蘇林

（上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海市 201707）

CO2半自動單面焊雙面成型工藝在鋼管施工中的應(yīng)用

蘇林

（上海宏波工程咨詢管理有限公司,上海市 201707）

簡要介紹了大口徑輸水管道施工現(xiàn)狀及開發(fā)應(yīng)用背景,詳細介紹了新工藝應(yīng)用試驗過程和鋼管連接中CO2自動單面焊雙面成型的焊接工藝及其特點、優(yōu)越性和實際應(yīng)用,并對其工程安全、質(zhì)量、經(jīng)濟技術(shù)進行了比較。

輸水管道；鋼管；焊接；施工；CO2半自動單面焊雙面成形工藝

1 大口徑輸水管道施工現(xiàn)狀及開發(fā)應(yīng)用背景

原水管道一般采用長距離單管輸水,特別是在長江引水系統(tǒng)中,都采用鋼管壓力輸水。如果原水輸水管道由于施工質(zhì)量等問題造成爆管事故,引起自來水廠停水,將影響一大片地區(qū)的生產(chǎn)和生活用水,范圍較一般自來水供水管道要大得多。因此,對大口徑原水輸水管道的設(shè)計、施工更須嚴格要求。

2 新工藝應(yīng)用試驗過程

CO2保護焊的全稱為“二氧化碳氣體保護電弧焊”,是融化極焊接方法的一種。它采用氧化性氣體CO2作為保護介質(zhì),焊接時將電弧及熔池與空氣機械地隔離開來,從而避免有害氣體侵入,以確保形成質(zhì)量良好的焊縫。CO2保護焊成本低、生產(chǎn)效率高、變形少、焊縫質(zhì)量好,且操作方便,可以進行全位置焊接。CO2保護焊可用于多種材料的焊接,材料厚度為0.8～150 mm。

CO2保護焊焊絲可分為實芯焊絲和藥芯焊絲。藥芯焊絲CO2保護焊是以藥芯焊絲作為電極,外加二氧化碳氣體保護的焊接法。用該方法焊接后焊縫的表面有一層薄薄的渣。利用CO2保護的藥芯焊絲,既有CO2保護焊的特點,又具有焊條手工電弧焊的特點,從保護的角度來看是屬于氣渣聯(lián)合保護的焊接法。這種保護更有效地防止空氣中氧、痰、氫等有害氣體和液態(tài)金屬的相互作用,以獲得優(yōu)質(zhì)的焊縫。

藥芯焊絲CO2保護焊的特點是:（1）生產(chǎn)效率高,是手工電弧焊的3～5倍；（2）工藝性能好,飛濺少且成細顆粒,焊縫成形美觀；（3）對焊接電源特性無特殊要求；（4）調(diào)節(jié)焊絲芯部的合金劑及其比例,可以焊接和堆焊不同成分的鋼材。

另外,與手工電弧焊相比,藥芯焊絲CO2保護焊熔較大,在具有相同的焊腳時,增加了焊縫的計算截面,提高了焊縫的計算強度。藥芯焊絲CO2保護焊法適宜焊接中厚板,尤其適用于一般難于實現(xiàn)機械化焊接的各部位,不規(guī)則的短焊縫和角焊縫,且電弧可見,操作方便,具有較好的工藝性能。

CO2半自動單面焊雙面成型工藝是利用CO2保護半自動焊工藝配用相應(yīng)的襯墊材料,已達到正面焊接反面同時成形的目的,用的焊接材料由襯墊、焊絲和CO2氣體組成。此種工藝已在船舶制造行業(yè)中得到應(yīng)用,但在大型輸水鋼管野外施工中的應(yīng)用還沒有先例。

在實驗過程中,首先選定了適用于野外作業(yè)的輕便型焊機,先后購進2臺日本松下KR500 CO2焊機,并使用多種焊絲、襯墊在舊鋼管上進行初步試驗。焊絲與襯墊的匹配,直接影響后期焊接接頭的機械性能和抗裂性,當焊接不同的鋼材時應(yīng)選用不同型號的焊絲與之匹配以達到預(yù)期效果。通過不斷摸索,最終選定了既經(jīng)濟又能與焊機匹配的焊絲及襯墊材料,即:國產(chǎn)YJ501-11.2藥芯焊絲及上海耐火材料廠TSHD-1 600 mm陶瓷襯墊。

TSHD-1型單面焊襯墊是耐火陶瓷襯塊黏貼在涂著膠水的鋁帶上制成,可以在任何位置下襯貼。襯墊成形槽寬為14 mm,焊接時坡口根部間隙要求可在較寬的范圍內(nèi)變動,只要范圍選擇適當,操作合理,均能得到良好的反面成形焊縫。

CO2氣體作為焊接時的保護氣體,防止空氣侵入焊接區(qū),但若CO2氣體內(nèi)其含水量較高時,則易在焊縫中形成氣孔,因此CO2氣體純度不應(yīng)小于99.5%。為減少CO2氣體中的水分,通?？蓪馄康怪?～2 h,打開倒置氣瓶的氣閥,放水2～3次即可,使用時應(yīng)先放出瓶上部水分較多氣體,另外,還可在焊接氣路系統(tǒng)中串聯(lián)一個干燥器或預(yù)熱器。

