代淵雄，郭建波，黎澤權(quán)，于海洋，代 薇

1.遼河油田建設(shè)工程公司，遼寧盤錦 124012

2.昆侖能源（遼寧）有限公司，遼寧盤錦 124010

3.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦 124010

長輸管道站場大型油泵法蘭的焊接技術(shù)

代淵雄1，郭建波1，黎澤權(quán)1，于海洋2，代 薇3

1.遼河油田建設(shè)工程公司，遼寧盤錦 124012

2.昆侖能源（遼寧）有限公司，遼寧盤錦 124010

3.渤海裝備遼河重工有限公司，遼寧盤錦 124010

進口大型油泵法蘭的材質(zhì)大都執(zhí)行歐洲或美國標(biāo)準(zhǔn)，焊工接觸少，無成熟的焊接操作經(jīng)驗可借鑒。在確認法蘭的材質(zhì)后，根據(jù)LF2（法蘭）、X52（管道）兩種鋼材的焊接特性，選擇了ER50-6和E71T8-Ni1焊絲，采取GTAW+FCAW的工藝，在大慶-錦西原油管道梨樹輸油站，成功完成了4臺德國進口輸油泵的法蘭與油管的焊接，焊縫經(jīng)RT抽檢合格。在簡要介紹了母材的焊接性、法蘭與油管焊接難點的基礎(chǔ)上，較詳細地論述了焊接方法的確定、焊前準(zhǔn)備、GTAW打底焊、FCAW焊、返修焊技術(shù)，并針對該工程中易出現(xiàn)的焊接缺陷提出了相應(yīng)的對策。該焊接經(jīng)驗對類似工程有一定的參考意義。

大型油泵法蘭；LF2鋼材；X52鋼材；異種鋼焊接

1 母材的焊接性與焊接方法

1.1 法蘭的焊接特性

大慶-錦西原油管道工程梨樹輸油站，新建輸油泵房需安裝4臺德國進口的電機-油泵一體式輸油泵，每臺價值300余萬美元，質(zhì)量18t。油泵進出口原配帶頸焊接法蘭見圖1，規(guī)格分別為D 609.6 mm× 24.6 mm和D 457.2 mm×19 mm，頸長100 mm。機加工V型坡口，鈍邊2 mm，坡口頂端距泵體僅250 mm。φ41 mm螺栓24個，螺帽間隙最大32 mm，最小只有26 mm。材質(zhì)為LF2，需分別與國產(chǎn)X52埋弧焊鋼管焊接，焊縫要求100%UT檢測，I級為合格，且10%RT抽檢，Ⅱ級為合格。

圖1 油泵法蘭

對應(yīng)于美國ASTM A350 LF2[1]系-35℃級的低溫鋼、鍛鋼，鋼材在-35℃時具有與常溫條件下同樣的強度、塑性和韌性，鋼材相當(dāng)于我國 JB 4727-2000中的16MnD，其化學(xué)成分和機械性能對比見表1～2。

表1 鋼材L F2與16MnD化學(xué)成分

從表中可以看出LF2鋼材的抗拉強度σb=（485～655）MPa，屈服強度σs≥250 MPa，化學(xué)成分除C、P、S含量較16MnD高，Mn含量較16MnD稍低外，其他成分和性能都很接近。而焊工對16MnD的特性較了解，焊接經(jīng)驗也相對成熟。

表2 鋼材L F2與16MnD的機械性能

根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量估算法（σb為400～700 MPa）[2]和LF2鋼的化學(xué)成分，計算得到該鋼材的碳當(dāng)量Ceq≤0.678%。當(dāng)鋼材的碳當(dāng)量＞0.6%時[3]，其焊接性差，容易產(chǎn)生淬硬組織和裂紋。焊接的關(guān)鍵是采取預(yù)熱措施，降低焊縫的冷卻速度，以減少熱影響區(qū)淬硬組織的形成，防止裂紋的產(chǎn)生；同時要選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒ā⒑附泳€能量，以保證焊縫和熱影響區(qū)的低溫韌性。因此采用焊前火焰預(yù)熱、焊后石棉保溫緩冷措施和GTAW打底焊接工藝，可防止裂紋的產(chǎn)生并細化晶粒組織。

