CN101633074A - 一种内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，是将内覆不锈钢复合管环焊缝通过三种焊缝分别逐步焊接而成，内覆层焊缝和过渡层焊缝通过钨极氩弧焊焊接完成，不锈钢内覆层焊缝采用与其同质的焊丝，过渡层焊缝采用ER309焊丝，基层采用焊条电弧焊或CO2气体保护焊完成，采用与基层强度匹配的焊材；内覆层、过渡层和基层第一层焊接时采用背面氩气保护。本发明的独特之处在于既保证了内覆层接头的耐蚀性，又保证了基层焊接接头的力学性能。本发明对促进内覆不锈钢复合管在油气输送、化工和炼油等行业的广泛应用，对改善管道内壁的耐蚀性和解决采用全壁厚不锈钢管带来的高成本等问题具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于金属材料焊接领域，涉及一种双金属复合管环焊缝的焊接方法，特别涉及一种内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法。
背景技术
内覆不锈钢复合管在油气输送、化工和炼油等行业有着广泛的使用，可以有效的解决管道内壁的腐蚀和采用全壁厚不锈钢管带来的高成本等问题。同时，内覆不锈钢复合管还具有基层可调性强的特点，根据管道力学性能要求，可以选用不同强韧性的金属材料作为基层材料来满足复合管的力学性能要求。由于内覆不锈钢复合管的低成本、耐腐蚀、力学性能可调等特点，使其具有越来越广泛的用途。
一直以来，双金属复合管的现场焊接安装问题一直是其施工的技术难点之一。目前关于双金属复合管的环焊缝焊接方法主要有三种：一是中国专利授权号为CN1267234C的专利；二是中国专利授权号为CN100450688C的专利；三是中国专利公开号为CN13454061A的专利申请。这三种焊接技术所涉及的对象均为通过爆炸胀管技术生产的不锈钢复合管，复合管复层与基层间为机械结合或部分冶金结合，即所谓的内衬不锈钢复合管。所以，这三种焊接技术把环焊缝焊接过程中防止过渡层部位的裂纹、气孔等缺陷作为焊接技术重点。而本发明涉及的对象为通过爆炸复合板卷板成形、焊接完成的全冶金结合复合管，即内覆不锈钢复合管。虽然前述的三种内衬不锈钢复合管焊接技术对内覆不锈钢复合管焊接具有一定的借鉴意义，但是，三种技术各自还存在以下不同的缺点：
中国专利授权号为CN1267234C的专利存在的缺点有两点：一是复层与过渡层采用相同的焊接材料，为了兼顾过渡层的组织和性能，导致复层焊缝成分与复层母材有一定的差异，影响复层接头的耐蚀性；二是过渡层焊缝因为基层碳钢层的稀疏作用，同时因为管道复层与基层间的机械结合，易于在管道基层、复层、过渡层焊缝结合部位产生裂纹、气孔等缺陷。
中国专利公开号为CN101100013A的专利申请存在的缺点有三点：一是通过封焊虽然能比较好地解决复层与基层界面之间的缝隙带来的气孔缺陷问题，但并不能解决缝隙存在带来的裂纹问题，二是封焊焊道的焊接以及复层的焊接，两次焊接增加了复层焊缝的宽度和受热次数，会严重影响复层焊缝的耐蚀性；三是整个环焊缝的焊接全部采用与复层不锈钢匹配的不锈钢焊接材料，焊接接头的力学性能可调性比较差，导致整个焊接接头的力学性能匹配性变差，同时，易于在基层焊缝与基层之间形成过渡硬化层，导致基层热影响区性能恶化。
中国专利公开号为CN13454061A的专利申请存在的缺点有三点：一是由于复层焊接的热作用，产生热收缩，易于导致复层与基层间发生分离而产生缝隙，过渡层焊接时易于形成裂纹、气孔等缺陷；二是该专利申请所采用的坡口形式，在进行复层焊接时，难免有基层母材熔化，进入复层焊缝，影响复层焊缝化学成分，导致复层焊缝耐蚀性变差；三是该专利申请采用的坡口形式，导致复层焊接时的氩弧焊枪可达性较差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种内覆不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，该焊接方法通过设计坡口形式、焊接定位和焊接工艺，不但提高了覆层接头的耐腐蚀性，而且克服覆层定位焊点对覆层焊缝耐蚀性产生的不利影响。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，包括以下步骤：