由于施工現(xiàn)場焊接條件較差,所以在廠里進行的實驗?zāi)芊裨诂F(xiàn)場排管中取得相同的效果是非常重要的。針對溝槽內(nèi)鋼管較臟、較潮濕等情況,在要求管道拼裝符合要求的基礎(chǔ)上,還要求焊工在焊接前必須清理掉管端泥漿垃圾,對坡口打磨,并用割刀對焊縫周邊加熱烘干,然后再在管壁下部黏貼襯墊,從管壁上部進行焊接。試驗相當成功,對現(xiàn)場焊接的鋼管進行拍片檢驗全部合格。

3 CO2半自動單面焊雙面成型工藝

3.1工藝概況及編制依據(jù)

CO2半自動單面焊雙面成型工藝,以CO2氣體作為保護介質(zhì),采用藥芯焊絲,配以陶瓷襯墊,通過焊絲自動進給的手工操作來完成焊接工程。

實驗證明,本工藝只要裝配質(zhì)量符合要求,操作得當,一般均能獲得成形良好的焊縫,但裝配間隙或板材位差不合要求以及焊接時操作不當,也可能產(chǎn)生一些焊接缺陷,必須引起重視。

3.2 適用范圍

本工藝適用于牌號為Q235A或相似的材料,板厚為13.5～25 mm,管徑大于1 370 mm的輸水鋼管的上半圓（外焊）和下半圓（內(nèi)焊）對接接頭。

3.3 裝配要求

3.3.1 基本要求

本工藝的焊接質(zhì)量,在很大程度上取決于工件邊緣的加工質(zhì)量,接頭與接頭處的清潔程度及裝配質(zhì)量,其基本要求如下:

（1）工件的坡口形為V形

當板厚＞18 mm時,坡口a=40°,±（1～5）°,間隙21,C=5±。

當板厚≤18 mm時,坡口a=50°,±（1～5）°,間隙同上,C=5±。

（2）裝配板厚差應(yīng)≤2 mm。

（3）工作邊緣可采用剪切、刨邊、自動或半自動氣割加工,但不能有留根。在裝配前應(yīng)清除油、油漆、水、泥、黃銹及氣割毛刺。清除范圍除坡口面外,還應(yīng)包括內(nèi)外焊接面焊縫兩側(cè)各30 mm和貼襯墊面焊縫兩側(cè)各50 mm的范圍。

（4）裝配時采用“∩”形馬板定位,馬板可安裝在焊縫正面或背面,視現(xiàn)場情況定。馬板外形尺寸及安裝間距應(yīng)以保證焊接質(zhì)量為準,但安裝在焊縫正面時,安裝間距應(yīng)大于500 mm,以減少接頭及部分接頭凹坑的處理。馬板可在成形焊縫和第一層打底焊縫施焊后敲除。

3.3.2 焊接材料要求

本工藝所用焊絲、CO2氣體和襯墊須經(jīng)工藝試驗相互匹配,以保證焊接接頭的機械性能和內(nèi)在質(zhì)量。

（1）焊絲:本工藝配用中船總公司461廠牌號為YJ501-1或其他與母材相應(yīng)等級的Ф1.2 mm藥芯焊絲。當成形施焊和第一層打底焊縫施焊后,以后各層可繼續(xù)使用該藥芯焊絲繼續(xù)施焊,也可采用結(jié)422焊條施焊至焊縫全部結(jié)束。焊絲在保管和施工中表面應(yīng)無油、銹及臟物,并應(yīng)保持干燥。

（2）CO2氣體:CO2氣體作為焊接時的保護氣體,防止空氣侵入焊接區(qū),應(yīng)采用純度大于99.5%,含水量低的CO2氣體（必要時可倒置一段時間后再用）。

（3）襯墊:襯墊應(yīng)保持干燥,當板厚差大于2 mm時,需用厚薄板形襯墊。

3.3.3 焊接工藝要求

（1）一般工藝要求

a.CO2氣體使用時應(yīng)經(jīng)預(yù)熱,焊槍各部件的連接應(yīng)保證氣密；

b.導(dǎo)電嘴不允許伸出噴嘴外,導(dǎo)電嘴縮進噴嘴的距離為0～3 mm；

c.焊接時,焊炬噴嘴要求基本上與焊縫垂直,焊接接頭應(yīng)避免明顯凸起,收弧時熔池應(yīng)受延時氣體保護,且弧坑應(yīng)填滿；

d.每層施焊厚度約4～5 mm,不宜過大,最后一層打底焊高度應(yīng)離上口1～2 mm。

（2）襯墊安裝

安裝時要使襯墊凹槽中心的紅線對準間隙中心,在2根襯墊連接處應(yīng)緊密相連,以免造成背面成型呈“竹節(jié)”狀。襯墊就位后,應(yīng)使鋁箔與鋼板貼緊抹平,以免焊接過程中襯墊坍塌。襯墊安裝后不能受潮或過夜。

