CN115026390B - 一种双金属复合管焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种焊接方法，为解决目前的双金属复合管焊接方法不能完全满足现场施工要求，以及焊接质量难以保证的技术问题，提供一种双金属复合管焊接方法，主要焊接步骤包括：双金属复合管的焊接坡口加工、双封皮碗和气管的安装、双金属复合管的快速对中、坡口清理、双金属复合管坡口斜坡封口焊接、覆层管对接焊缝的焊接、覆层管与基层管之间过渡层的焊接、基层管焊缝的填充焊接、盖面层的焊接、气管和双封皮碗的取出和可溶对中器的清除。

Description

一种双金属复合管焊接方法
技术领域
本发明属于一种焊接方法，具体涉及一种双金属复合管焊接方法。
背景技术
在石油天然气开采过程中，通过管道输送介质时普遍存在腐蚀问题，且随着油田含水率的增加，以及CO2、H2S、Cl-等腐蚀性介质的出现和增多，很容易导致管道腐蚀穿孔，给油气田生产带来了一定的安全环保隐患。
添加缓蚀剂、采用涂层等传统防腐措施已难以满足油气田发展的需要，而采用耐蚀合金管或不锈钢管又存在价格高昂、壁厚偏大等问题。双金属复合管是油气管道防腐工程领域的一种新型功能材料，具体是在碳钢或低合金管（基层管）的内表面镶嵌一层较薄的耐热、耐腐蚀或其他特殊性能的金属（覆层管），以提高管道相应的耐热或耐腐蚀等性能。双金属复合管以其低廉的价格、较高的承压能力和优异的耐腐蚀性能，不但节省了投资成本，也提高了油气田运营的可靠性和安全性，因此，得到了国内外市场的广泛认可，在油气田输送领域有着广泛的应用前景。
但是，由于双金属复合管本身的特殊性，焊接时容易在覆层管和基层管的界面处出现未熔合缺陷，同时，基层管碳钢中的碳元素向不锈钢中的扩散会降低不锈钢覆层管的抗腐蚀性能。另外，双金属复合管焊接时需要特殊的外对口器，装夹和对中工序十分复杂，大大降低了施工效率。且覆层不锈钢管为薄壁管，外对口器很难保证对中比例，容易造成错边、未熔合等缺陷。如公开号为CN102554432B的中国专利申请，给出了一种双金属复合管的对焊方法，是一种新型的双金属复合管焊接方法，但是，该方法仍然存在以下三个缺点：（1）覆层管不锈钢和基层管碳钢的熔点不同，不锈钢的熔点较低，在对焊时，基层管熔化时覆层管早已熔化，使得覆层管无法先结晶，形成对焊焊缝；（2）基层管中的碳元素向覆层管中的扩散会降低覆层管复层的抗腐蚀性能；（3）覆层管的对焊焊缝会有凸起或毛刺，内部陶瓷衬环会被卡在焊缝处，难以取出，降低管道的有效通径。因此，目前双金属复合管的焊接方法不能完全满足现场施工要求，焊接质量难以保证，已为限制其推广应用的关键因素。
发明内容
本发明为解决目前的双金属复合管焊接方法不能完全满足现场施工要求，以及焊接质量难以保证的技术问题，提供一种双金属复合管焊接方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种双金属复合管焊接方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
S1，将两个待焊接端面的基层管均去除2mm-3mm，并在基层管待焊接端面上加工30±2°的倾斜角度，形成坡口；所述倾斜角度为待焊接端面与双金属复合管轴线垂直面的夹角；
S2，在任一双金属复合管内安装双封皮碗，并将气管从双封皮碗的一侧贯穿至另一侧，所述双封皮碗与气管之间密封安装；
S3，在两个待焊接双金属复合管内嵌套可溶对中器，可溶对中器轴向中心处位于两个待焊接双金属复合管的对接处，可溶对中器内部形成腔室，并使两个待焊接双金属复合管的覆层管端面保持1.5mm-2.0mm的间隙；所述可溶对中器远离双封皮碗的一端封闭设置，使气管中的气体能够引流至两个待焊接双金属复合管的对接处；
