不良外焊縫形狀對鋼管3PE 防腐的影響及控制措施

王海力， 雷小兵

（山東勝利鋼管有限公司， 山東 淄博255082）

0 前 言

隨著鋼管3PE 防腐工藝的廣泛采用， 對螺旋埋弧焊管外焊縫形狀提出了越來越高的要求。鋼管3PE 防腐質量不僅取決于防腐設備、 防腐工藝、 防腐材料、 操作技術能力、 管理水平等，而且受鋼管（光管） 外觀質量的影響， 比如鋼管橢圓度、 直度、 劃傷、 壓坑、 焊縫形狀等， 特別是外焊縫形狀的影響更大。 因此， 探討不良外焊縫形狀對3PE 防腐的影響及其控制措施， 對預防防腐層開裂、 密集漏點、 涂層不均勻以及防腐材料的浪費等具有十分重要的意義。

1 不良外焊縫形狀對焊管3PE 防腐的影響

1.1 “內卷邊” 外焊縫對3PE 防腐的影響

“內卷邊” 外焊縫是指沿外焊縫邊緣寬約0.5 mm 與母材只是形成緊密搭接而并未熔合在一起的一種不良外焊縫 （如圖1 所示）。 “內卷邊” 外焊縫隱蔽性很強， 一般出現在焊縫一側邊緣， 看似焊縫邊緣與母材已經熔合， 但實際上只是緊密搭接覆蓋， 其內卷邊寬度雖然只有0.5 mm 左右， 但對3PE 防腐會產生大量漏點。 漏點檢測是檢測鋼管防腐層是否漏點或防腐層厚度是否足夠的工序。 其基本原理是漏點檢測儀在鋼管裸露區和防腐層表面施加25～30 kV高壓， 形成擊穿電壓， 以對防腐層薄弱區進行檢測。 GB/T 23257—2017 《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層》 （以下簡稱防腐標準） 第7.5 條規定： “防腐層的漏點應按采用在線電火花檢漏儀進行連續檢查， 檢漏電壓為25 kV， 無漏點為合格”。

有的3PE 防腐工程是在鋼管生產廠內部進行的， 而有的則是將鋼管運送到施工現場后進行防腐。 即便是在鋼管廠內部進行防腐， 一旦發現因 “內卷邊” 外焊縫導致的密集漏點， 也已有批量鋼管生產出來， 處理 “內卷邊” 外焊縫的唯一辦法只能是手工修磨。 使用磨光機沿整條外焊縫手工磨掉寬約0.5 mm 的 “內卷邊”部分， 這樣必然會導致大量人力、 物力、 財力的浪費。 因此， 必須嚴格控制 “內卷邊” 外焊縫的產生。

1.2 “魚脊” 形外焊縫對3PE 防腐的影響

“魚脊” 形外焊縫又稱 “駝峰” 形外焊縫（如圖2 所示）， 外焊縫中間高而窄。 防腐過程中， 在硅膠輥的擠壓和旋轉托輥的作用下， 極易造成這種不良外焊縫處防腐層嚴重減薄甚至出現裂口， 這不僅增加了補口和補口質量檢驗工作量， 而且也降低了鋼管防腐的一次通過率。 同時， 還會造成防腐材料的巨大浪費。

圖1 “內圈邊”外焊縫

在防腐層涂敷前， 首先要對鋼管表面進行處理， 然后進行拋丸（拋砂） 除銹， 以獲得清潔和有一定粗糙度的表面， 從而提高熔結環氧粉末層對鋼管表面的附著力。 鋼管表面要求錨紋深度達到50～90 μm， 除銹等級達到Sa2.5 級， 鹽分含量不超過20 mg/cm2， 灰塵度不低于2 級。 “內卷邊” 外焊縫使寬約0.5 mm 范圍內的鋼管母材被焊縫邊緣緊密覆蓋， 從而形成了沿整條焊縫寬約0.5 mm 范圍的“鋼管表面處理死角”。 在3PE防腐過程中， 一般采用靜電噴涂法噴涂環氧粉末。 噴涂環氧粉末前， 需要利用高頻設備將鋼管加熱到適宜的溫度范圍， 使環氧粉末一接觸到鋼管就能立即熔化， 余熱使涂膜繼續流動， 進一步流平覆蓋整個鋼管表面， 特別是錨紋凹陷處以及焊縫兩側， 使涂層與鋼管緊密結合， 最大限度地減少空隙。 但熔化的環氧粉末涂膜很難流入“內卷邊” 外焊縫邊緣內， 即使有部分流入， 由于“鋼管表面處理死角” 的存在， 這部分環氧粉末與鋼管表面及焊縫的附著力也會大大減弱。 因此，“內卷邊” 外焊縫必然會導致大量漏點的存在。