1.2 X52鋼的焊接特性

有關(guān)資料表明[4-5]，美國API SPEC 5L-2004中X52鋼的機械性能（σb≥455 MPa，σs≥359 MPa）遠高于LF2鋼，鋼級相當(dāng)于我國GB/T 9711.1-1997中L360管道用鋼，鋼中的C含量較L360稍低，Mn含量較L360稍高，其他化學(xué)成分相同，屬于普通低合金高強度鋼。含碳量介于低碳鋼與中碳鋼之間，焊工對其工藝特性比較熟悉。

經(jīng)過估算，X52鋼的Ceq≤0.493%。當(dāng)鋼材的碳當(dāng)量為0.4%～0.6%時，焊接熱影響區(qū)淬硬性一般，但優(yōu)于LF2鋼。常溫條件下焊接時只要選用相匹配的堿性焊條，一般無需采取特殊的工藝措施。但在冬季施工時或工件為中、大厚度時，焊接熱影響區(qū)則有淬硬傾向并易產(chǎn)生冷裂紋，此時應(yīng)采取預(yù)熱和緩冷保溫措施。

1.3 法蘭與油管的焊接特點、難點與焊接方法

（1）焊接特點。法蘭與油管的焊接為LF2+X52異種鋼焊接，因為焊接接頭的化學(xué)成分、組織和性能、應(yīng)力分布的不均勻，易導(dǎo)致焊縫裂紋傾向的形成，可采取焊前預(yù)熱和焊后緩冷的措施加以預(yù)防。由于LF2鋼較X52鋼焊接性差，強度低，因此為保證焊縫的低溫韌性，在選擇焊材和實施焊接工藝時，應(yīng)盡量滿足LF2鋼一側(cè)法蘭母材的焊接需要，因而選擇50-6GTAW焊絲和含Ni的E71T8-Ni 1藥芯焊絲。

（2）焊接難點。由于其一，法蘭的管徑大，管壁厚，而埋弧焊鋼管有一定的橢圓度，與帶頸法蘭的內(nèi)徑又有一定的誤差，組對時有一定的錯邊量；其二，法蘭頸長僅100 mm，焊縫距油泵泵體也只有250 mm；其三，還有24個連接螺栓的障礙，且螺栓頂端至坡口僅55 mm；其四，為了保證進出口油管的水平度和垂直度，只能采用全位置焊接，而絕大多數(shù)焊工又只會右手施焊。因此，在實施GTAW+ FCAW焊接工藝時，要保證優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，焊接難度較大，且GTAW打底焊是關(guān)鍵。

（3）焊接方法。根據(jù)以上分析，為了保證油泵內(nèi)部的潔凈和焊縫的低溫韌性，同時又能提高焊接效率，確定采用GTAW+FCAW的組合焊接方法。

2 焊前準(zhǔn)備

（1）油泵安裝。輸油泵基座二次水泥灌漿在過了養(yǎng)護期后，再次使用百分表對基座進行微調(diào)，使螺栓與油泵底座孔處于最佳狀態(tài)。當(dāng)各項檢測指標(biāo)達標(biāo)后，可進行斜鐵與底座槽鋼、斜鐵與斜鐵之間的安裝焊接。焊接完畢，再調(diào)整、調(diào)試電機和油泵連軸器，使其水平度和垂直度≤1/20 mm（5道），此時即可進行工藝安裝。

