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浅议双V坡口对接工艺

管道一企业第一作业处 徐群成 于德飞 贾涛
摘要：介绍了STT气体保护焊打底+自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖帽工艺特点及焊接工艺，着重介绍了新型双V破口对接技术优缺点。
关键词：STT、药芯焊丝、双V坡口、半自动焊接
1、序言
西气东输二线管道工程是中国距离最长(上万多公里)、口径最大(1219mm)、管线钢级最高(X80)、设计压力最大(12MPa)世界级天然气干线管道。西气东输两条线建成，将极大地缓解南方和沿线城市、尤其是长江和珠海三角洲地域能源需求。
　　2、中国管道根本路焊接方法及工艺现实状况
　　伴随管道工程建设技术不停快速发展，管线建设和运行对安全性、经济性、管线钢质量参数、焊接质量、焊接效率和焊接技术水平全部提出了更高要求，同时，推进了焊接材料、焊接设备和焊接技术发展，也推进了焊接工艺和焊接方法更新和改善。从最初纤维素下向焊、低氢下向焊，到90年代初药芯焊丝半自动焊再到今天STT根焊、全自动焊，西方国家如：中东、俄罗斯已经普遍应用埋弧焊双联管技术。
3、工艺特点
西气东输二线工程东段半自动焊接机组关键采取STT气体保护电弧焊根焊+自保护药芯焊丝电弧焊填充、盖帽焊接工艺。17标段半自动焊机组采取是美国Lincoln企业生产IM582 L10279型接电源，配IM586-B G3152型送丝机进行根焊作业，焊材为Boehler SG3-P Φ1.2mm 实心焊丝；填充盖帽采取是Lincoln DC400焊机配L-23P送丝机，焊材为Hobart Fabshield X80 Φ2.0mm 自保护药芯焊丝。
3、1 STT气体保护焊
STT气体保护焊是一个以表面张力为关键熔滴过渡力熔化极气体保护焊。它采取独特波形控制技术，能够依据熔滴不一样过渡过程，自动调整焊接电流和电弧电压波形。在整个焊接周期里正确控制经过焊丝电流，从而达成电弧所需瞬时热量，同时处理了CO2气体保护焊短途经渡飞溅大技术难题，确保焊接电弧稳定燃烧和有效控制焊缝成形。其含有以下优点：⑥各层焊道焊完后基础上不需要打磨，节省了焊接材料和工时； 1）引弧轻易，电弧燃烧稳定；2）飞溅极小，焊接烟尘少，噪音小；3）焊缝成形美观，焊接质量好； 4）正确热输入控制能够降低焊接变形和烧穿；5）焊接成本较低；6）焊接速度快、焊接效率高；7）焊后不需清渣，节省了层间清理时间；8）轻易操作；9）焊缝含氢量低，抗裂性能好。
3、2 自保护药芯焊丝半自动焊
自保护药芯焊丝半自动焊优点是连续送丝、生产效率高、焊接质量好，尤其是自保护药芯焊丝焊接工艺性能优良，电弧稳定，成形美观，能实现全位置(下向)焊接，抗风能力强，尤其适于野外施工，是多年来应用最广一个长输管道焊接工艺。
其坡口形式分为：传统单V坡口对接，新型双V坡口对接。其中双V坡口对接技术是自西气东输一线试验以来，再一次出现在中国长输管道工程施工中。
4、双V坡口对接工艺和单V坡口对接工艺比较
4、1 双V坡口对比单V坡口形式优点（以Φ1219*18.4mm钢管为例）
4、1、1 缩短施焊时间，提升工作效率

图1 单V对接推荐焊接层数

图2 双V对接推荐焊接层数

图3 单V对接推荐焊接工艺参数

图1、图2为西气东输二线工程东段焊接工艺规程推荐焊接层数，图3为西气东输二线工程东段焊接工艺规程推荐焊接工艺参数。在施焊过程中，因为管壁厚、焊缝宽，单V坡口对接在第三、四遍填充时需进行排焊，同时盖帽也需要排焊。而双V坡口对接最大开口宽度比单V对接小4mm，从热焊到盖帽全部不需要进行排焊。这相当于节省了3遍焊接量，每道口缩短了焊接时间20-38分钟，约占整道焊口焊接时间26%-50%，极大地提升了工作效率。