1)坡口加工
在复合管管端的基层(1)上进行坡口加工，其中单边坡口角度为15～25°，使管端覆层(2)伸出基层(1)，且覆层伸出宽度(3)为1.5～3.5mm；
2)坡口组对
将两段复合管的管端坡口组对，其中坡口间隙为1.5～3.0mm，然后采用定位筋板进行管外等分定位；
3)覆层(2)焊接
采用钨极氩弧焊，以单面焊双面成形工艺进行覆层(2)焊接，管内进行充氩保护，在覆层(2)焊接过程中逐步去除定位筋板；覆层焊接时，选用与覆层成分相匹配的焊丝；
4)过渡层焊接
采用钨极氩弧焊进行过渡层焊接，管内继续进行充氩保护，焊道厚度大于等于3mm；过渡层焊接时，选用ER309焊丝，焊接电流为90～120A，焊接道次为两道；
5)基层(1)焊接
采用焊条电弧焊进行基层(1)的多层焊接，进行基层(1)焊接的第一层焊接时，管内充氩保护，然后再焊接多层直至将坡口填满。
上述步骤2)中，所述定位筋板材质与基层材料相匹配。
上述步骤5)在基层焊接时，以与基层材料强度匹配的原则选用电焊条，基层第一层的焊接电流为90～110A。
上述定位筋板的材质可以选择Q235。
上述步骤3)焊丝选用ER2209焊丝；覆层焊接采用一次成形。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明适合于内覆不锈钢层厚度为1.5-3mm的复合管环焊缝焊接，可以很好地解决现有不锈钢复合管焊接技术存在的不足，如覆层焊缝与覆层母材的成分匹配、覆层接头的耐蚀性、基层焊接接头力学性能匹配等问题；
(2)本发明采用的坡口型式可以很好地解决错边对覆层接头带来的耐蚀性下降问题；
(3)本发明采用的管外圆周等分定位方法，可以克服覆层定位焊点对覆层焊缝耐蚀性产生的不利影响；
(4)采用本发明的焊接方法焊接复合管后，不会在覆层与基层间产生裂纹和气孔。
附图说明
图1为本发明中完成坡口加工后的复合管一端剖面示意图；
图2为本发明中坡口组对示意图；
图3为本发明中复合管焊缝结构示意图；
图4为本发明中完成焊接后的复合管示意图。
其中：1.基层，2.覆层，3.覆层伸出宽度，4.覆层焊缝，5.过渡层焊缝，6.基层焊缝。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
以SAF 2205双相不锈钢/Q235碳钢复合管环焊缝焊接为例，进行本实施例说明。该复合管的覆层2为双相不锈钢SAF 2205，其厚度为2mm；基层1为碳钢Q235，其厚度为12mm。对该复合管的焊接采用以下步骤：
(1)坡口加工
按照图1，在复合管管端的基层1上进行坡口加工，其中单边坡口角度α为20°，使管端覆层2伸出基层1，且覆层伸出宽度3为2mm，钝边厚度与覆层厚度相同(钝边厚度就是图2中所示的覆层2厚度，本发明的特点之一就是钝边厚度与覆层厚度相同，就是说焊接时对覆层2可以不开坡口，可以一次焊透)；利用砂轮对覆层伸出宽度3范围内的基层1材质进行打磨处理，保证不残留基层1材料。
(2)坡口组对
在组对前，先对坡口表面的油污采用丙酮清洗，然后将两段复合管的管端坡口组对，其中坡口间隙为2mm；定位焊采用四块Q235筋板进行管外圆周四等分定位；组对后的坡口见图2。
(3)覆层焊接
采用钨极氩弧焊进行覆层焊接，管内进行充氩保护；选用ER2209焊丝，焊接电流选为115A；覆层焊接采用一次成形，保证单面焊双面成形，覆层焊缝4如图3。在覆层焊接过程中，逐步去除定位筋板。
(4)过渡层焊接
采用钨极氩弧焊进行过渡层焊接，管内继续进行充氩保护；焊丝采用ER309；为了减小过渡层焊接对覆层2的热影响，过渡层焊接选用小电流焊接，焊接可接受的电流为110A，焊接道次为两道，焊道厚度≥3mm；保证坡口中基层1与覆层2夹角部位的良好熔合。过渡层焊缝5如图3。
(5)基层焊接
