自動焊大口徑厚壁合金鋼管道的持續預熱實現路徑分析

薛成斌

陜西化建工程有限責任公司 陜西楊凌 712100

石油化工行業中自動焊焊接工藝應用非常廣泛，但是在大口徑厚壁合金鋼管在使用埋弧焊自動焊接的過程中，由于管道焊縫持續轉動且旋轉周期時間較長，并且綁扎固定在管道焊縫兩側的履帶式陶瓷電加熱帶的導線與熱電偶的導線不能跟隨管道一起連續轉動，從而導致管道焊縫不能被持續預熱，單靠管道焊接時所產生的線能量來加熱焊縫與母材，等管道旋轉一周后該位置的溫度已無法達到焊點首端母材的預熱溫度及焊縫層間的預熱溫度，從而影響焊接質量。該問題已成為大口徑厚壁合金鋼管道自動焊焊接預熱的難點。文中將通過制安一種加熱工裝來解決，以便解決此問題。

1 合金鋼管道焊接做好預熱工作的必要性

（1）預熱能減緩合金鋼管道的焊縫焊接熔池的冷卻速度，延長焊接時熔池的凝固時間，有利于合金鋼管道中的氫從焊縫中擴散逸出，避免氫裂紋，同時也減少焊縫及熱影響區的淬硬程度，提高了焊接接頭的抗裂性。

（2）預熱可降低焊接應力。均勻地進行管道焊縫周邊母材局部預熱或整體預熱，可以減少管道焊縫焊點前后的溫度差，從而降低焊接所產生的應力。

（3）預熱可以降低管道焊縫兩側母材拘束度，隨著預熱溫度的提高，裂紋發生率下降。

（4）預熱不均勻，焊點前后兩端溫差過大，有可能會出現缺陷，不利于管道焊接質量。

（5）若大口徑合金鋼厚壁管道焊接過程中僅靠線能量輸出的熱量，原焊點位置旋轉一周該部位的熔池溫度及周邊母材溫度在自然冷卻情況下會降至預熱溫度以下，從而層間溫度得不到保證，焊縫應力也將會集中，產生裂紋的概率將升高，會導致焊接質量下降。

2 大口徑厚壁合金鋼管在自動焊過程中焊前預熱方式

為解決大口徑厚壁合金鋼管道在焊接過程中能夠持續均勻預熱問題，通過查詢各大網站，并咨詢單位焊培老師以及請教西宇公司熱處理技術人員，另外與其他大型安裝單位熱處理技術人員進行探討，認為大口徑厚壁合金鋼管在自動焊過程中焊前預熱有以下幾種方式可選：

（1）第一種：施焊前用履帶預熱，施焊過程中拆除履帶。采用熱處理溫控柜用履帶加熱帶給管道預熱，待管道溫度高于規范及設計允許的最低預熱溫度后再將履帶加熱帶拆除，然后直接開啟自動焊機由焊接時所產生的線能量輸出的熱量給管道焊縫加熱，從而達到預熱溫度。

（2）第二種：施焊前用火焰預熱，施焊過程中不再使用火焰給焊縫周邊局部加熱，直接開啟自動焊機由焊接時所產生的線能量輸出的熱量給管道焊縫加熱，從而達到預熱溫度。

（3）第三種：火焰噴射工裝施焊前后持續預熱。制作與管道內部尺寸相符的火焰噴射工裝，然后將火焰噴射工裝安裝在管道內部，選用熱量分散、溫度較低且環保的丙烷氣體給管道內部進行持續預熱。

（4）第四種：紅外線輻射器施焊前及施焊過程中持續預熱。將紅外線輻射器的熱量輻射頭安裝在管道內部或者外部，然后將其固定牢靠，最后接通電源或打開燃氣空氣混合物操作器。利用熱量輻射頭釋放出的熱量給管道持續預熱。

3 實例分析

在實際操作中，如濰坊弘潤項目重整C8-07 區P11管道（規格DN850 壁厚δ=35mm）的多道焊縫采用上述第一種方式，經實測溫度達不到規范要求的150℃（焊評中及老規范中預熱溫度要求在150℃以上，但是新規已改為120℃以上），經過10 組數據測量，原焊縫旋轉一周后焊點首端平均最低溫度110℃，焊點末端平均溫度高達270℃，兩邊溫度平均相差160℃，該溫度為夏季測量，平均室外溫度35℃左右，若為其他季節，尤其是冬季，熱量損失必然增大，從而反映出管道自自動焊焊接過程中所產生的線能量不足以滿足大口徑厚壁合金鋼管道所需的焊前預熱溫度。

為提高安裝一線自動焊中大口徑厚壁合金鋼管道焊接時預熱效果及焊接質量，將經驗總結如下：

3.1 做好管道保溫工作

做好管道保溫工作，從而減緩合金鋼管道焊縫焊接熔池的冷卻速度、降低焊接應力及焊縫兩側母材拘束度來確保管道焊接質量。管道保溫工作不僅指的是焊縫周邊母材的保溫，而且還包括整個管道、管件、法蘭等母材的保溫工作。如何做好這兩項工作，在此總結有以下兩點：

