袁 和，于晨陽，侯晶晶，姜 泊

（陜煤集團(tuán)榆林化學(xué)有限責(zé)任公司，陜西 榆林 719000）

1 焊接工藝

1.1 焊接材料

采用不同的管材，焊接方式不同，母材和焊縫的力學(xué)性能也不盡相同。合理選擇管道材料和壁厚是保證工程設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵技術(shù)，是管道設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)。

焊接工作應(yīng)在室內(nèi)或防風(fēng)、防雨設(shè)施中進(jìn)行，焊接環(huán)境的濕度應(yīng)小于80%；低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接環(huán)境溫度不應(yīng)低于5 ℃，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼不應(yīng)低于0 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度或相對(duì)濕度未滿足上述要求時(shí)，焊接前需采取預(yù)熱和除濕加熱措施。在工程建設(shè)中，焊接預(yù)熱除濕加熱要求：焊接環(huán)境的濕度應(yīng)小于80%，采取烘烤加熱除濕后方可施焊。

焊前預(yù)熱范圍為焊縫兩側(cè)100 mm 以上，距離焊縫30～50 mm 范圍內(nèi)測(cè)溫。焊接材料必須檢驗(yàn)合格后方可使用，焊條表面無油污、銹跡等影響焊接質(zhì)量的污染物。研究表明[1]，焊劑和焊條烘干和保存溫度必須滿足相關(guān)要求，如表1 所示。

表1 焊接材料保存規(guī)定

1.2 焊接方法

埋弧焊接工藝廣泛應(yīng)用于管道、壓力容器和儲(chǔ)罐等領(lǐng)域。埋弧焊接工藝常用于在較厚板材的焊接行業(yè)，其高熔敷率和行進(jìn)速度會(huì)對(duì)工人的生產(chǎn)力、效率和生產(chǎn)成本產(chǎn)生顯著影響，這也是埋弧焊技術(shù)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)之一；其次焊縫具有優(yōu)良的化學(xué)成分和力學(xué)性能，電弧能見度極小，焊接煙塵少，工作環(huán)境舒適度提高，焊縫形狀和焊趾線良好。

氬弧焊（TIG 焊接）是一種采用氬氣作為保護(hù)氣體的焊接技術(shù)即在電弧焊周圍通上氬氣保護(hù)氣體，隔絕焊接區(qū)外的空氣，防止焊接區(qū)氧化。金屬焊材在氬氣保護(hù)下，通過大電流使焊材熔化成液態(tài)，在待焊母材上形成熔池，使焊材和待焊金屬達(dá)到冶金結(jié)合。由于高溫熔融焊時(shí)不斷地供應(yīng)氬氣，焊材不能與空氣中的氧氣接觸，從而防止了焊材的氧化，不銹鋼和黑色金屬主要采用TIG 焊接技術(shù)。

手工電弧焊是一種采用人工操作電極進(jìn)行焊接的電弧焊方法。手工電弧焊采用多種方法保護(hù)焊接熔池不與大氣接觸，熱能由電弧提供。由于所需設(shè)備簡(jiǎn)單，操作靈活，便于不同空間、不同接頭形成的焊縫進(jìn)行焊接，因此被廣泛使用。與MIG 焊一樣，電極是自耗電極，金屬電極外由礦物質(zhì)熔劑包覆，當(dāng)熔劑熔化時(shí)，形成覆蓋熔池的熔渣（藥皮）。手工焊的焊接材料為焊條，它由鋼芯和包在鋼芯外的藥皮組成。藥皮的化學(xué)成分對(duì)電弧的穩(wěn)定性、熔深、金屬熔敷率和定位能力有很大影響。焊接前，要先檢查焊機(jī)設(shè)備和工具的安全性，接地保護(hù)裝置必須齊全有效，同時(shí)焊機(jī)必須裝設(shè)電焊機(jī)空載自動(dòng)斷電保護(hù)裝置。

2 焊接接頭評(píng)定方法

焊接工藝評(píng)定的方法有很多種，根據(jù)焊接方法、材料的不同性能和不同的使用要求等進(jìn)行焊接性能評(píng)定。總體來說，焊接性能評(píng)價(jià)主要包括以下幾個(gè)方面：表面檢驗(yàn)、焊縫接頭處力學(xué)性能和理化性能檢測(cè)、無損檢測(cè)以及抗腐蝕試驗(yàn)來評(píng)定金屬材料焊接性能的好壞。

2.1 焊縫外觀檢驗(yàn)

