CN115229444B - 一种脐带缆钢管单元焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脐带缆钢管单元焊接方法，包括以下步骤：钢管固定；平口，开坡口，坡口呈倾斜设置，单边角度的范围在30°至37°且钝边向外延伸1mm；清理坡口；钢管对中，两个钢管单元的坡口对接后呈U形；将氮气充满两端需焊接的管材腔体内，确保腔体内充满保护气体；氮气纯度≥99.999％，并且在焊缝处流量低于10L/min时进行焊接；点焊固定；拆除对中夹具；测试保护气体含量，氧含量测试仪测试焊接端头氧气含量，氧气含量≤30ppm合格后方可停止充气；焊接方式为钨极氩弧焊，钨极氩弧焊的保护气体为98％氩气和2％氮气的混合气体，其纯度均≥99.999％。本发明提供一种脐带缆钢管单元焊接方法，能够保证钢管单元之间焊接处的性能良好。
Description
技术领域
本发明涉及电缆焊接技术领域，特别涉及一种脐带缆钢管单元焊接方法。
背景技术
脐带缆是水下生产控制系统的关键组成之一，随着海洋油气田的不断开发，脐带缆在海洋领域的应用不断发展。在水下生产系统中，脐带缆主要用于提供液压、电力、信号等控制，同时输送甲醇、防垢剂等化学材料。目前常见的用于水下生产系统的脐带缆一般分为软管脐带缆和钢管脐带缆。钢管脐带缆由于其具有较好的抗水压能力，适宜在深水环境中使用。
脐带缆钢管在使用的过程中需要将两个钢管单元进行焊接，因此钢管单元之间的焊接处的耐腐蚀性和强度直接影响脐带缆的最终性能，但是现有的焊接方法只有针对于不锈钢管焊接的常规技术，这种焊接方法无法满足海底脐带缆的性能，因此提供一种可行的焊接方法是亟需的。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，提供一种脐带缆钢管单元焊接方法，能够保证钢管单元之间焊接处的性能良好。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。
一种脐带缆钢管单元焊接方法，包括以下步骤：
S1.钢管固定,将需要焊接的两个钢管单元进行固定；
S2.平口，通过平口机切割掉两段需焊接钢管单元的端头；使其切面平整，保证后续焊接紧密接触，效果明显；
S3.开坡口，将待焊接的钢管单元的焊接端进行坡口加工，使得坡口呈倾斜设置，单边角度的范围在30°至37°且钝边向外延伸1mm；
S4.清理坡口；避免杂质夹杂在焊缝中，产生气孔导致焊缝强度减弱，焊接失效；
S5.钢管对中，通过对中夹具将钢管单元矫直，确保钢管单元的焊接端头两端在同一纵轴上，防止焊接错位，增强焊接强度，且两个钢管单元的坡口对接后呈U形；
S6.充气，将氮气充满两端需焊接的钢管单元的腔体内，确保钢管单元的腔体内充满保护气体；氮气纯度≥99.999％，并且在焊缝处流量低于10L/min时进行焊接；
S7.点焊固定；防止焊接过程中钢管错位，形成咬边、错位、虚焊等问题；
S8.拆除对中夹具；避免夹具影响焊接操作；
S9.测试保护气体含量，氧含量测试仪测试焊接端头氧气含量，氧气含量≤30ppm合格后方可停止充气；
S10.调焊接电流、频率：
S11.焊丝选择：
S12.开始焊接，焊接方式为钨极氩弧焊，钨极氩弧焊的保护气体为98％氩气和2％氮气的混合气体，其纯度均≥99.999％。
本发明的有益效果为：本发明的焊接方法，通过将两个钢管单元的需要焊接的端部开坡口后再将钝边向外延伸1mm，使得两个钢管单元对接后整体呈U形，从而能够更加容易焊透，保证焊接强度，并且通过采用氮气作为管腔内的保护气体，钨极氩弧焊采用98％氩气与2％氮气的混合气体，相比传统的纯氩气，可以防止焊缝表面因扩散而损失焊缝金属中的氮，有助于铁素体与奥氏体的平衡，能够保证钢管单元之间焊接处的性能良好。
作为本发明的一种改进，两两个钢管单元内径之差≤0.5mm；两个钢管单元的公称直径范围为12.7mm-35mm，壁厚范围为1.8mm-6mm,且两根钢管单元内径之差≤0.5mm。