（2）焊接設(shè)備。為了適應(yīng)野外作業(yè)，GTAW焊選用馬達發(fā)電機直流焊接電源和QQ125/350-C型簡易GTAW焊炬，為增大作業(yè)半徑，可用10～25 m長的氧氣皮管連接氬氣瓶和焊炬。對于FCAW焊工藝，則選用美國LINCOLN SAE-400型或LINCOLN DC-400型焊接電源，LINCOLN-23P送絲機。另外，配備角向磨光機、鋼絲輪、防風(fēng)設(shè)施、燃氣預(yù)熱裝置、遠紅外線測溫儀和緩冷保溫材料等。

（3）坡口清理。將法蘭和管道的V型坡口面，母材內(nèi)外表面距坡口30 mm范圍內(nèi)鐵銹和油污清理干凈，坡口鈍邊厚度磨成0～1 mm，法蘭與油泵按要求用螺栓緊固。

（4）焊縫組對。在焊縫不承受或盡可能少承受重力時，調(diào)整好法蘭與管道的空間位置，避免強力組對，以減小應(yīng)力影響，防止誘發(fā)裂紋的形成。組對時，保持對口間隙3～6 mm，并進行4～6處的GTAW固定焊，焊縫長度為50～60 mm，焊肉厚度控制在3～5 mm。點焊工藝與正式焊縫焊接工藝相同。

圖2 GTAW打底焊方法

3 GTAW打底焊技術(shù)

3.1 焊接參數(shù)

選用φ2.4 mm的Wce-20鈰鎢電極，用砂輪機磨制成圓錐形，圓錐尖端直徑0.8～1.1 mm，尖端角度35°～45°。向上焊，焊炬傾角75°～85°。鎢極伸出長度5～10 mm，電弧長度2～3 mm。φ10mm陶瓷噴嘴，短形絕緣帽，氬氣純度≥99.96%，火焰預(yù)熱溫度≥100℃，預(yù)熱寬度為母材兩側(cè)≥75mm，并采取擋風(fēng)措施。直線或搖擺運弧，焊縫厚度3～5mm。其他焊接參數(shù)見表3。

表3 GTAW焊接參數(shù)

3.2 焊接操作要點

（1）施焊時，由甲乙2名焊工同時進行焊接，見圖2，一名焊工先從3點鐘處逆時針焊至過12點鐘10～30 mm處，再從6點鐘逆時針焊到3點鐘處；另一名焊工從過6點鐘10～30 mm處順時針一次焊至12點鐘處。焊接左側(cè)時，特別是6～9點鐘處，因大都是習(xí)慣性右手操作，不會左手焊接，且有連接螺絲和法蘭的障礙，空間位置狹窄，運弧和送絲很不方便，施焊困難，可反手握焊槍，慢慢向上運弧和送絲，防止因運弧和送絲不當(dāng)或滯后，造成未焊透、熔合不良、燒穿等。

（2）為了降低母材的淬硬傾向和焊縫的冷卻速度，預(yù)防焊接裂紋的產(chǎn)生，必須正確預(yù)熱（見3.1節(jié)），并隨時用溫度檢測儀監(jiān)測焊縫溫度，當(dāng)溫度小于80℃時，應(yīng)繼續(xù)預(yù)熱至100℃方能施焊。組對點焊時，要保證足夠的固定焊縫長度和數(shù)量（見第2節(jié)）。施焊時，焊縫應(yīng)處于不受力的情況下，選用適中的焊接線能量，嚴格控制熔池的溫度、大小和形狀，使晶粒組織細化，達到提高焊縫的塑性和低溫韌性的目的。特別是法蘭一側(cè)，為了降低母材的稀釋率，電弧停留時間不宜過長，稍作穩(wěn)弧即可。送絲應(yīng)及時，位置要準(zhǔn)確，數(shù)量要適中，保證焊縫厚度在3～5 mm，焊縫與母材熔合良好。