采用焊条电弧焊进行基层1的多层焊接，采用E4315(牌号J427)电焊条焊接，焊接电流为90～130A；进行基层焊缝6的第一层焊接时，管内继续充氩进行保护，尽可能选用小电流焊接，可选110A；第一层焊接完成后，可不再管内充氩保护，然后再焊接多层直至将坡口填满。焊接完成的接头和实物分别见图3和图4。
主要焊接工艺参数见表1。
参照GB50236-98《现场设备工业管道焊接工程施工验收规范》、SY/T 0452-2002《中华人民共和国石油天然气行业标准石油天然气金属焊接工艺评定》、SY4103-1995《钢质管道焊接及验收》、JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》等标准，对复合管进行管管对接焊接工艺评定。结果表明，X射线探伤合格，拉伸、冲击、弯曲、刻槽锤断等力学性能试验结果合格，晶间腐蚀结果合格。参考GB6401-2008《铁素体奥氏体型双相不锈钢中α-相面积含量金相测定法》及GB1954-80《铬镍奥氏体不锈钢焊缝铁素体含量测定方法》分别对内覆层焊缝、热影响区中的铁素体含量进行了测定，结果均合格。
表1主要焊接工艺参数
实施例2
以0Cr18Ni9奥氏体不锈钢/16Mn低合金钢复合管环焊缝焊接为例，进行本发明实施例说明。该复合管的覆层2为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，其厚度为1.5mm；基层1为低合金钢Q345，其厚度为8mm。对该复合管的焊接采用以下步骤：
(1)坡口加工
按照图1，在复合管管端的基层1上进行坡口加工，其中单边坡口角度α为15°，使管端覆层2伸出基层1，且覆层伸出宽度3为1.5mm，钝边厚度与覆层厚度相同(钝边厚度就是图2中所示的覆层2厚度，本发明的特点之一就是钝边厚度与覆层厚度相同，就是说焊接时对覆层2可以不开坡口，可以一次焊透)；利用砂轮对覆层伸出宽度3范围内的基层1材质进行打磨处理，保证不残留基层1材料。
(2)坡口组对
在组对前，先对坡口表面的油污采用丙酮清洗，然后将两段复合管的管端坡口组对，其中坡口间隙为1.5mm；定位焊采用四块16Mn筋板进行管外圆周四等分定位；组对后的坡口见图2。
(3)覆层焊接
采用钨极氩弧焊进行覆层焊接，管内进行充氩保护；选用H0Cr21Ni10焊丝；覆层焊接采用一次成形，保证单面焊双面成形，覆层焊缝4如图3。在覆层焊接过程中，逐步去除定位筋板。
(4)过渡层焊接
采用钨极氩弧焊进行过渡层焊接，管内继续进行充氩保护；焊丝采用ER309；为了减小过渡层焊接对覆层2的热影响，过渡层焊接选用小电流焊接，焊接电流为90A，焊接道次为两道，焊道厚度≥3mm；保证坡口中基层1与覆层2夹角部位的良好熔合。过渡层焊缝5如图3。
(5)基层焊接
采用焊条电弧焊进行基层1的多层焊接，采用E5015(牌号J507)电焊条焊接，焊接电流为90～130A；进行基层焊缝6的第一层焊接时，管内继续充氩进行保护，尽可能选用小电流焊接，可选90A；第一层焊接完成后，第二层焊接电流为120A，第三层焊接电流为130A；从第二层焊接开始，可不再管内充氩保护，然后再焊接多层直至将坡口填满。焊接完成的接头和实物分别见图3和图4。
实施例3
以SAF 2205双相不锈钢/15CrMo低合金钢复合管环焊缝焊接为例，进行本发明实施例说明。该复合管的覆层2为双相不锈钢SAF 2205，其厚度为3mm；基层1为低合金钢15CrMo，其厚度为20mm。对该复合管的焊接采用以下步骤：
(1)坡口加工
按照图1，在复合管管端的基层1上进行坡口加工，其中单边坡口角度α为25°，使管端覆层2伸出基层1，且覆层伸出宽度3为3.5mm，钝边厚度与覆层厚度相同(钝边厚度就是图2中所示的覆层2厚度，本发明的特点之一就是钝边厚度与覆层厚度相同，就是说焊接时对覆层2可以不开坡口，可以一次焊透)；利用砂轮对覆层伸出宽度3范围内的基层1材质进行打磨处理，保证不残留基层1材料。
(2)坡口组对
在组对前，先对坡口表面的油污采用丙酮清洗，然后将两段复合管的管端坡口组对，其中坡口间隙为3.0mm；定位焊采用四块15CrMo筋板进行管外圆周四等分定位；组对后的坡口见图2。
(3)覆层焊接