作为本发明的一种改进，在步骤S4中，用圆弧刮刀围绕管内壁旋转清理内壁毛刺，用百洁布擦拭内壁和外壁，用酒精清洁布蘸取无水乙醇擦拭钢管单元的内壁和外壁。确保钢管单元的端头20mm范围内光滑、干净、无油污、无肉眼可见纤维、金属毛刺等其他物质。
作为本发明的一种改进，在步骤S5中，两根钢管单元对中后的管壁间隙≤0.2mm，对中后内壁齐平，内壁的错边量不超过其中壁厚较薄的钢管单元壁厚的10％。
作为本发明的一种改进，在步骤S6中，充气时所述氮气的初始流量为20L/min，如果是焊接处位于钢管单元的中段，则从钢管单元的一端充气直到排出焊缝一侧管道内所有空气为止，之后在充气充入焊缝另一侧1至2公里，之后可降低充气流量至5L/min并且将焊接两侧短暂脱开以降低焊缝处气压，待焊缝附近流量计低于在10L/min时进行焊接；如果焊接处位于钢管单元的一端，则从该端充入保护气体，充入1公里保护气体即可，之后停止充气，使管内气体倒流，待焊缝处流量计低于10L/min时进行焊接，如果低于5L/min则需重新充气一段时间后再停止充气并重复以上步骤直至焊接完成。
作为本发明的一种改进，在步骤S7中，在坡口接头的圆周上均匀形成四个点焊的焊接点。
作为本发明的一种改进，在步骤S9中，氧气含量不得高于30ppm。
作为本发明的一种改进，在步骤S10中，焊接电流为的脉冲直流电流，其脉冲周期为1s，峰值和谷值电流占比都为0.5。
作为本发明的一种改进，在步骤S11中，焊丝选择ER2594焊丝，直径在0.8-2.0mm之间。
作为本发明的一种改进，两个钢管单元中，其中一个钢管单元的材质为316L不锈钢管，另一个钢管单元的材质为S32750超双相不锈钢管，在步骤S12中，采用多层的焊接方式进行焊接，钢管单元的壁厚大于等于1.8mm小于3.2mm时，焊接处依次包括打底层和盖面层；钢管单元的壁厚大于等于3.2mm小于4.7mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有一道；钢管单元的壁厚大于4.7mm小于等于6.25mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有两道；焊接时脉冲电流谷值10-25A，峰值30-160A，焊接电压8-16V，焊接速度为20-50mm/min。
作为本发明的一种改进，两个钢管单元的材质均为S32750超双相不锈钢管,在步骤S12中，采用多层的焊接方式进行焊接，钢管单元的壁厚大于等于1.8mm小于3.2mm时，焊接处依次包括打底层和盖面层；钢管单元的壁厚大于等于3.2mm小于4.7mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有一道；钢管单元的壁厚大于4.7mm小于等于6.25mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有两道；焊接时脉冲电流谷值10-25A，峰值30-160A，焊接电压8-16V，焊接速度为20-50mm/min。
作为本发明的一种改进，两个钢管单元的材质均为316L不锈钢管,在步骤S12中，采用多层的焊接方式进行焊接，钢管单元的壁厚大于等于1.8mm小于3.2mm时，焊接处依次包括打底层和盖面层；钢管单元的壁厚大于等于3.2mm小于4.7mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有一道；钢管单元的壁厚大于4.7mm小于等于6.25mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有两道；焊接时脉冲电流谷值10-25A，峰值30-160A，焊接电压8-16V，焊接速度为20-50mm/min。