所有焊縫應(yīng)待焊縫金屬冷卻后進(jìn)行外觀檢查，并且所有焊縫不得有裂紋、未熔合、焊瘤、燒穿、夾渣、未填滿弧坑及焊漏等缺陷，咬邊、余高、氣孔、焊腳尺寸應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 焊接接頭力學(xué)性能檢測(cè)方法

在管道焊接過程中，母材、焊縫以及熱影響區(qū)的性能對(duì)于保證管道長(zhǎng)周期平穩(wěn)運(yùn)行有很重要的影響。因此，對(duì)不同材質(zhì)的焊接接頭進(jìn)行顯微組織分析和理化性能試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭的性能進(jìn)行分析，為后續(xù)調(diào)整焊接工藝參數(shù)據(jù)提供理論參考。焊接接頭性能評(píng)價(jià)方法如表2 所示。

表2 焊接接頭測(cè)試方法

2.3 焊縫無損檢測(cè)

在管道焊接過程中的質(zhì)量把關(guān)尤為重要，無損探傷是保證管道焊接質(zhì)量重要方法。無損探傷只能對(duì)外觀檢查合格的焊縫進(jìn)行檢測(cè)，且應(yīng)在焊接24 小時(shí)后進(jìn)行無損探傷，對(duì)于材質(zhì)厚度≥30 mm 的鋼板焊縫，應(yīng)在焊接48 小時(shí)之后應(yīng)進(jìn)行無損探傷。焊縫級(jí)別、檢驗(yàn)方法、探傷比例、探傷部位、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。管道焊縫無損探傷方法包括：X 射線、超聲波、磁粉、滲透、射線等，探傷部位、探傷比例以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

2.4 焊接接頭抗腐蝕性能研究

焊接接頭處是管道最薄弱的部位，金屬材料在焊接過程中由于溫度變化而發(fā)生相變，導(dǎo)致母材和焊縫處的金屬成分顯微組織不同，從而引起該部位電位差，形成腐蝕原電池，電位較低處迅速發(fā)生腐蝕[2]。焊縫、熱影響區(qū)優(yōu)先受到陰陽離子的侵蝕，通過模擬管道實(shí)際工況下的腐蝕失重試驗(yàn)，利用SEM、EDS 及XPS 等技術(shù)手段，研究焊接接頭處的微觀形貌和腐蝕產(chǎn)物，利用電化學(xué)腐蝕行為測(cè)試技術(shù)，分析其電化學(xué)腐蝕規(guī)律以及耐腐蝕機(jī)理。這樣就可以明確該管道的腐蝕機(jī)制和耐蝕機(jī)理，從而計(jì)算出該管道的服役周期，也為今后管道的腐蝕防護(hù)指明方向，同時(shí)也可以采取有效的措施抑制管道的腐蝕進(jìn)程。

3 影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的因素

影響母材疲勞強(qiáng)度的因素主要有應(yīng)力集中、截面尺寸、表面狀態(tài)、加載條件、介質(zhì)等，這些因素對(duì)焊接接頭的疲勞強(qiáng)度也有非常重要的影響。此外，焊接結(jié)構(gòu)本身的一些特性，如焊縫附近的焊接接頭性能的變化、焊接殘余應(yīng)力等都會(huì)影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。

3.1 應(yīng)力集中的影響

在焊接過程中，由于接頭處的應(yīng)力集中程度不同，對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生不同的不利影響[3]。

1）對(duì)接焊縫：應(yīng)力集中小于其他類型的接頭，過大的余高直接導(dǎo)致焊縫處應(yīng)力集中，從而降低了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。如果對(duì)焊接進(jìn)行機(jī)械加工，應(yīng)力集中會(huì)大大降低，對(duì)接接頭的疲勞強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)提高。

2）T 型和十字接頭的應(yīng)力集中系數(shù)＞對(duì)接接頭的應(yīng)力集中系數(shù)，因此T 型和十字接頭的疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)低于對(duì)接接頭。

提高T 型和十字接頭疲勞強(qiáng)度的根本措施是開坡口焊接，并處理焊縫過渡區(qū)，使之過渡平滑；T 型接頭和經(jīng)過機(jī)械加工的接頭疲勞強(qiáng)度較高；而T 型接頭和未經(jīng)加工的接頭的疲勞強(qiáng)度較低。這是因?yàn)榉菍?duì)稱的T 型接頭上的偏心力矩減小了過渡區(qū)的應(yīng)力，其應(yīng)力集中低于對(duì)稱的十字接頭。