S4，通过气管通保护气，在两个覆层管待对接一端外壁与基层管坡口夹角处，采用全位置自动钨极氩弧焊方法进行焊接，得到第一道环焊缝；
S5，同时从气管和双金属复合管外部通保护气，在两个覆层管对接处氧气体积分数小于1.5%时，采用全位置自动钨极氩弧焊方法对两个覆层管对接处进行焊接，得到覆层管坡口对接焊缝；
S6，在坡口内位于覆层管坡口对接焊缝外部、第一道环焊缝外部焊接过渡层；
S7，从双金属复合管外部通保护气，在坡口内位于过渡层外部采用焊条手工电弧焊逐层进行焊接，形成多道填充层，最后一道填充层低于基层管外壁；
S8，采用焊条电弧焊在最后一道填充层外部焊接盖面层，盖面层高出基层管外壁0mm-3mm，盖面层宽度超出坡口两侧0.5mm-2mm；
S9，取出气管和双封皮碗，清除可溶对中器，完成焊接。
进一步地，步骤S1之前还包括步骤S0，修正待焊接端面：
对两个待焊接双金属复合管的对接端面进行加工，使两个待焊接端面分别垂直于相应待焊接双金属复合管的轴线。
进一步地，步骤S2中，所述双封皮碗包括气管保护钢管，以及相互平行且通过连接筒相连的第一皮碗和第二皮碗，第一皮碗和第二皮碗的演变与双金属复合管的内壁相抵；
所述第一皮碗上开设有第一通孔，所述第二皮碗上开设有第二通孔，第一通孔和第二通孔相对设置，所述气管保护钢管安装在第一通孔和第二通孔内，所述气管设置在气管保护钢管内。
进一步地，所述第一皮碗外侧和第二皮碗外侧均设有用于安装牵引绳的牵引环，便于在焊接完成后拆除双封皮碗；
所述第一皮碗的两侧和第二皮碗的两侧均固定有盖板，能够有效提高双封皮碗的稳定性和可靠性。
进一步地，步骤S3中，所述可溶对中器轴向中部外壁开设有环形凹槽，环形凹槽底部开设有多个与腔室内部连通的气孔，使气管内部、腔室内部、气孔和环形凹槽形成连通气路。环形凹槽和气孔使保护气容易到达焊缝处，保证焊缝不被氧化，能够提高焊接成型质量。
进一步地，步骤S3和步骤S4之间还包括步骤S3-4，坡口清理：
对两个待焊接端面的坡口和坡口两侧进行清理，使坡口和坡口两侧100mm范围内无水分、无油脂、无氧化物，且坡口及坡口两侧20mm范围内见金属光泽。
进一步地，步骤S4中，所述全位置自动钨极氩弧焊方法，采用的焊丝与覆层管材质相同；
步骤S5中，所述全位置自动钨极氩弧焊方法采用的送丝方式为连续送丝，且焊丝始终在保护气体范围内。
进一步地，步骤S6具体为，磨除覆层管坡口对接焊缝的焊高，待温度至50℃以下开始焊接，在6点钟位置引燃电弧，焊枪与覆层管外壁切线夹角为75°-85°，焊丝与焊枪夹角为110±5°，焊层厚度为1.5mm。在确保熔池稳定和熔合良好的前提下，可采用小电流快速焊接，降低焊接热输入，防止过热导致的脱碳或碳元素转移问题，避免耐蚀性的下降。
进一步地，步骤S7中，所述采用焊条手工电弧焊逐层进行焊接具体为，在6点钟位置引燃电弧形成熔池，焊条与覆层管切线夹角为75°-85°；每道填充层焊接完成后，待温度降至150℃以下时停止通保护气，在开始下一道填充层焊接时再通保护气；每道填充层焊接完成后，待温度降至70℃以下开始下一道填充层焊接；
所述最后一道填充层距基层管外壁1.5mm。
进一步地，步骤S8中，所述焊条电弧焊时，焊条与焊道切线夹角为80°-90°；