3.3 焊接缺陷分析和對策

（1）冷裂紋。根部冷裂紋是法蘭焊接最危險的缺陷，產(chǎn)生的主要原因是：焊前未預(yù)熱或預(yù)熱溫度不夠，焊縫太薄，焊縫受應(yīng)力太大，焊縫與母材熔合不良，焊后無緩冷措施等。預(yù)防對策：焊前必須要用火焰預(yù)熱器對坡口兩側(cè)≥75 mm范圍之內(nèi)進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥100℃，這可以降低母材的淬硬傾向和焊縫的冷卻速度；保證有足夠的固定焊縫長度和數(shù)量，施焊時，焊縫最好處于不受力的狀態(tài)；采取合適的焊接線能量，嚴格控制熔池的溫度高低和形狀尺寸，使熔池始終保持稍大于坡口間隙的橢圓形，避免熔池體積過大和溫度過高導(dǎo)致法蘭一側(cè)母材過多地熔入焊縫而增加淬硬組織，盡量降低母材的稀釋率，使焊縫晶粒細化，提高焊縫的塑性和韌性，保證焊縫與母材熔合良好。焊后用石棉保溫緩冷。

（2）根部未熔合。在對X射線膠片進行評片時，若根部未熔合較嚴重時，有時也會被評判為未焊透，這是GTAW打底焊接油泵法蘭時最容易產(chǎn)生的缺陷。其原因是：間隙過小，鈍邊大，坡口角度小，電弧過長，電弧偏離坡口一側(cè)，焊接速度過快，送絲方法不當(dāng)?shù)?。采取的措施：選擇合適的坡口形式和尺寸，對局部間隙小的坡口，要打磨增大，或適當(dāng)加大焊接電流，短弧焊接，運弧時要隨時調(diào)整焊炬角度，弧柱中心在兩側(cè)坡口位置要稍有穩(wěn)弧時間，焊速要適當(dāng)，鐵水要準(zhǔn)確送達坡口根部，平穩(wěn)且數(shù)量要均勻，使坡口兩側(cè)焊肉飽滿。

（3）內(nèi)凹。內(nèi)凹是法蘭打底焊時常見的問題，主要大量出現(xiàn)在仰焊部位，系由間隙過大，焊接電流過小，送絲方法不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е?。實施的措施：嚴格裝配間隙，保證坡口間隙在3～6 mm，并選擇適合的焊接規(guī)范。采用外送絲法時，要求坡口間隙大于焊絲直徑，焊絲應(yīng)始終在法蘭與管道內(nèi)側(cè)上方1～2 mm處送達。當(dāng)間隙較小時，送絲要緊貼坡口根部，使熔化鐵水有向上頂?shù)倪\動傾向，頂?shù)牧Χ群蜁r間要憑經(jīng)驗恰到好處。否則，焊縫內(nèi)側(cè)要么焊肉低于管內(nèi)壁，要么內(nèi)側(cè)焊縫太高甚至有可能出現(xiàn)未熔化的焊絲。采用內(nèi)送絲法是防止法蘭內(nèi)凹的最有效的方法。

（4）氣孔。這是由于在打底焊時，氬氣不純，氬氣流量小，電弧過長，焊絲在熔池外停歇過遠，送進焊絲過快擾動了氬氣保護氛圍使空氣進入了熔池，輸送氬氣的皮管或焊炬漏氣，新建的廠房無門窗而擋風(fēng)不當(dāng)?shù)龋购缚p內(nèi)部產(chǎn)生了氣孔。預(yù)防的方法是：檢查或者更換皮管及焊炬，更換氬氣，采取有效的擋風(fēng)措施，堵塞法蘭和焊管兩端，適當(dāng)加大氬氣流量（由于野外施焊時周圍空氣流動和10～25 m長的輸送氬氣管道有壓降等原因，氬氣流量相對室內(nèi)作業(yè)要加大），壓短電弧，焊絲只能在熔池的邊緣和氬氣保護區(qū)內(nèi)停歇，與熔池處于若即若離的狀態(tài)，均勻運弧和送絲，保證熔池始終在穩(wěn)定的氬氣氛圍之中，無空氣入侵。