3）側(cè)面焊縫的搭接接頭疲勞強(qiáng)度最低（只為母材的34%）。

4）采用所謂“加強(qiáng)”蓋板的對(duì)接接頭是極不合理的：試驗(yàn)結(jié)果表明，在這種情況下，疲勞強(qiáng)度較高的對(duì)接接頭被大大地削弱了。

3.2 近縫區(qū)金屬性能變化的影響

1）低碳鋼和低合金鋼接頭處附近金屬力學(xué)性能的變化對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度影響較小。

2）高強(qiáng)鋼焊接時(shí)，近縫區(qū)金屬性能變化的影響取決于接頭的匹配性：對(duì)于高組配的焊接接頭（即軟、硬焊接接頭），力學(xué)性能的不均勻性對(duì)接頭的疲勞強(qiáng)度影響不大，此時(shí)接頭的疲勞強(qiáng)度取決于較軟的基本金屬。

3.3 殘余應(yīng)力的影響

焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響是人們普遍關(guān)注的問題，專家學(xué)者在該問題上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和研究工作，該試驗(yàn)一般通過試樣的疲勞試驗(yàn)與焊接應(yīng)力和熱處理消除內(nèi)應(yīng)力后的試樣來進(jìn)行比較。由于焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生往往伴隨著焊接熱循環(huán)引起的材料性能變化，熱處理在消除內(nèi)應(yīng)力的同時(shí)也恢復(fù)或部分恢復(fù)了材料的性能。

消除內(nèi)應(yīng)力后試樣的疲勞強(qiáng)度高于最終處理后的疲勞強(qiáng)度，應(yīng)力集中度越高，內(nèi)應(yīng)力的影響力越大。

3.4 缺陷的影響

焊接缺陷對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響大小與缺陷的類型、尺寸、取向和位置有關(guān)。板材缺陷（如裂紋、未熔合、末焊透）的影響＞帶圓角的缺陷（如氣孔等）的影響；表面缺陷＞內(nèi)部缺陷的影響；垂直于受力方向的板材缺陷影響＞其它方向的影響；位于殘余拉應(yīng)力區(qū)的缺陷的影響＞位于殘余壓應(yīng)力區(qū)缺陷的影響；位于應(yīng)力集中區(qū)的缺陷(如焊縫趾部裂紋)的影響＞同一缺陷在均勻應(yīng)力場(chǎng)中的影響。

4 影響焊接變形的原因及因素

4.1 焊接變形產(chǎn)生的原因

簡(jiǎn)單來說，就是由于鋼材在焊接過程中受熱熔化后，由于熱脹冷縮，導(dǎo)致鋼材在冷卻收縮過程中收縮不平衡造成的。

焊接變形的影響因素中鋼結(jié)構(gòu)的焊接過程是一個(gè)加熱和冷卻不均勻的過程。焊接時(shí)，焊縫及其附近的溫度很高，而遠(yuǎn)處大部分金屬?zèng)]有受熱，主體金屬的膨脹和收縮不均勻。冷卻后，焊縫就產(chǎn)生了不同程度的收縮和內(nèi)應(yīng)力（縱向和橫向），導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的各種變形。

4.2 影響焊接變形的因素

1）材料因素

主要是由于材料本身的物理特性造成的，尤其是材料的熱膨脹系數(shù)以及屈服極限還有彈性模量等對(duì)材料的作用，膨脹系數(shù)越大的材料其焊接變形量就越大，彈性模量增大焊接變形隨之減少，而屈服極限大的則會(huì)造成較高的殘余應(yīng)力造成變形增大。不銹鋼的膨脹系數(shù)大于碳鋼的膨脹系數(shù)因此同等厚度的兩種材料不銹鋼的焊接變形的趨勢(shì)大于碳鋼的。

2）結(jié)構(gòu)因素

焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)焊接變形的影響最為關(guān)鍵，總體原則是隨著拘束程度的增加，焊接殘余應(yīng)力增加，焊接變形相應(yīng)減少。

3）工藝因素

主要影響的因素是焊接方式、焊接熱輸入（電流和電壓）、元件的定位或者固定方法、焊接順序，焊接夾具的使用等。

5 結(jié)論

煤制乙二醇管道的焊接問題是影響裝置平穩(wěn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的主要瓶頸之一，越來越受到相關(guān)企業(yè)的關(guān)注，但關(guān)鍵部位的焊接以及各種缺陷的修復(fù)仍缺乏試驗(yàn)支撐，是未來研究的重點(diǎn)。通過優(yōu)化系統(tǒng)焊接工藝和提升精細(xì)化工藝的操作水平，能夠最大限度降低焊接工藝對(duì)設(shè)備運(yùn)行的影響，確保維護(hù)系統(tǒng)的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。