原來施工焊接工藝拼接鋼管,工程質量難以保證。為此,在該地區采用了CO2半自動單面焊雙面成型工藝。實際焊接費用雖比常規手工焊接費用增加了29%,但由于不需要留出管外焊接位置,溝槽可以適當減小,此段管道施工采用了局部板狀處理窄溝槽進占方式,土方量及前期賠償費明顯減少,對貨場生產的影響也降到了最小限度,總費用大大降低。

5 工程安全、質量、經濟技術比較

CO2半自動單面焊雙面成型工藝的應用解決了輸水管道施工中存在的安全、質量隱患。由于不需要留出管外焊接位置,溝槽可以大大減小,焊工在管下危險區域停留時間減少,因此安全性提高,焊接質量也能得到保證。長江引水工程泰二標排管中使用該工藝拍片結果為:三級片占30%,二級片占70%,達到優良級水平。施工速度明顯加快,施工工期有了保證,這在重大項目建設中是非常重要的。

應用新工藝后,實際焊接費用比手工焊接費用增加了29%（見表2、表3）。

表2 CO2保護焊耗用材料費用統計

表3 手工電弧焊接耗用材料費用統計

但是,由于焊接費用在排管成本中只占很小比例（見表4）,可以忽略不計,因而經濟效益是很明顯的。在實際應用中,輸水鋼管上半圓外焊仍使用手工電弧焊,僅在下半圓內焊使用CO2保護焊,兩種焊接方法結合使用,還可適當節約一些焊接費用。

表4 CO2保護焊接排管成本統計

以長江引水泰二標項目情況為例,由于成功應用了二氧化碳氣體保護焊新工藝,全線板樁窄溝槽施工,使排管溝槽寬度得以最大限度降低,與原設計圖大開挖方案比較,僅1.2 km排管就為工程節約前期借地費、場地修復費用等超過100萬元。作為施工單位,在結算成本時發現,每根管子鋪設可減少開挖土方8.8 m3（費用約250元）,可減少打樁8根（10 m長板樁,費用約1 000元）及節約相應的機械費用,從而降低施工成本約5%,經濟效益是很明顯的。

對于長江引水工程這樣單管壓力輸水的引水鋼管,在使用了CO2保護焊后,由于對接質量明顯提高,其承壓能力也相應提高,這就為以后鋼管的供水能力的提高創造了條件,預計創造的經濟效益是非常可觀的。

總之,雖從焊接成本來講,新工藝應用前后費用相差無幾,但應用了新工藝后,輸水鋼管對接功效有較大提高,管道質量、施工安全明顯提高,間接產生的經濟和社會效益是巨大的。

6 結語

CO2半自動單面焊雙面成型工藝在大口徑管道中的應用取得成功,現場拍片鑒定達到優良級水平,施工質量明顯提高,施工人員安全得到保障,經濟效益、社會效益顯著。

這項工藝本身是成熟的技術,但成功應用于大口徑鋼管施工尚屬首創,在實際應用中從施工現場的具體情況出發,結合排管中的其他技術措施,取得了很好的效果。

通過實踐,認為使用松下KR500二氧化碳焊機比較輕便,國產YJ501-1.2藥芯焊絲及TSHD-1 600 mm襯墊對13.5～25 mm厚度的普板卷管是適用的,且比較經濟。建議將這項新工藝在今后大型引水工程或其他相似工程中推廣應用。

TU990.3

B

1009-7716（2017）07-0273-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.083

2017-03-16

蘇林（1973-）,男,四川綿陽人,總監理工程師,工程師,從事工程監理工作。