圖2 “魚脊”形外焊縫

防腐標準中規定， 焊縫部位的防腐層厚度不應小于管體防腐層厚度的80%， 在檢驗測量防腐層厚度時是以最薄點為判定標準的。 在實際生產過程中， 當管體防腐層厚度達到防腐標準要求時， 中凸的 “魚脊” 形外焊縫處的防腐層厚度往往達不到防腐標準的要求， 造成該處防腐層厚度偏薄。 為滿足 “魚脊” 形外焊縫處防腐層厚度達到防腐標準要求， 必然會增加整個管體防腐層厚度， 從而導致防腐材料的浪費， 增加防腐成本。

1.3 “矩形”、 “馬鞍” 形外焊縫對3PE 防腐的影響

“矩形” 外焊縫如圖3 所示。 這種不良外焊縫邊緣與母材過渡陡直， 其過渡角一般小于120°， 焊縫上部較平。 “馬鞍” 形外焊縫如圖4所示， 這種不良外焊縫中間凹陷， 兩側凸起， 焊縫邊緣與母材過渡不平緩。 這兩種不良外焊縫，由于焊縫與母材過渡角太小， 在噴砂處理時， 焊趾處清理不凈， 容易造成環氧粉末噴涂不到位形成空隙， 或防腐層擠壓不實， 粘結不牢， 造成防腐層出現密集漏點， 從而導致防腐驗收不合格。這兩種不良外焊縫由于凸棱的存在也會導致防腐層厚度不均勻、 涂層間氣泡、 斷裂等問題。 同時， “馬鞍” 形外焊縫凹陷深度若過大， 會增加防腐材耗。

圖3 “矩形”外焊縫

圖4 “馬鞍”形外焊縫

2 不良外焊縫形狀產生的主要原因及其控制措施

螺旋埋弧焊管生產過程中， 影響焊縫成形的因素較多， 比如焊接工藝參數 （焊接電壓/焊接電流/焊接速度）、 工藝因素 （焊絲偏心距/前后絲傾角及側傾角/焊絲間距/焊絲伸出長度）、 結構因素 （坡口/成型）、 焊劑 （化學成分和黏度/堆積密度和顆粒度/堆放高度/堆放高度和分布）及焊接設備 （焊機與控制系統的匹配/焊機容量/焊接設備故障） 等。 本研究僅對幾種不良外焊縫形狀產生的主要原因進行分析探討， 為獲得良好的焊縫成形提供參考。

2.1 “內卷邊” 外焊縫產生的主要原因及其控制

2.1.1 焊接電壓

在其他條件不變時， 電弧電壓增大， 焊縫熔寬顯著增加而熔深和余高將略有減小。 由于螺旋埋弧焊管的外焊是在鋼管的外部沿螺旋縫進行焊接的， 處于斜面上， 熔化的焊縫金屬會在重力作用下發生側向流淌。 可見， 焊接電壓越大， 熔池越寬， 熔化的焊縫金屬發生側向流淌的趨勢就越嚴重， 越容易導致焊縫金屬偏流， 嚴重時會產生“內卷邊” 外焊縫。 因此， 為獲得較好的外焊縫形貌， 可適當減小外焊前后絲焊接電壓。

2.1.2 焊絲側傾角

螺旋埋弧焊管的外焊點位置處于斜面上， 熔化的焊縫金屬在重力作用下會產生向成形縫自由邊一側側向流淌的現象， 容易導致焊縫偏流， 嚴重時會產生“內卷邊” 外焊縫。 選擇合理的側傾角可有效減緩焊縫金屬側向偏流的現象。 焊絲指向成形縫遞送邊的側傾角為7°～15°。

2.1.3 焊劑

螺旋埋弧焊管焊縫成形的質量與焊劑化學成分、 黏度、 堆積密度、 顆粒度、 堆積高度及分布等因素密切相關。 因此， 應選用性能優良、 質量穩定的焊劑， 同時使用過程中也應注意焊劑堆放分布均勻。