步骤S9中，所述清除可溶对中器具体为，从双金属复合管对应可溶对中器开口的一端注入高矿化度盐水，且保持压力大于1MPa，使高矿化度盐水充满整个双金属复合管，直至可溶对中器完全溶解。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明一种双金属复合管的焊接方法，双金属复合管焊接完成后不需要取出衬底，可溶对中器焊后可在高矿化度盐水中快速均匀溶解，溶解速率一般为3小时左右，能够快速方便的完成双金属复合管现场的焊接操作，能够减少焊缝缺陷，还能降低焊缝失效事故的发生，提高焊接质量。
2、本发明中焊接，第一道环焊缝位于覆层管伸出部分与基层管夹角部位，既能够连接覆层管与基层管，防止直接焊接过程中出现由于不锈钢和碳钢的膨胀系数不同，而导致覆层管与基层管分离或相对滑动的问题，还能将基层管与覆层管隔开，在焊接过程中避免碳钢中的碳元素向不锈钢中的扩散降低不锈钢复层的抗腐蚀性能。
3.本发明中的双封皮碗结构，既能实现密封又能够使气管通过，向焊缝处通入保护气，第一皮碗外侧和第二皮碗外侧均设有用于安装牵引绳的牵引环，在焊接后拆除双封皮碗时，便于钢丝或麻绳穿过，方便牵引去除；盖板的设置能够增加双封皮碗的结构稳定度。
4.本发明中提供的焊接工艺，均经过分析验证，能够有效保证焊接效果。
附图说明
图1为采用本发明一种双金属复合管焊接方法完成焊接，在取出气管和双封皮碗、清除可溶对中器之前的示意图；
图2为本发明实施例中的坡口示意图；
图3为本发明实施例中焊缝的焊接顺序示意图；其中，①和②表示第一道环焊缝处，③表示覆层管对接焊缝处，④表示过渡层处，⑤和⑥表示两道填充焊缝处，⑦表示盖面层处；
图4为本发明实施例中可溶对中器的结构示意图；
图5为图4的左视图；
图6为本发明实施例中双封皮碗的结构示意图。
其中：1-基层管焊缝；2-覆层管焊缝；3-基层管；4-覆层管；5-可溶对中器；6-气孔；7-环形凹槽；8-第一皮碗；9-盖板；10-螺栓；11-牵引环；12-牵引绳；13-气管；14-气管保护钢管；15-连接筒；16-第二皮碗。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1所示，本发明提供了一种双金属复合管的焊接方法，能够快速方便的完成双金属复合管现场的焊接操作，减少焊缝缺陷，并且焊后不会存在衬底取不出的问题，降低了焊缝失效事故的发生。具体实现方法如下：
（1）双金属复合管的焊接坡口加工
如图2，分别加工两根双金属复合管的端面，先使复合管端部与复合管轴向呈90°。然后，通过车削将两根双金属复合管的基层管3一端去除2-3mm，使覆层管4比基层管3长出2-3mm。最后，在基层管3的待焊接管段加工30±2°的倾斜角度，即焊接坡口角度为60±4°，形成Y型坡口。
（2）双封皮碗和气管13的安装
如图6，双封皮碗为左右结构，左侧皮碗和右侧皮碗平行放置，中间由连接筒15隔开，两侧由圆形盖板9和螺栓10连接和固定，保证双封皮碗结构稳定；双封皮碗左右各有一个牵引环11，牵引环11通过丝扣固定在圆形盖板9上，牵引绳12穿过牵引环11，牵引绳12采用钢丝或麻绳，待连接完成后，便于牵引去除，再下一道双金属管坡口焊接时继续使用；双封皮碗中部均有一个通孔，用于气管保护钢管穿过，该通孔内径大于气管保护钢管的外径，保证气管13能从一侧顺利穿过双封皮碗到达另一侧，从而实现保护性气体从双封皮碗外侧输送至焊缝底部，进行有效保护。将双封皮碗置于双金属复合管内，皮碗直径略大于双金属复合管内径，保证皮碗与双金属复合管为微过盈配合；双封皮碗可为橡胶材质。
如图4和图5，可溶对中器5中部外壁设有环形凹槽7，环形凹槽7宽度4-5mm，环形凹槽7中心正对Y型坡口中部，进行坡口焊接时，不影响全位置自动钨极氩弧焊对覆层管4焊缝2实现单面焊双面成型。同时，环形凹槽7内沿环向均布气孔6，使保护性气体很容易到达，保证焊缝不被氧化，提高单面焊双面成型质量。