（5）夾渣和夾鎢。焊前因未能徹底清理鋼管坡口的氧化物和法蘭的防銹劑（由火焰切割留下的），或因打磨而殘留在坡口內(nèi)的粉塵，焊接時又由于焊接規(guī)范過小，這些雜質(zhì)在熔池中來不及上浮而導(dǎo)致在焊縫中形成夾渣。電鎢極因焊接法蘭使用的電流大、或因鎢極不在Ar氣有效保護區(qū)內(nèi)而被氧化；或電鎢極因與母材、焊絲碰觸而使尖端熔化落入熔池中，從而產(chǎn)生了夾鎢等。預(yù)防措施是：焊前徹底清除坡口內(nèi)外的氧化物及污物，選擇過渡式的引弧方法和適中的焊接電流，短弧施焊，運弧要穩(wěn)、準(zhǔn)。一旦發(fā)現(xiàn)電鎢極碰觸或氧化，應(yīng)立即停焊，更換新鎢極，并打磨掉被污染的焊縫后，方可繼續(xù)焊接。

4 FCAW焊接技術(shù)

4.1 焊接參數(shù)

選用φ2.0 mm的E71T8-Ni1焊絲，直流焊接電源為正極性，熱焊與根焊間隔時間＜10 min，層間溫度≥80℃，向上焊，焊槍傾角75°～90°，焊絲伸出長度15～20 mm，焊縫寬度25～35 mm，余高0～2 mm。其他焊接參數(shù)見表4。

表4 FCAW焊接參數(shù)

4.2 焊接操作

由2名焊工同時從12點鐘開始向下施焊，焊接法蘭右側(cè)時，可以右手臂與母材的接觸面為支點，雙手穩(wěn)握焊槍運弧，并隨焊槍向下小幅滑動，焊至4點鐘或5點鐘處時停焊，待調(diào)整焊姿后，再完成仰臉位置的焊接。焊接法蘭左側(cè)時，因為有法蘭和螺栓的障礙，因而不能按焊工的長期習(xí)慣操作，而是以左手臂與母材接觸面為支點進行焊接，或者是雙手懸空操作。

（1）熱焊。GTAW打底焊較纖維素焊條打底焊的焊縫要厚，且不用清根，只需采用鋼絲輪把氧化皮清理干凈并采用正常焊接操作方法進行焊接就不會產(chǎn)生缺陷。焊接難度較大的是5點鐘至7點鐘的仰焊位置，容易燒穿和夾渣，可采用滅弧焊法，或適當(dāng)減小焊接參數(shù)，短弧操作即可。

（2）填充層焊接。第2～3層填充層焊接，因為有后面一層的焊接熱處理作用，可適當(dāng)加大焊接規(guī)范。施焊時，用遠紅外線測溫儀監(jiān)測焊縫溫度，并保證層間溫度≥80℃，否則應(yīng)重新預(yù)熱。焊前用鋼絲輪清理藥皮和打磨接頭處。第2層采用單道焊，隨著焊縫坡口面的增寬，其余各層應(yīng)采取一層2道或3道的排焊法。為防止層間未熔，排焊時，焊槍角度應(yīng)以兩側(cè)坡口面與焊縫夾角（稍偏向焊縫一側(cè)）為軸運條，使焊縫形成一個與坡口熔合良好的淺U型，并根據(jù)焊縫中間凹槽深度確定中間是否再排焊1道或局部排焊，為下一層焊接做鋪墊。立焊時，由于重力作用，藥皮容易超前混入熔池形成條渣。應(yīng)短弧操作，運條幅度要小，充分排除熔渣。