作为本发明的一种改进，在步骤S12中，焊接时热输入量在0.5kJ/mm至1.5kJ/mm之间，从而避免造成铁素体含量偏高，而使得钢管耐腐蚀性下降。
附图说明
图1是本发明的两个钢管单元对中时示意图。
图2是本发明的两个钢管单元焊接时示意图。
图3是本发明另一实施例中两个钢管单元焊接时示意图。
图中，1、钢管单元；2、坡口；3、打底层；4、填充层；5、盖面层。
具体实施方式
结合附图对本发明进一步阐释。
参见图1至图2所示的一种脐带缆钢管单元焊接方法，包括以下步骤：
S1.钢管固定，将需焊接的两个钢管单元1，其中一个钢管单元1为316L不锈钢管，另一个钢管单元1为S32750超双相不锈钢管，两个钢管单元1的尺寸规格分别为：外径25.40mm，壁厚6.25mm，两个钢管单元1的端头分别架在固定架上。
S2.平口，焊接钢管单元1的端头用专用平口机套在管材上，转动平口机切割掉使两端需焊接的钢管单元1端头，使其切面平整，保证后续焊接紧密接触，效果明显。
S3.对两个钢管单元1分别开坡口2，调整坡口2机刀片角度，使刀片与纵向轴呈现30°斜坡，将坡口2机套在管材端头，进行旋转，使管材呈现铅笔头状，目的是电弧能深入接头根部，使接头根部焊透，便于清渣获得较好的焊缝成形，增大焊缝金属中填充物比例，增加熔覆厚度，确保焊缝强度。
S4.清理破口，用圆弧刮刀围绕管内壁旋转清理钢管单元1的内壁毛刺，用百洁布擦拭内壁、外壁，用专用酒精清洁布蘸取无水乙醇擦拭钢管内、外壁，确保端头20mm范围内光滑、干净、无油污、无肉眼可见纤维、金属毛刺等其他物质。避免杂质夹杂在焊缝中，产生气孔导致焊缝强度减弱，焊接失效。所述坡口2的形状为V型，单边角度为37°，钝边为1mm，且钝边向外延伸1mm。
S5.钢管对中，采用钢管对中夹具，将钢管单元1进行校直，确保焊接钢管单元1端头的两端在同一纵轴上，防止焊接错位，增强焊接强度，且两个钢管单元1之间管壁的间隙≤0.2mm，对中后内壁齐平，内壁的错边量不超过其中壁厚较薄的不锈钢管壁厚的10％。
S6.充气，将氮气充满两端需焊接的钢管单元1的腔体内，确保钢管单元1的腔体内充满保护气体；氮气纯度≥99.999％，在焊缝处附近安装流量计观察保护气体流量；充气时所述氮气的初始流量约为20L/min，且宜在焊缝处附近安装流量计观察保护气体流量。由于整条脐带缆钢管很长，通常有数十公里，除了脐带缆以外，基本没有这么长的高压力管道需要这样通气焊接，脐带缆如果充气不佳十分影响焊接质量及合格率，因此其充气方式相对于普通的钢管焊接具有特殊性。具体充气方式如下：如果是焊接处位于钢管中段，则从一端充气直到排出焊缝一侧管道内所有空气为止，之后在充气充入焊缝另一侧1～2公里，较佳地，若不考虑时间因素可充气直至排空管道内所有空气。之后可降低充气流量至5L/min并且将焊接两侧短暂脱开以降低焊缝处气压，待焊缝附近流量计低于在10L/min时进行焊接。如果焊接处位于钢管一侧，则从该侧充入保护气体，大约充入1公里保护气体即可，较佳地，若不考虑时间因素可充气直至排空管道内所有空气。之后停止充气，使管内气体倒流，待焊缝处流量计低于10L/min时进行焊接，如果低于5L/min则需重新充气一段时间后再停止充气并重复以上步骤直至焊接完成。
S7.点焊固定，焊枪将对其的钢管上下左右四个点，焊接到一起，防止焊接过程中钢管错位，形成咬边、错位、虚焊等问题。
S8.拆除对中夹具，因该方式在线小空间焊接，夹具会影响焊接操作，因此需拆除。
S9.测试保护气体含量，氧含量测试仪测试焊接端头氧气含量，合格后方可停止充气。
S10.调焊接电流、频率：焊接电流为的脉冲直流电流，其脉冲周期为1s，峰值和谷值电流占比都为0.5。
S11.焊丝选择：选择ER2594焊丝，直径为1.2mm。
