CN103350271A - 导管架母管和支管连接节点的焊接工艺 - Google Patents

导管架母管和支管连接节点的焊接工艺 Download PDF

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王文贵
闵祥军
田雷
王玉春
王林昌
陈海涛
袁建松
史忠珂
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Abstract

本发明提供一种导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其采用药芯焊丝气体保护焊工艺进行封底焊接、填充焊接和盖面焊接；可以提高焊接质量和焊接效率，降低成本，操作步骤简化且高空焊接安全性高。

Description

导管架母管和支管连接节点的焊接工艺
技术领域
本发明涉及焊接工艺，尤其涉及一种用于海洋钢结构的导管架母管和支管连接节点的焊接工艺。
背景技术
导管架式平台是海上石油开采使用的典型平台，是海上生产、生活、开采使用的大型装置，其是采用钢管、型钢及板材焊接而成的大型而且复杂的结构物。导管架式平台既包括结构建造，又包括工艺管线、各种仪表、压力容器、电力以及通信设备等建造安装，具有建造周期长、焊接工作量大、工艺复杂以及焊接要求严格等特点。其中导管架是用钢管相贯焊接而成的空间构架，结构复杂，特点是大型管节点多，因此不仅焊接工作量大，同时焊接质量及焊接变形都要求严格。导管架中母材和支管连接(术语为导管架T、K、Y管节点)的焊接工作量大，而且对变形要求严格，如何在保证质量的前提下，提高焊接效率具有重要的研究价值。
目前海洋工程钢结构T、K、Y管节点采用的焊接工艺为手工电弧焊封底，药芯焊丝气体保护焊填充盖面。此工艺的缺点是：采用手工电弧焊封底焊接需要不断的更换焊条，焊接效率低，而且焊工需要来回更换手工电弧焊焊机和二氧化碳气体保护焊焊机，劳动强度大。此外，手工电弧焊封底焊条型号为LB-52U，这种焊条生产厂家为日本神钢，焊材成本高，且采用手工电弧焊封底焊接，焊接后的焊条头若从高空中坠落，存在安全隐患。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有工艺存在的上述缺点，而提供一种导管架母管和支管连接节点的新型焊接工艺，提高焊接质量和焊接效率，降低成本，操作步骤简化且高空焊接安全性提高。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其特征在于：采用药芯焊丝气体保护焊工艺进行封底焊接、填充焊接和盖面焊接。
前述的导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其中药芯焊丝气体保护焊封底焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％；预热温度为10至161℃，所用焊材型号为天泰TWE-711或者天泰TWE-711Ni焊丝、焊接电流为130至200安培、焊接电压为20至24伏特、焊接速度为80至130毫米/分钟。
前述的导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其中药芯焊丝气体保护焊填充焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％；预热温度为10至161℃，填充焊接电流为150至200安培、焊接电压为21至25伏特、焊接速度为130至250毫米/分钟。
前述的导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其中药芯焊丝气体保护焊盖面焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％；预热温度为10至161℃，焊接电流为150至200安培，焊接电压为20至24伏特，焊接速度为170至360毫米/分钟，药芯焊丝型号为TWE-711或者TWE-711Ni。