（1）以管徑為DN800，壁厚δ=30mm，材質P11 管道為例：管道環焊縫兩側離焊縫150mm 處以外用高溫巖棉板各保溫500mm，厚度60mm 以上（可根據管徑增加保溫寬度跟厚度）。

（2）將兩端管口用高溫防火布進行封堵，避免管道穿堂風影響管道溫度。

3.2 選用適合大口徑厚壁管道持續預熱的最佳方法

本項目依靠自身現有條件，現場就地取材，利用現有熱處理設備溫控箱、履帶加熱帶及現場邊角料鋼材，制作一個簡易加熱工裝（暫稱之為曲面滑動托架履帶加熱工裝，大小根據現場管道公稱直徑確定），此工裝適用于公稱直徑范圍在DN650～DN1500，壁厚在δ=30～70mm 范圍內的所有需焊前預熱的合金鋼管道及其他材質的管道，若焊接過程中如線能量能夠滿足焊接位置所規定的預熱溫度，則無需使用此工裝。工裝具體樣式及要求如圖1 所示。

3.3 制作安裝好曲面滑動托架履帶加熱工裝

曲面滑動托架履帶加熱工裝由支撐架、支撐板、曲面滑動托架、移動升降支腿、鎖緊螺栓及加熱設備，其中：支撐架為鋼管框架結構；支撐板為長方形碳鋼鋼板制作；曲面滑動托架普通碳鋼鋼板制作；移動升降支腿由普通六角頭螺栓與成品2 吋萬向輪組成；鎖緊螺栓用普通六角頭螺栓組成；加熱設備由熱處理施工成套提供。具體制作要求如下：

（1）支撐架由DN40 焊接鋼管制作，尺寸采用：長600mm×寬400mm×高1000mm。

（2）支撐板由5mm 厚碳鋼鋼板制作，一塊焊接在支撐架頂部，一焊接在支撐架下方，尺寸為：長600mm×寬400mm，頂部支撐板在距離中心對稱位置50mm 處向兩側開條形孔M16×180mm。

（3）曲面滑動托架由5mm 厚Q235B 的鋼板制作，尺寸采用：弧形板長400mm×寬350mm，立板尺寸：高220mm×寬350mm，平板尺寸：長350mm×寬300mm，平板以中心位置向開條形孔M16×180mm。

（4）四個移動升降支腿由4 套普通碳鋼M36X300的六角頭螺栓螺母與4 個2 寸萬向輪組成。

（5）鎖緊螺栓由普通碳鋼M14×40 的六角頭螺栓螺母組成。

（6）加熱設備由陶瓷履帶電加熱帶及溫控柜組成。

加熱工作臺不隨管道一起旋轉，是自動焊接過程中補償管道母材熱量損失的一種構件，只需將該構件安裝在管道正下方，曲面托架上表面距離管道底部焊縫正下方3～5cm 即可，避免管道旋轉時與曲面托架上表面的陶瓷履帶加熱帶接觸，啟動自動焊機前務必確認履帶式陶瓷電加熱帶與管道外壁間的間隙，防止因底部管道外表面無間隙發生摩擦而損壞工裝或履帶式陶瓷電加熱帶。加熱時可采用持續直接烘烤來補償溫度損失，必要時在曲面滑動管托周邊采取保溫措施，防止熱量損失過大，另外管道焊縫兩側應進行保溫并將管口兩端封堵防止管道穿堂風通過影響預熱效果。

3.4 做好管道焊接前預熱與焊接過程中的持續預熱以及測溫工作

管道焊接前將加熱工裝安放在管道底部焊縫正下方進行底部圓弧面烘烤，用溫控柜的熱電偶來監控加熱工裝履帶式陶瓷電加熱帶的烘烤溫度，并利用紅外線測溫儀或熱電偶隨時時監控管道的焊縫首端的預熱溫度。焊接前應待預熱溫度達到管材施焊的溫度時再起動自動焊機。焊接過程中預熱溫度用溫控柜來控制溫度即可，不斷用紅外線測溫儀測量焊縫焊點首端的位置，找到一個溫度均衡點即可，確保焊縫周邊溫度始終在規范范圍內，并不定時用紅外線測溫儀測量焊縫焊點首位端的溫度防止超溫，從而做好合金鋼管道焊接前預熱工作，確保焊接質量。

從加熱方式、設備成本、能耗、可操作性、工作效率、質量、適用性、安全性、使用條件可知，大口徑厚壁合金鋼管道持續預熱采用自制曲面滑動托架履帶加熱工裝就地取材可操作性強，不存在無法安裝的特點，可大大降低施工成本。傳統加熱方式火焰預熱已適用性不強，紅外線輻射器加熱設備成本高、功率大、管道內部安裝不便、遇到彎頭接直管或者兩段較長的管道就無法安裝、可操作性差且存在安全隱患使用條件相對較高。

不同持續預熱方法對比如表1 所示。

表1 不同持續預熱方法綜合評價表

4 結語

綜上所述，采用自制曲面滑動托架履帶加熱工裝設備成本最低，能耗一般，可操作性容易，工作效率高，質量高，適用性強，安全性高，使用條件要求低，安裝難度小，便于施工一線熱處理施工單位制作安裝使用。