（3）双金属复合管的快速对中
将已加工好坡口的两根待焊接双金属复合管，坡口一端管内嵌套可溶对中器5，使两个待焊接双金属复合管的覆层管4端面间隙保持在1.5mm-2mm；所述可溶对中器5是由可溶材料制备而成的，该设备外径与双金属复合管内径相同（无偏差或负偏差0.1mm），保证内嵌套顺利；可溶对中器5的一端由2mm可溶薄板密封，另一侧不封闭为敞开结构，敞开结构一侧为密封通气皮碗一侧。可溶对中器5中部管壁上打有气孔6，保证气管13里的气体能从可溶对中器5中部冒出，当焊缝焊接时，起到保护作用。
（4）坡口清理
采用不锈钢专用钢丝刷或不锈钢抛光膜片对坡口及坡口两侧进行清理，使坡口及坡口两侧100mm范围内无水分、油脂、氧化物等影响焊接质量的污物，坡口及坡口两侧20mm范围内应见金属光泽。
（5）双金属复合管坡口斜坡封口焊接
通氩气进行保护，采用全位置自动钨极氩弧焊方法在覆层管4长出的2-3mm管壁上，与基层管3夹角处，如图3的①和②处，分别焊第一道环焊缝，进行封口，该环焊缝采用与覆层管4材质相同或相近的焊丝进行焊接。封口主要起到两方面作用，一是连接覆层管4与基层管3，防止直接焊接过程中出现由于不锈钢和碳钢的膨胀系数不同，而导致覆层管4与基层管3分离或相对滑动的问题；二是将基层管3与覆层管4隔开，焊接过程中避免碳钢中的碳元素向不锈钢中的扩散降低不锈钢复层的抗腐蚀性能。
（6）覆层管4对接焊缝的焊接
双金属复合管内外均通保护性气体进行保护，通保护性气体一段时间后，用测氧仪测量氧气含量 ，当氧气体积分数降到1.5%以下时，开始覆层管4对接焊缝的焊接，位置为图3所示③处，采用全位置自动钨极氩弧焊方法焊接坡口两侧的覆层管4。采用连续送丝方式，提高焊接速度，焊接时焊丝轻微摆动，有利于降低热输入，焊丝应始终在保护性气体的保护区内，防止焊丝被氧化，出现夹渣、裂纹等焊接缺陷。覆层管4内壁嵌套的可溶对中器5采用可溶材料制成，熔点较高，焊接过程中不发生变化。采用全位置自动钨极氩弧焊机自6点钟位置引弧进行环形焊接，所用焊丝与覆层管4材质相近，最终完成双金属复合管覆层管4坡口对接焊缝的焊接。
（7）覆层管4与基层管3之间过渡层的焊接
覆层管4坡口处焊接完成后，经外观检查合格后，采用不锈钢专用砂轮片磨除覆层管4上焊道 的焊高。焊接过渡层焊道时，保护性气体应一直持续提供，但可以适当降低充气的流量。过渡层为图3中的④处。测量覆层管4焊道温度，待温度下降至50℃以下，开始过渡层焊接。在6点钟位置引燃电弧，焊枪与覆层管4切线夹角为75°-85°，焊丝与焊枪夹角为110±5°，焊层厚度控制在1.5mm左右。在确保熔池稳定和熔合良好的前提下，采用小电流快速焊接，降低焊接热输入，防止过热导致的脱碳或碳元素转移问题，避免耐蚀性的下降。
（8）基层管3焊缝1的填充焊接
过渡层焊接完成，进行外观检测，用专用砂轮片磨除焊道的焊高，待温度降至70℃以下时，开始填充焊接。提前通入保护性气体，采用焊条手工电弧焊在6点钟位置引燃电弧形成熔池，焊条与覆层管4切线夹角为75°-85°，可控制熔池温度，提高焊接速度，减少热输入，避免温度过高导致的脱碳或碳元素转移问题。保护性气体一直保持，直至完成焊接，形成第一道填充焊缝，待第一道填充焊缝温度降至150℃以下时停止通保护性气体。
第一道填充焊缝完成后，经外观检测合格后，待温度降至70℃以下时，开始第二道焊缝的填充焊接。重复第一道填充焊缝的焊接工艺。根据基层管3的管壁厚度确定焊接道数，待最后一道填充焊缝的平面距基层管3外壁1.5mm左右时，完成基层管3焊缝1的填充焊接。如图3中⑤和⑥是本实施例中的两道填充焊缝。
（9）盖面层的焊接