本发明导管架母管和支管连接节点的焊接工艺的有益效果是：将现有导管架母管和支管连接节点采用手工电弧焊封底焊接和药芯焊丝气体保护焊填充盖面焊接的焊接工艺，改进为直接采用药芯焊丝气体保护焊进行封底、填充和盖面焊接，可以在保证焊接质量的前提下，提高焊接效率、降低生产成本，同时有效提高高空焊接的安全性。
附图说明
图1为本发明导管架母管和支管连接节点的焊接工艺评定焊接接头的硬度测试点分布图。
图2为本发明导管架母管和支管连接节点的焊接接头进行焊接工艺评定试验QD-001的硬度分布曲线图。
图3为本发明导管架母管和支管连接节点的焊接接头进行焊接工艺评定试验QD-002的硬度分布曲线图。
图4为本发明导管架母管和支管连接节点的焊接接头进行焊接工艺评定试验QD-003的硬度分布曲线图。
具体实施方式：
本发明导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其采用药芯焊丝气体保护焊工艺进行封底焊接、填充焊接和盖面焊接。
本发明导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其中，该药芯焊丝气体保护焊封底焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％；预热温度为10至161℃，所用焊材型号为天泰TWE-711或者天泰TWE-711Ni焊丝、焊接电流为130至200安培、焊接电压为20至24伏特、焊接速度为80至130毫米/分钟；该药芯焊丝气体保护焊填充焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％；预热温度为10至161℃，填充焊接电流为150至200安培、焊接电压为21至25伏特、焊接速度为130至250毫米/分钟；该药芯焊丝气体保护焊盖面焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％；预热温度为10至161℃，焊接电流为150至200安培，焊接电压为20至24伏特，焊接速度为170至360毫米/分钟，药芯焊丝型号为TWE-711或者TWE-711Ni。
实施例一：
第一步：根据结构图纸进行管段下料及坡口加工。
第二步：根据导管架母管与支管材质、管径及壁厚等要求，选择合适的焊接工艺规程。
第三步：安排具有相关资质的焊工对试验件进行焊接，具体实施步骤为：
1、焊前清理：在试件组对之前，需要用砂轮机或钢丝刷把焊缝两侧至少25mm的范围内清理干净，防止油漆、油脂、铁锈、污垢或其他物质对焊缝造成的污染。
2、试件组对：试件清理完成后，按照焊接工艺规程要求进行焊件的组对。
3、外观检验：组对完成后，外观检验员对试件进行外观检测，若符合焊接工艺规程中的尺寸精度要求，则进行下一步的焊接，若不符合，则重新组对。组对合格标准为：坡口角度复合焊接工艺规程要求，坡口间隙2-4mm，钝边1-2mm。焊缝两侧至少25mm范围内清理干净，无油漆、油脂、铁锈、污垢或其他能对焊缝造成污染的物质。
4、焊前预热：根据焊接工艺规程的要求对试件进行预热，预热温度为10至151℃，预热范围：坡口四周至少75mm范围，越宽越好；当母材温度低于0℃时，预热温度为20至151℃。
5、试验件的焊接：根据AWS D1.1(美国钢结构焊接规范)对二氧化碳气体保护焊的要求，当焊接处附近最大风速大于8Km/h时，需要进行防风保护。二氧化碳气体纯度应大于或者等于99.70％。
5.1封底焊接：结合母管及支管材质，根据焊接工艺规程要求的焊接参数，选用直径为φ1.2的TWE-711Ni焊丝对管段进行封底焊接。此过程在传统焊接工艺中采用LB-52U的手工电弧焊焊条进行焊接，焊接过程中需要频繁的更换焊条，焊接效率低，劳动强度大。高空焊接时，焊条携带不方便，同时存在焊条头的高空坠落隐患。
TWE-711Ni封底焊接工艺参数(TWE-711Ni焊接第一道)：
电极类型及极性：直流反接；
电流：140至190安培；