（3）蓋面焊。蓋面焊縫要美觀，成形良好，具有較好的幾何形狀，則可大大提高法蘭的使用性能。焊接時，采用一層2道的排焊法。為了減小焊縫熱影響區(qū)的淬硬傾向，使晶粒細化，焊接規(guī)范較填充層應(yīng)適當(dāng)減小，運條要均勻，母材兩邊稍穩(wěn)弧，防止咬肉。第1道排焊時，最好從法蘭一側(cè)開始，坡口邊緣一側(cè)要熔合整齊，另一側(cè)的焊趾要稍過焊縫中心3～5 mm，為下一道排焊做鋪墊。第2道排焊，相當(dāng)于給法蘭一側(cè)和第1道排焊縫作一次熱處理，可提高其低溫韌性和使用性能，延長法蘭的使用壽命。排焊時，一側(cè)與母材充分熔合，圓滑過渡；另一側(cè)的焊趾要過第1道焊縫3～5 mm，且稍微穩(wěn)弧，使兩道排焊縫寬度近似相稱，中間無明顯溝槽。

（4）焊接完成后，檢查焊縫外觀，用鋼絲輪清理焊縫表面，石棉包裹保溫緩冷。24 h后可進行UT、RT檢測。

5 返修焊

返修焊采用GTAW+SMAW的工藝方法，并根據(jù)母材的強度級別和低合金異種鋼焊接時的低匹配選材原則，選用E5015焊條。施焊時，嚴格執(zhí)行焊條烘烤制度和焊前預(yù)熱和焊后保溫緩冷等焊接工藝規(guī)范。

6 結(jié)束語

（1）焊接大型進口油泵法蘭時，在確認法蘭和管道材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)和牌號后，只要將其與國產(chǎn)鋼號對號入座就能準(zhǔn)確分析其焊接特性，制訂和采取相應(yīng)的焊接工藝措施，防止焊接缺陷產(chǎn)生，保證焊接質(zhì)量。

（2）在大錦原油管道工程梨樹輸油站，按照上述焊接工藝方法，共焊接安裝了4臺8個帶頸法蘭，焊縫經(jīng)100%UT檢驗和10%RT抽檢均合格?，F(xiàn)已運行三年，未見任何異常情況。證明該工藝是可行的，實施的操作技術(shù)是正確的。

[1]中國石油化工集團公司設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站.石油化工常用國內(nèi)外金屬材料手冊[M].北京：中國石化出版社，2010：441-444.

[2]劉會杰.焊接冶金與焊接性[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：155.

[3]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊：第2卷材料的焊接[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995：61.

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[5]晏萊，高秉峰，武海波，等.海洋石油平臺井口定壓放氣閥的不停產(chǎn)更換[J].石油工程建設(shè)，2016，42（3）：33-35.

Welding Technology of L arge Oil Pump Flanges in L ong Distance Transmission Pipeline Station

DAIYuanxiong1，GUO Jianbo1，LIZequan1，YU Haiyang2，DAIWei3
1.Liaohe Oilfield Construction Engineering Company，Panjin 124010，China
2.Kunlun Energy（Liaoning） Company Limited，Panjin 124010，China
3.China Petroleum Lioahe Equipment Company Limited，Panjin 124010，China

Most of the materials of the imported large oil pump flanges follow the European or American Standard，the welders are lackofrelevant experience.Afterconfirming the materialofthe flange and according to the welding characteristics of LF2 steel（flange） and X52 steel（pipeline），ER50-6 and E71T8-Ni1 welding wires are selected and GTAW＋FCAW welding process is taken to weld pipelines and flanges of 4 oilpumps imported from Germany.The welds are qualified by RT random inspection.This paper introduces the base material weldability and welding difficulty between flange and pipeline，illustrates the determination of welding method，welding preparation，technique of GTAW backing welding，F(xiàn)CAW welding and rewelding，then provides the countermeasures for welding defects that easily occur in the project.

large oilpump flange；LF2 steel；X52 steel；dissimilar steelwelding

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.011

代淵雄（1960-），男，湖南武岡人，高級焊接技師，IWS資質(zhì)，主要從事鍋爐壓力容器和石油、天然氣站場工藝管道焊接工作。

2016-07-26

Email：daiyuanxiong@yeah.net