填充层焊接完成后，经外观检查合格后，进行专用砂轮修磨，待温度降至80℃以下时，开始盖面层的焊接。在最后一道填充层外部焊接盖面层，如图3中⑦处为盖面层，采用焊条电弧焊，焊条与焊道切线夹角为80°-90°，左右应垂直于焊道轴线。盖面层焊道的余高为0-3mm，焊缝宽度应超过坡口两侧0.5-2mm，焊缝表面应无裂纹、气孔6、夹渣等缺陷。焊后用专用砂轮修磨，去除氧化皮和焊渣。
（10）气管13和双封皮碗的取出
用钢丝绳或从双金属复合管中拉出，并清理干净。重复步骤（1）-（8），可以进行下一根双金属复合管的焊接。
（11）可溶对中器5的清除
待双金属复合管现场连接完毕后，从一端注入高矿化度盐水，管道压力由盐水注入泵来控制，泵压大于1MPa，保证高矿化度盐水充满整个管道；在高矿化度盐水中，可溶对中器5会快速分解，一般在3小时左右溶解完全；可溶对中器5在清水中基本不发生任何反应。
上述方案中，所述可溶对中器5为可溶材料加工而成，熔点在700℃以上；采用凹槽和均布气孔6结构，也具有一定降温效果，保证在焊接过程中可溶对中器5保持一定强度，不发生变形、熔化或变软现象。
上述可溶对中器5的可溶材料为高强度可溶铝基复合材料，是由熔铸法将合金粉末熔化后，浇铸到加工好的模具中，待完全冷却后倒模制备成带底圆筒状，合金粉末的具体组成（各组分按质量百分数计）为： Mg 0.5%、Zn4%、In0.035%、Ti0.045%，其余铝。待圆筒冷却后，采用机加工方法将圆筒中部加工一个4-5mm环形凹槽7，并沿环形等均分布若干出气口。
上述实施例中，保护性气体一般可采用氩气或氦气。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双金属复合管焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将两个待焊接端面的基层管(3)均去除2mm-3mm，并在基层管(3)待焊接端面上加工30±2°的倾斜角度，形成坡口；所述倾斜角度为待焊接端面与双金属复合管轴线垂直面的夹角；
S2，在任一双金属复合管内安装双封皮碗，并将气管(13)从双封皮碗的一侧贯穿至另一侧，所述双封皮碗与气管(13)之间密封安装；
S3，在两个待焊接双金属复合管内嵌套可溶对中器(5)，可溶对中器(5)轴向中心处位于两个待焊接双金属复合管的对接处，可溶对中器(5)内部形成腔室，并使两个待焊接双金属复合管的覆层管(4)端面保持1.5mm-2.0mm的间隙；所述可溶对中器(5)远离双封皮碗的一端封闭设置，使气管(13)中的气体能够引流至两个待焊接双金属复合管的对接处；
S4，通过气管(13)通保护气，在两个覆层管(4)待对接一端外壁与基层管(3)坡口夹角处，采用全位置自动钨极氩弧焊方法进行焊接，得到第一道环焊缝；
S5，同时从气管(13)和双金属复合管外部通保护气，在两个覆层管(4)对接处氧气体积分数小于1.5%时，采用全位置自动钨极氩弧焊方法对两个覆层管(4)对接处进行焊接，得到覆层管(4)坡口对接焊缝；
S6，在坡口对接焊缝外部、第一道环焊缝外部焊接过渡层；
S7，从双金属复合管外部通保护气，在坡口内位于过渡层外部采用焊条手工电弧焊逐层进行焊接，形成多道填充层，最后一道填充层低于基层管(3)外壁；
S8，采用焊条电弧焊在最后一道填充层外部焊接盖面层，盖面层高出基层管(3)外壁0mm-3mm，盖面层宽度超出坡口两侧0.5mm-2mm；
S9，取出气管(13)和双封皮碗，清除可溶对中器(5)，完成焊接。
2.根据权利要求1所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：步骤S1之前还包括步骤S0，修正待焊接端面：