采用钨极氩弧焊进行覆层焊接，管内进行充氩保护；选用ER2209焊丝；覆层焊接采用一次成形，保证单面焊双面成形，覆层焊缝4如图3。在覆层焊接过程中，逐步去除定位筋板。
(4)过渡层焊接
采用钨极氩弧焊进行过渡层焊接，管内继续进行充氩保护；焊丝采用ER309；为了减小过渡层焊接对覆层2的热影响，过渡层焊接选用小电流焊接，焊接可接受的电流为120A，焊接道次为两道，焊道厚度≥3mm；保证坡口中基层1与覆层2夹角部位的良好熔合。过渡层焊缝5如图3。
(5)基层焊接
采用焊条电弧焊进行基层1的多层焊接，采用E5015(牌号J507)电焊条焊接，焊接电流为90～110A；进行基层焊缝6的第一层焊接时，管内继续充氩进行保护，选用110A的小电流焊接；第一层焊接完成后，可不再管内充氩保护，然后再用110A的电流焊接第二层，再焊接多层直至将坡口填满。焊接完成的接头和实物分别见图3和图4。
综上所述，本发明了是一种先焊覆层，再焊基层的复合管焊接技术(为了保证覆层焊缝的耐蚀性，一般情况下是先焊基层再焊覆层)。从接头性能上，覆层焊缝化学成分可以通过焊丝选择保证化学成分与覆层母材相同或接近，以保证覆层(不锈钢)耐蚀性；基层焊缝可以根据接头强度要求选择焊材。本发明适合内覆不锈钢复合管的焊接，而已有的其它相关专利均是针对内衬不锈钢复合管的焊接(内衬复合管中的不锈钢和碳钢是机械结合或半冶金结合，而内覆复合管的不锈钢和碳钢是冶金结合)。本发明的基层焊接方法的选择不受覆层焊接方法的影响，可以采用手工电弧焊或CO2焊等，焊材选择根据基层强度要求即可。过渡层焊接：保证其化学成分，尽量不要影响覆层化学成分，同时防止基层焊接时，基层焊缝成分对覆层的影响。
Claims (7)
1.一种内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)坡口加工
在复合管管端的基层(1)上进行坡口加工，其中单边坡口角度(α)为15～25°，使管端覆层(2)伸出基层(1)，且覆层伸出宽度(3)为1.5～3.5mm；
2)坡口组对
将两段复合管的管端坡口组对，其中坡口间隙为1.5～3.0mm，然后采用定位筋板进行管外等分定位；
3)覆层(2)焊接
采用钨极氩弧焊，以单面焊双面成形工艺进行覆层(2)焊接，管内进行充氩保护，在覆层(2)焊接过程中逐步去除定位筋板；
4)过渡层焊接
采用钨极氩弧焊进行过渡层焊接，管内继续进行充氩保护，焊道厚度大于等于3mm；
5)基层(1)焊接
采用焊条电弧焊进行基层(1)的多层焊接，进行基层(1)焊接的第一层焊接时，管内充氩保护，然后再焊接多层直至将坡口填满。
2.根据权利要求1所述的内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，其特征在于，在步骤3)的覆层焊接时，选用与覆层成分相匹配的焊丝，覆层焊接采用一次成形。
3.根据权利要求1所述的内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，其特征在于，在步骤4)的过渡层焊接时，选用ER309焊丝，焊接电流为90～120A，焊接道次为两道。
4.根据权利要求1所述的内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，其特征在于，在步骤5)的基层焊接时，以与基层材料强度匹配的原则选用电焊条，基层第一层的焊接电流为90～110A。
5.根据权利要求1所述的内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，其特征在于，所述定位筋板的材质为Q235。
6.根据权利要求2所述的内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，其特征在于，选用ER2209焊丝。
7.根据权利要求1所述的内覆薄壁不锈钢复合管的环焊缝焊接方法，其特征在于，步骤2)中，所述定位筋板材质与基层材料相匹配。
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