（3）焊接參數(shù)見表1。

表1 焊接參數(shù)

應(yīng)先調(diào)電流,后調(diào)電壓至適宜。成形道焊縫施焊時電流不宜過大。當風速＞2 m/s時,可適當加大氣體流量。

4 新工藝在具體施工中的應(yīng)用

1995年,在長江引水工程泰二標排灌施工中碰到特殊情況,敷設(shè)的2.6 m口徑鋼管要穿越康得利集裝箱中轉(zhuǎn)貨場,長度達1 200 m。該貨場原為征用農(nóng)田,表面僅用道渣壓實平整,進出的大型集裝箱卡車重約30 t,外部力量經(jīng)常對管道沖擊,極易造成管道底部開裂,如按原來施工焊接工藝拼接鋼管,工程質(zhì)量難以保證。為此,在該地區(qū)采用了CO2半自動單面焊雙面成型工藝。實際焊接費用雖比常規(guī)手工焊接費用增加了29%,但由于不需要留出管外焊接位置,溝槽可以適當減小,此段管道施工采用了局部板狀處理窄溝槽進占方式,土方量及前期賠償費明顯減少,對貨場生產(chǎn)的影響也降到了最小限度,總費用大大降低。

5 工程安全、質(zhì)量、經(jīng)濟技術(shù)比較

CO2半自動單面焊雙面成型工藝的應(yīng)用解決了輸水管道施工中存在的安全、質(zhì)量隱患。由于不需要留出管外焊接位置,溝槽可以大大減小,焊工在管下危險區(qū)域停留時間減少,因此安全性提高,焊接質(zhì)量也能得到保證。長江引水工程泰二標排管中使用該工藝拍片結(jié)果為:三級片占30%,二級片占70%,達到優(yōu)良級水平。施工速度明顯加快,施工工期有了保證,這在重大項目建設(shè)中是非常重要的。

應(yīng)用新工藝后,實際焊接費用比手工焊接費用增加了29%（見表2、表3）。

表2 CO2保護焊耗用材料費用統(tǒng)計

表3 手工電弧焊接耗用材料費用統(tǒng)計

但是,由于焊接費用在排管成本中只占很小比例（見表4）,可以忽略不計,因而經(jīng)濟效益是很明顯的。在實際應(yīng)用中,輸水鋼管上半圓外焊仍使用手工電弧焊,僅在下半圓內(nèi)焊使用CO2保護焊,兩種焊接方法結(jié)合使用,還可適當節(jié)約一些焊接費用。

表4 CO2保護焊接排管成本統(tǒng)計

以長江引水泰二標項目情況為例,由于成功應(yīng)用了二氧化碳氣體保護焊新工藝,全線板樁窄溝槽施工,使排管溝槽寬度得以最大限度降低,與原設(shè)計圖大開挖方案比較,僅1.2 km排管就為工程節(jié)約前期借地費、場地修復(fù)費用等超過100萬元。作為施工單位,在結(jié)算成本時發(fā)現(xiàn),每根管子鋪設(shè)可減少開挖土方8.8 m3（費用約250元）,可減少打樁8根（10 m長板樁,費用約1 000元）及節(jié)約相應(yīng)的機械費用,從而降低施工成本約5%,經(jīng)濟效益是很明顯的。

對于長江引水工程這樣單管壓力輸水的引水鋼管,在使用了CO2保護焊后,由于對接質(zhì)量明顯提高,其承壓能力也相應(yīng)提高,這就為以后鋼管的供水能力的提高創(chuàng)造了條件,預(yù)計創(chuàng)造的經(jīng)濟效益是非?？捎^的。

總之,雖從焊接成本來講,新工藝應(yīng)用前后費用相差無幾,但應(yīng)用了新工藝后,輸水鋼管對接功效有較大提高,管道質(zhì)量、施工安全明顯提高,間接產(chǎn)生的經(jīng)濟和社會效益是巨大的。

6 結(jié)語

CO2半自動單面焊雙面成型工藝在大口徑管道中的應(yīng)用取得成功,現(xiàn)場拍片鑒定達到優(yōu)良級水平,施工質(zhì)量明顯提高,施工人員安全得到保障,經(jīng)濟效益、社會效益顯著。

這項工藝本身是成熟的技術(shù),但成功應(yīng)用于大口徑鋼管施工尚屬首創(chuàng),在實際應(yīng)用中從施工現(xiàn)場的具體情況出發(fā),結(jié)合排管中的其他技術(shù)措施,取得了很好的效果。

通過實踐,認為使用松下KR500二氧化碳焊機比較輕便,國產(chǎn)YJ501-1.2藥芯焊絲及TSHD-1 600 mm襯墊對13.5～25 mm厚度的普板卷管是適用的,且比較經(jīng)濟。建議將這項新工藝在今后大型引水工程或其他相似工程中推廣應(yīng)用。

TU990.3

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1009-7716（2017）07-0273-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.083

2017-03-16

蘇林（1973-）,男,四川綿陽人,總監(jiān)理工程師,工程師,從事工程監(jiān)理工作。