S12.开始焊接：参见图2所示，焊接层一共三层。打底层31层1道，焊接脉冲电流谷值16A，峰值110A，焊接电压8-12V，焊接速度约48mm/min，热输入量0.81KJ/mm。填充层4一共一层两道，其中填充层4第一层第1道，焊接脉冲电流谷值15A，峰值110A，焊接电压8-12V，焊接速度约41mm/min，热输入量0.94KJ/mm。填充层4第一层第2道，焊接脉冲电流谷值15A，峰值115A，焊接电压8-12.5V，焊接速度约35mm/min，热输入量1.15KJ/mm。盖面层51层1道，焊接脉冲电流谷值16A，峰值120A，焊接电压8-12V，焊接速度约31mm/min，热输入量1.37KJ/mm。使得焊接处内部溶透，且成型高度一致，改善各个角度时的焊接速度和电弧高度及送丝量，且焊接每层的起弧点错开，以达到最小的变形量，能充分融合保证焊接材料的各项性能，而且焊接速度逐渐减小，避免将上一焊接层融透了，从而避免焊缝过热导致影响内部成型和机械性能降低、铁素体偏高、影响金属双相组织及内部氧化等问题，层间温度≤120℃。
焊接结果：屈服应力约310MPa，抗张强度约590MPa，焊缝各个方向HV5维氏硬度≥140，焊缝弯曲试验(面弯及背弯180°，弯芯直径24mm，轴距40.67mm)无裂纹。金相检测(500X)未受影响组织，宏观检测(20X)无未焊透、熔合、裂纹、气孔、夹渣等缺陷。焊缝及热影响区铁素体含量相对于母材无明显变化均在50％左右，因此能够满足脐带缆钢管单元1对结构强度和耐腐蚀性的要求。
本发明的焊接方法，通过将两个钢管单元1的需要焊接的端部开坡口2后再将钝边向外延伸1mm，使得两个钢管单元1对接后整体呈U形，从而能够更加容易焊透，保证焊接强度，并且通过采用氮气作为管腔内的保护气体，钨极氩弧焊采用98％氩气与2％氮气的混合气体，相比传统的纯氩气，可以防止焊缝表面因扩散而损失焊缝金属中的氮，有助于铁素体与奥氏体的平衡，能够保证钢管单元1之间焊接处的性能良好，能够满足使用环境所需要的强度和耐腐蚀性的要求。
在本发明的实施例2中，其主体步骤与上一实施例相同，不同之处在于：
在步骤S1中，钢管固定，将需焊接的两个钢管单元1，其中两个钢管单元1均为S32750超双相不锈钢管，两个钢管单元1的尺寸规格分别为：外径19.05mm，壁厚3.175mm，两个钢管单元1的端头分别架在固定架上。
在步骤S11中,焊丝选择ER2594焊丝，直径为0.8mm。
在步骤S12中，参见图3所示，开始焊接：焊接层一共两层。焊接处依次包括打底层3和盖面层5，打底层3焊接时，焊接脉冲电流谷值14A，峰值60A，电压7.6-13.2V，焊接速度约36mm/min，热输入量0.44-0.79kJ/mm；盖面层5焊接时，焊接脉冲电流谷值14A电压，峰值60A，电压7-13.2V，焊接速度约20mm/min，热输入量0.52-0.88kJ/mm。
焊接结果：屈服应力约730MPa，抗张强度约950MPa，焊缝各个方向HV5维氏硬度平均约280，焊缝弯曲试验(面弯及背弯180°，弯芯直径10mm，轴距22.23mm)无裂纹。点腐蚀试验腐蚀率＜0.1g/mm2。金相检测(500X)未受影响组织，宏观检测(20X)无未焊透、熔合、裂纹、气孔、夹渣等缺陷。焊缝及热影响区铁素体含量相对于母材无明显变化，均在50％左右。
以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (8)
1.一种脐带缆钢管单元焊接方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.钢管固定,将需要焊接的两个钢管单元进行固定；两个钢管单元内径之差≤0.5mm；两个钢管单元的公称直径范围为12.7mm-35mm，壁厚范围为1.8mm-6.25mm；
S2.平口，通过平口机切割掉两段需焊接钢管单元的端头；
S3.开坡口，将待焊接的钢管单元的焊接端进行坡口加工，使得坡口呈倾斜设置，单边角度的范围在30°至37°且钝边向外延伸1mm；
S4.清理坡口；
S5.钢管对中，通过对中夹具将钢管单元矫直，确保钢管单元的焊接端头两端在同一纵轴上，且两个钢管单元的坡口对中后呈U形；