对两个待焊接双金属复合管的对接端面进行加工，使两个待焊接端面分别垂直于相应待焊接双金属复合管的轴线。
3.根据权利要求2所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：步骤S2中，所述双封皮碗包括气管保护钢管，以及相互平行且通过连接筒(15)相连的第一皮碗(8)和第二皮碗(16)，第一皮碗(8)和第二皮碗(16)的边沿与双金属复合管的内壁相抵；
所述第一皮碗(8)上开设有第一通孔，所述第二皮碗(16)上开设有第二通孔，第一通孔和第二通孔相对设置，所述气管保护钢管安装在第一通孔和第二通孔内，所述气管(13)设置在气管保护钢管内。
4.根据权利要求3所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：所述第一皮碗(8)外侧和第二皮碗(16)外侧均设有用于安装牵引绳(12)的牵引环(11)；
所述第一皮碗(8)的两侧和第二皮碗(16)的两侧均固定有盖板(9)。
5.根据权利要求4所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：步骤S3中，所述可溶对中器(5)轴向中部外壁开设有环形凹槽(7)，环形凹槽(7)底部开设有多个与腔室内部连通的气孔(6)，使气管(13)内部、腔室内部、气孔(6)和环形凹槽(7)形成连通气路。
6.根据权利要求1至5任一所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：步骤S3和步骤S4之间还包括步骤S3-4，坡口清理：
对两个待焊接端面的坡口和坡口两侧进行清理，使坡口和坡口两侧100mm范围内无水分、无油脂、无氧化物，且坡口及坡口两侧20mm范围内见金属光泽。
7.根据权利要求6所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：步骤S4中，所述全位置自动钨极氩弧焊方法，采用的焊丝与覆层管(4)材质相同；
步骤S5中，所述全位置自动钨极氩弧焊方法采用的送丝方式为连续送丝，且焊丝始终在保护气体范围内。
8.根据权利要求7所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：步骤S6具体为，磨除覆层管(4)坡口对接焊缝的焊高，待温度至50℃以下开始焊接，在6点钟位置引燃电弧，焊枪与覆层管(4)外壁切线夹角为75°-85°，焊丝与焊枪夹角为110±5°，焊层厚度为1.5mm。
9.根据权利要求8所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：步骤S7中，所述采用焊条手工电弧焊逐层进行焊接具体为，在6点钟位置引燃电弧形成熔池，焊条与覆层管(4)切线夹角为75°-85°；每道填充层焊接完成后，待温度降至150℃以下时停止通保护气，在开始下一道填充层焊接时再通保护气；每道填充层焊接完成后，待温度降至70℃以下开始下一道填充层焊接；
所述最后一道填充层距基层管(3)外壁1.5mm。
10.根据权利要求9所述一种双金属复合管焊接方法，其特征在于：步骤S8中，所述焊条电弧焊时，焊条与焊道切线夹角为80°-90°；
步骤S9中，所述清除可溶对中器(5)具体为，从双金属复合管对应可溶对中器(5)开口的一端注入高矿化度盐水，且保持压力大于1MPa，使高矿化度盐水充满整个双金属复合管，直至可溶对中器(5)完全溶解。
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