正常情況下， 焊劑應均勻分布在熔池上方。螺旋埋弧焊管生產過程中， 焊劑的分布一般是靠焊劑擋碗來實現的， 焊劑擋碗應與螺旋焊縫對稱， 這樣才能使從焊劑管中流下來的焊劑均勻分布在熔池上方。 當焊劑碗偏斜時， 則焊劑碗中的焊劑一邊高一邊低， 高的一邊焊劑始終對熔池金屬產生一個側向推力， 將熔池金屬推向另一側，熔化的焊縫金屬凝固后則在這一側形成了“內卷邊” 外焊縫。 因焊劑擋碗偏斜導致的 “內卷邊”外焊縫雖然成因簡單但極易被忽視， 生產過程中焊接操作人員必須注意觀察， 發現問題及時調整。

2.2 “矩形” 外焊縫產生的主要原因及其控制

生產大壁厚螺旋埋弧焊管時， 為保證內外焊道的熔深和減小焊縫余高以及保證焊縫力學性能滿足標準要求， 一般均采取鋼板邊緣開Y 形或X 形坡口后進行埋弧焊接。 選擇合理的焊接坡口形式是提高大壁厚螺旋埋弧焊管焊接質量的關鍵。

實際生產中， 壁厚較薄時一般不開坡口。 但壁厚在11～12 mm 且未開坡口時， 為確保熔深需采用較大的焊接電流。 此時若偏心距太小且焊接電壓較大， 則會產生“矩形” 外焊縫。 正確的做法應該是適當加大外焊偏心距， 而不能只靠加大焊接電壓來控制焊縫高度， 否則就會產生 “矩形” 外焊縫。

2.3 “魚脊”、 “馬鞍” 形外焊縫產生的主要原因及其控制

2.3.1 焊絲偏心距

螺旋焊縫是沿著不斷形成的螺旋線的運動方向而焊成的， 因此在焊縫上未凝固的液體金屬將隨著所處的空間位置的變化而流淌。 若要保證螺旋焊縫獲得良好的焊縫形狀， 必須使熔化而流動的液體金屬在傾斜的母材上具有穩定的凝固條件。 因此， 外焊點應在鋼管頂點且逆旋轉方向偏移一段距離， 使熔池金屬結晶凝固時接近于水平位置， 以獲得較好的焊縫成形。

外焊點偏心距的選用與管徑成正比， 管徑愈大， 偏移量也應較大； 管徑愈小， 偏移量也應減小。 一般直徑219～1 420 mm 的鋼管， 其下坡偏移量可近似在10～100 mm 內取值。 下坡偏移量過小， 熔深增加， 焊縫窄而高， 易造成咬邊缺陷， 焊縫呈中凸的 “魚脊” 形； 下坡偏移量過大， 焊縫熔寬增加， 熔深減小， 易造成未熔合，焊縫呈扁平或中凹的“馬鞍” 形。

2.3.2 雙絲焊前后絲傾角

在螺旋埋弧焊管生產中， 當焊絲在一定的傾角內后傾時， 電弧力后排熔池金屬的作用減弱，熔池底部液體金屬增厚， 熔深稍有減小， 而電弧對熔池前方的母材預熱作用加強， 故熔寬增大。根據雙絲埋弧焊的基本原理及生產實踐， 前絲一般采用直流前傾 （β1）， 主要是確保焊縫熔深；后絲一般采用交流后傾 （β2）， 主要是來改善焊縫表面成形。 β1、 β2分別為前絲、 后絲與垂直中心線的夾角。 β1在較小范圍內增大時， 熔深無明顯變化， 熔寬減小， 而β1過小時， 焊道中間有棱， 呈“魚脊” 形狀； β1較大時對防止氣孔、 裂紋不利， 易造成未熔合或咬邊， 使焊縫成形不良。 β1一般應控制在12°以下， 在選擇β1時常常使前絲延伸方向近似通過鋼管中心。 β2增大時，焊縫成形無明顯變化。 當β2較大時， 焊道中間出現凹陷的“馬鞍” 形， 且焊道兩側有小夾渣等缺陷， β2一般應控制在20°以下。

3 結束語

鋼管3PE 防腐質量對延長管線鋼管壽命至關重要， 而螺旋埋弧焊管外焊縫形狀又對3PE防腐質量及成本有著重要影響。 因此， 在螺旋埋弧焊管生產過程中， 必須嚴格控制焊縫外觀形狀， 合理選擇各個參數， 杜絕不良外焊縫形狀的產生， 以降低防腐成本， 確保防腐質量。