S6.充气，将氮气充满两端需焊接的钢管单元的腔体内，确保钢管单元的腔体内充满保护气体；氮气纯度≥99.999％，并且在焊缝处流量低于10L/min时进行焊接；充气时所述氮气的初始流量为20L/min，如果是焊接处位于钢管单元的中段，则从钢管单元的一端充气直到排出焊缝一侧钢管单元内所有空气为止，之后再充气充入焊缝另一侧1至2公里，之后可降低充气流量至5L/min并且将焊接两侧短暂脱开以降低焊缝处气压，待焊缝附近流量计低于在10L/min时进行焊接；
如果焊接处位于钢管单元的一端，则从该端充入保护气体，充入1公里保护气体即可，之后停止充气，使管内气体倒流，待焊缝处流量计低于10L/min时进行焊接，如果低于5L/min则需重新充气一段时间后再停止充气并重复以上步骤直至焊接完成；
S7.点焊固定；
S8.拆除对中夹具；
S9.测试保护气体含量，氧含量测试仪测试焊接端头氧气含量，氧气含量≤30ppm合格后方可停止充气；
S10.调焊接电流、频率：
S11.焊丝选择：
S12.开始焊接，焊接方式为钨极氩弧焊，钨极氩弧焊的保护气体为98％氩气和2％氮气的混合气体，其纯度均≥99.999％。
2.根据权利要求1所述的一种脐带缆钢管单元焊接方法，其特征在于：在步骤S4中，用圆弧刮刀围绕钢管单元的内壁旋转清理内壁毛刺，用百洁布擦拭内、外壁，用酒精清洁布蘸取无水乙醇擦拭钢管单元的内壁和外壁。
3.根据权利要求1所述的一种脐带缆钢管单元焊接方法，其特征在于：在步骤S5中，两根钢管单元对中后的管壁间隙≤0.2mm，对中后内壁齐平，内壁的错边量不超过其中壁厚较薄的钢管单元壁厚的10％。
4.根据权利要求1所述的一种脐带缆钢管单元焊接方法，其特征在于：在步骤S7中，在坡口接头的圆周上形成四个点焊的焊接点。
5.根据权利要求1所述的一种脐带缆钢管单元焊接方法，其特征在于：在步骤S10中，焊接电流为脉冲直流电流，其脉冲周期为1s，峰值和谷值电流占比都为0.5。
6.根据权利要求1所述的一种脐带缆钢管单元焊接方法，其特征在于：在步骤S12中，焊接时热输入量在0.5kJ/mm至1.5kJ/mm之间。
7.根据权利要求1所述的一种脐带缆钢管单元焊接方法，其特征在于：两个钢管单元中，其中一个钢管单元的材质为316L不锈钢管，另一个钢管单元的材质为S32750超双相不锈钢管，在步骤S12中，采用多层的焊接方式进行焊接，钢管单元的壁厚大于等于1.8mm小于3.2mm时，焊接处依次包括打底层和盖面层；钢管单元的壁厚大于等于3.2mm小于4.7mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有一道；钢管单元的壁厚大于4.7mm小于等于6.25mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有两道；焊接时脉冲电流谷值10-25A，峰值30-160A，焊接电压8-16V，焊接速度为20-50mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种脐带缆钢管单元焊接方法，其特征在于：两个钢管单元的材质均为S32750超双相不锈钢管,在步骤S12中，采用多层的焊接方式进行焊接，钢管单元的壁厚大于等于1.8mm小于3.2mm时，焊接处依次包括打底层和盖面层；钢管单元的壁厚大于等于3.2mm小于4.7mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有一道；钢管单元的壁厚大于4.7mm小于等于6.25mm时，焊接处依次包括打底层、填充层和盖面层，并且填充层具有两道；焊接时脉冲电流谷值10-25A，峰值30-160A，焊接电压8-16V，焊接速度为20-50mm/min。
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