图4 单V对接
图3 双V对接

假定条件:
两种对接形式对口间隙均为 a=2.0
两种对接形式钝边均为 b=1.5
现场双V坡口角度通常为30°和8°
双V对接最大开口宽度：
L双=a+2*(7-b)tan(30°)+2*（18.4-7）tan（8°）
=11.555mm （1）
单V对接最大开口宽度：
L单=a+2*（18.4-b）tan(22°)
=15.656mm （2）
4、1、2 双V坡口横截面积小，也就是焊道体积小，从而节省焊材。经过计算，一公里节省焊材约18.5kg（按单公里85根管84道焊口计算，焊材密度约为7.8g/cm3），相当于两盘半自动焊丝重量。经实际焊接总结单道口焊材消耗量约为6kg，即每公里节省焊材能够多焊接3道口。
参考图3、图4及4、1、1中假定条件：
1）双V坡口对接体积为：
图5 双V对接体积分解图
7
11.4
2
1.5
V1
V2
V3
V4

l
m
n
x
y
x
y
l
m
图5.1 双V分解
图5.2 单V分解
V2
V1

图5.1中=591.1+1.5=592.6 m=591.1+7=598.1 n=609.5
l m n全部是该点到原点距离
m-l=5.5
n-m=11.4
为高阶无穷小量
则：
V1=
=
=
=
=
=32715.63mm3
一样：
V2=
=
=34753.45mm3
V3=
=52303.75mm3
V4=
=361169.54mm3
V双= 2V1 +2V2 +V3 +V4
=548411.45mm3
2）单V对接体积为：
图5.2中l=591.1+1.5=592.6 m=609.5
l m全部是该点到原点距离
m-l=16.9
为高阶无穷小量
V单1=
=
=218916.63 mm3
V单2=
=138802.1 mm3
V单= 2V单1 +V单2
=576635.36 mm3
V差= V单-V双=28223.91mm3
可节省焊材：84×28.22391×7.8÷1000=18.5kg
4、1、3 焊接质量方面
STT气保焊自动化程度高，电弧本身调整作用强，焊接过程中电弧稳定性好，人为干扰原因少。电弧可连续燃烧，整条接头少，金属组织致密，焊接质量稳定。同时STT气保焊电弧气氛氧化性强，对焊件表面油、锈敏感性低，焊缝金属扩散氢含量低，大大提升了焊接接头力学性能和抗裂性能。
单V坡口盖帽是双道排焊，而双V坡口盖帽为单道焊，二者相比，双V坡口盖帽一次成型，焊道表面成型美观，表面缺点少。而进行排焊时极易出现排焊沟过深低于母材现象。为了处理排焊沟深得缺点通常采取是在排焊沟上补焊，不仅表面美观性差，且增加了工程量。
4、2 双V坡口对接对比单V坡口对接缺点
4、2、1 双V坡口加工更为繁琐
现在双V坡口还没有刀具模型，需要分刀坡口。在调整刀架位置时需要进过精密测量。假如两个刀架重合较多，则在连接处出现凹槽；反之会在连接处出现“平台”。
4、2、2 双V坡口对接根部更易出现气孔
在熔池金属内部存在有溶解不了或过饱和气体，当这些气体来不及从熔池中逸出时，便随熔池结晶凝固，而留在焊缝内形成气孔。CO2保护气流对焊缝有冷却作用，又无熔渣覆盖，故熔池冷却快，加之焊缝窄而深，气体逸出旅程长，增加了产生气孔可能性。经过实地考察和射线对比，辽河一建和管道三企业采取RMD焊接技术能有效降低根部气孔产生。
5、结语
STT气保护半自动根焊，自保护药芯焊丝半自动填充盖帽工艺能够在最大程度上发挥两种焊接方法优点，不仅能够确保打底焊道焊接质量，避免根焊清渣，又能发挥自保护药芯焊丝半自动焊焊接速度快、质量好优点。双V坡口对接工艺比传统坡口方法更含有焊接速度快、节省焊材、外观成型好特点，若配合RMD焊接技术能愈加好降低焊接缺点。
参考文件:
1、《焊接工程师手册》 陈祝年 机械工业出版社；
2、《STT根焊，自保护药芯焊丝半自动焊》 中石化河南石油勘探局油田建设工程企业
3、《西气东输管道工程 焊接工艺规程》 中国石油天然气管道科学研究院焊接技术中心