电压：20至24伏特；
保护气类型：二氧化碳，气体纯度大于或者等于99.70％；
气体流速：15至25升/分；
焊接速度：80至120毫米/分钟。
5.2填充焊接：封底焊接完成后，继续使用二氧化碳气体保护焊焊接工艺进行填充焊接，根据焊接工艺规程的要求，焊接电流、电压有所增加，焊接速度增大。较传统工艺相比，避免了手工电弧焊与二氧化碳气体保护焊的切换，包括：焊接电源的切换、焊材的切换、焊接接地切换、焊接参数重新调整等。新工艺的应用简化了焊接步骤，节省了焊接工期。此工序的优化，在高空焊接中优势尤为明显。
TWE-711Ni填充焊接工艺参数：(TWE-711Ni焊接中间填充焊道)
电极类型及极性：直流反接；
电流：150至200安培；
电压：21至24伏特；
保护气类型：二氧化碳，气体纯度大于或者等于99.70％；
气体流速：15至25升/分；
焊接速度：130至200毫米/分钟。
5.3盖面焊接：按照焊接工艺规程的焊接参数要求，完成整个焊缝的盖面。此工序与传统工艺相同。
TWE-711Ni盖面焊接工艺参数：(TWE-711Ni焊接盖面焊道)
电极类型及极性：直流反接；
电流：155至200安培；
电压：20至24伏特；
保护气类型：二氧化碳，气体纯度大于或者等于99.70％；
气体流速：15至25升/分；
焊接速度：170至270毫米/分钟。
6、焊后检验：包括外观检测、射线探伤等。
本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。
实施例二：
第一步：根据结构图纸进行管段下料及坡口加工。
第二步：根据导管架母管与支管材质、管径及壁厚等要求，选择合适的焊接工艺规程。
第三步：安排具有相关资质的焊工对试验件进行焊接，具体实施步骤为：
1、焊前清理：在试件组对之前，需要用砂轮机或钢丝刷把焊缝两侧至少25mm的范围内清理干净，防止油漆、油脂、铁锈、污垢或其他物质对焊缝造成的污染。
2、试件组对：试件清理完成后，按照焊接工艺规程要求进行焊件的组对。
3、外观检验：组对完成后，外观检验员对试件进行外观检测，若符合焊接工艺规程中的尺寸精度要求，则进行下一步的焊接，若不符合，则重新组对。组对合格标准为：坡口角度复合焊接工艺规程要求，坡口间隙2-4mm，钝边1-2mm。焊缝两侧至少25mm范围内清理干净，无油漆、油脂、铁锈、污垢或其他能对焊缝造成污染的物质。
4、焊前预热：根据焊接工艺规程的要求对试件进行预热，预热温度为10至161℃，预热范围：坡口四周至少75mm范围，越宽越好；当母材温度低于0℃时，预热温度为20至161℃。
5、试验件的焊接：根据AWS D1.1(美国钢结构焊接规范)对二氧化碳气体保护焊的要求，当焊接处附近最大风速大于8Km/h时，需要进行防风保护。二氧化碳的气体纯度应大于或者等于99.70％。
5.1封底焊接：结合母管及支管材质，根据焊接工艺规程要求的焊接参数，选用直径为φ1.2的TWE-711焊丝对管段进行封底焊接。此过程在传统焊接工艺中采用LB-52U的手工电弧焊焊条进行焊接，焊接过程中需要频繁的更换焊条，焊接效率低，劳动强度大。高空焊接时，焊条携带不方便，同时存在焊条头的高空坠落隐患。
TWE-711封底焊接工艺参数：(TWE-711焊接第一道)
电极类型及极性：直流反接；
电流：130-200安培；
电压：20-24伏特；
保护气类型：二氧化碳，气体纯度大于或者等于99.70％；
气体流速：15至25升/分；
焊接速度：80至130毫米/分钟。
5.2填充焊接：封底焊接完成后，继续使用二氧化碳气体保护焊焊接工艺进行填充焊接，根据焊接工艺规程的要求，焊接电流、电压有所增加，焊接速度增大。较传统工艺相比，避免了手工电弧焊与二氧化碳气体保护焊的切换，包括：焊接电源的切换、焊材的切换、焊接接地切换、焊接参数重新调整等。新工艺的应用简化了焊接步骤，节省了焊接工期。此工序的优化，在高空焊接中优势尤为明显。
TWE-711填充焊接工艺参数：(TWE-711焊接中间填充焊道)
电极类型及极性：直流反接；
电流：150至200安培；
电压：21至25伏特；
保护气类型：二氧化碳，气体纯度大于或者等于99.70％；
气体流速：15至25升/分；
焊接速度：155至250毫米/分钟。
5.3盖面焊接：按照焊接工艺规程的焊接参数要求，完成整个焊缝的盖面。此工序与传统工艺相同。
TWE-711盖面焊接工艺参数：(TWE-711焊接盖面焊道)
电极类型及极性：直流反接；
电流：150至200安培；
电压：21至24伏特；
保护气类型：二氧化碳，气体纯度大于等于99.70％；
气体流速：15至25升/分；
焊接速度：220至360毫米/分钟。
6、焊后检验：包括外观检测、射线探伤等。
本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。
本实施例焊接工艺为直接采用药芯焊丝气体保护焊进行封底、焊接和填充盖面焊接，焊接工艺的焊接重要变素(AWS D1.1标准中的“essentialvariable”)发生了变化。根据美国钢结构焊接规范AWS D1.1的要求，需要对新工艺进行焊接工艺评定，如表1所示。
表1、焊接工艺评定试验
本实施例焊接工艺包括3组焊接工艺评定试验，焊接方法为药芯焊丝气体保护焊，保护气体为CO2，纯度大于等于99.70％，接头形式均为单边V型坡口，环焊缝；钝边尺寸：1.0-2.0mm；坡口间隙：2.0-4.0mm；焊接位置为6GR(AWS D1.1美国钢结构焊接规范)：管段轴线与水平面成45°±5°夹角，壁厚为13mm的管段开37.5°坡口；壁厚为19mm的管段上加限位环，限位环与焊接坡口的距离最大12mm；所用焊材为天泰TWE-711和TWE-711Ni焊丝。
焊接工艺评定试验需要技术熟练的焊工完成试验件的焊接，焊接工程师在焊接过程中记录焊接工艺参数，然后进行试验件的外观检验、射线拍片检验、力学性能试验(包括缩减断面拉伸试验、侧弯试验、冲击试验、硬度试验和宏观腐蚀试验)等试验方法分析与评价焊接接头的综合性能。等所有检验合格后，然后根据试验数据编写焊接工艺评定报告(WPQR)和焊接工艺规程(WPS)。
D36、20号钢试验件的焊后检验：
1、外观检验：试验件的外观检验完全符合AWS D1.1的验收要求，表面没有裂纹，焊缝饱满，余高小于3mm，无咬边。
2、射线探伤：对试验件进行射线拍片。采用的射线装置为X射线机，型号为XXG-2505，拍片方法为双壁单影法。结果表明，焊缝内部无缺陷或缺陷不超标，符合钢结构焊接规范AWS D1.1关于射线检验的要求
3、力学性能试验。试验件外观检验和射线探伤后，需要进行力学性能试验。力学性能试验包括拉伸试验、侧弯试验、硬度试验、冲击试验和宏观腐蚀试验。其中，取样位置为：拉伸试样(6点、12点位置)、侧弯试验(0点-3点、3点-6点、6点-9点及9点-0点位置)、冲击试验(3点位置)。
3.1侧弯试验
根据AWS D1.1标准的要求进行侧弯试验，弯曲角度为180°，压头尺寸为50.8mm，试验数量为4个。试验在侧弯试验机130上进行，试验结果侧弯受拉面无裂纹和其他缺陷，达到标准的要求。
3.2减截断面拉伸试验
试验按照AWS D1.1标准的要求进行，数量为2个。拉伸试验在拉伸试验机130上进行。试验结果如表2所示。按美国焊接协会标准AWS D1.1的要求，拉伸试验中拉伸强度严禁小于所用母材的规定的拉伸强度范围的最低值。D36材料的拉伸强度的最小值为490MPa，20号钢材料的拉伸强度的最小值为410MPa，由表2所示可知，所有的抗拉强度数值均大于拉伸强度的最小值，此拉伸试验合格。
表2拉伸试验性能试验结果
Figure BDA00003454704200091
3.3冲击试验
试验按照AWS D1.1标准的要求，试样缺口位置按要求分别开在焊缝中心、熔合区、距熔合区1mm处和距熔合区5mm处，试样缺口轴线垂直焊缝表面。因为本工艺是采用药芯焊丝进行封底焊接，代替了手工电弧焊封底焊接。特在焊缝根部熔合线位置进行了冲击试验。试验结果如表3和表4所示。D36材料冲击温度是-20℃，20号钢不要求进行冲击试验。由表3和表4所示可知，冲击功均大于34J(D36材料规定的最小冲击平均功)，说明冲击试验合格。
表3夏比冲击韧性(D36材料，PQR编号为QD-001)
Figure BDA00003454704200092
表4夏比冲击韧性(D36材料，PQR编号为QD-002)
Figure BDA00003454704200102
Figure BDA00003454704200111
3.4硬度试验
试验按照AWS D1.1标准的要求进行硬度测试。图1所示为焊接接头的硬度测试点分布，其中，标线1为：距焊接接头上表面1-2mm的硬度测试值，标线2为距焊接接头下表面1-2mm的硬度测试值。试验硬度分布曲线如图2、图3和图4所示(图2、3、4中系列1、2分别对应图1标线1、2)。
由图2、图3和图4可知，硬度的最大值不超过250HV10，AWS D1.1中没有关于硬度的要求，根据以往项目规格书中有关硬度的规定，最大硬度值≤325HV10，说明硬度试验是合格的！
3.5宏观腐蚀试验
由宏观腐蚀结果可知，焊道轮廓清晰，无缺陷，完全符合标准的要求。
4、结果分析
本实施例焊接工艺评定，所有的焊接试验都合格，符合美国焊接规范AWSD1.1的要求，然后根据试验结果编写焊接工艺评定报告(WPQR)和焊接工艺规程(WPS)。焊接工艺规程为焊接工艺指导文件，用于焊接过程中工艺的实施。根据焊接工艺评定记录PQR QD-001编制焊接工艺规程WPS(QD)-301(表5)，根据焊接工艺评定记录PQR QD-002、QD-006编制焊接工艺规程WPS(QD)-008(表6)。
表5WPS(QD)-301焊接工艺参数表
Figure BDA00003454704200121
表6WPS(QD)-308焊接工艺参数表
本发明海洋钢结构母管和支管连接节点焊接工艺的优点：
1、在封底焊接过程中不需要更换焊条，提高焊接效率，节约工时。填充焊接及盖面焊接与传统工艺相同。
2、焊接过程中不需要来回更换焊机，只使用二氧化碳气体保护焊焊机，降低劳动强度，节省工时。
3、本发明焊接工艺使用国产焊丝代替进口焊条，大大降低焊接成本，实现焊接材料的国产化。
4、焊接过程中不使用焊条，杜绝了焊条头的高空坠落，减少安全隐患，提高安全系数。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其特征在于：采用药芯焊丝气体保护焊工艺进行封底焊接、填充焊接和盖面焊接。
2.根据权利要求1所述的导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其特征在于，所述药芯焊丝气体保护焊封底焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％，预热温度为10至161℃，所用焊材型号为天泰TWE-711或者天泰TWE-711Ni焊丝、焊接电流为130至200安培、焊接电压为20至24伏特、焊接速度为80至130毫米/分钟。
3.根据权利要求1所述的导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其特征在于，所述药芯焊丝气体保护焊填充焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％，预热温度为10至161℃，填充焊接电流为150至200安培、焊接电压为21至25伏特、焊接速度为130至250毫米/分钟，药芯焊丝型号为TWE-711或者TWE-711Ni。
4.根据权利要求1所述的导管架母管和支管连接节点的焊接工艺，其特征在于，所述药芯焊丝气体保护焊盖面焊接的工艺条件是：保护气体为二氧化碳气体，气体纯度大于或者等于99.70％，预热温度为10至161℃，焊接电流为150至200安培，焊接电压为20至24伏特，焊接速度为170至360毫米/分钟，药芯焊丝型号为TWE-711或者TWE-711Ni。
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