一种窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法与流程

1.本发明涉及管道对接焊技术领域，具体而言，涉及一种窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法。


背景技术：

2.石油天然气运输主要依靠管道完成，油气长输管道壁厚大，拘束度大，焊缝残余应力大，易导致焊后产生热裂纹，服役过程中也可能产生冷裂纹，导致管道安全运输存在极大的隐患。另外，厚壁管道焊接时按照常规双面v形坡口参数焊接需要填充大量的焊丝或焊条，不仅造成材料浪费，还容易导致焊接热量累积输入过大的问题，致使焊接接头热影响区过宽、组织晶粒粗化等问题，严重影响管道接头的机械性能。
3.对于上述问题，现有技术大都是只关注其一，例如窄间隙焊接是利用特殊设计的极限尺寸焊枪深入未加工坡口的对接工件内部进行焊接的方法，侧壁熔合的稳定性一直是该方法应用中面临的主要问题，目前采用的旋转电极、磁控电弧等均未很好的解决，另外，厚板的窄间隙焊接接头也存在较大的焊后残余应力，该问题也未能良好的解决。目前对于焊接应力的控制方法主要有预热、锤击、去应力退火、机械拉伸、时效处理等。其中，预热为预处理方法，但对于厚壁管道均匀预热需要较长时间，且预热温度与实际焊接温度仍存在较大差距，这导致焊后应力改善不明显。其他方法均为事后处理，需要在焊后单独增加工序，导致生产效率降低，更重要的是，厚壁管道焊接多为野外现场作业，且构件体积庞大，往往没有条件进行退火、拉伸，而自然时效耗时过长，热时效需要大体积时效炉。目前，同时兼顾厚壁管道焊接的填充和应力控制的技术尚未见报道。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提供一种窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.本发明提供一种窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法，在两段管道的对接位置分别加工阶梯形坡口，并且两个所述阶梯形坡口之间具有窄间隙；采用激振器使一段所述管道在其固有频率下受迫振动；然后，在两个所述阶梯形坡口之间对两段所述管道进行焊接。
7.本发明的上述技术方案的有益效果在于：阶梯形的窄间隙坡口，能够加强斜面和根部的熔合稳定性，保证了接头成形质量，降低了接头金属量的填充，节省了焊材；降低了焊接时的热影响范围。激振器在焊接过程中全程进行振动作业，可以在整体上均匀的进行应力消除；在焊接的同时振动，相当于对焊接熔池金属进行一定频率的机械搅拌，有利于减少气孔、夹渣等焊接缺陷。
8.本发明还可以通过以下进一步技术方案实现：
9.进一步，每个所述阶梯形坡口包括斜面和阶梯部；所述阶梯部的阶梯顶面与所述斜面连接，并且两者之间的夹角为钝角；所述阶梯部的端面为钝边；两个所述阶梯形坡口之间的窄间隙为两条所述钝边之间的间隙，所述窄间隙宽度为l1，l1的值为1-2mm；所述钝边
122的高度为l2，l2的值为1-3mm。
10.采用上述进一步方案的有益效果是，上述具体的窄间隙阶梯形坡口的结构，能够进一步保证焊接时，斜面和根部的熔合稳定性。
11.进一步，两个所述阶梯形坡口关于两个钝边距离的中点所在的竖直面对称；两个所述阶梯形坡口的所述斜面之间的夹角角度为30
°
；两个所述阶梯形坡口的所述阶梯顶面之间的夹角角度为145
°
。
12.采用上述进一步方案的有益效果是，上述角度能够在保证焊接效果的同时，进一步节省焊材。
13.进一步，包括以下步骤：
14.s1、在两段所述管道的对接位置分别加工阶梯形坡口，将两个所述阶梯形坡口相对布置；
15.s2、采用工装夹具分别夹持两段所述管道；
16.s3、将所述激振器固定于任一所述管道的下方，并将激振头与两段所述管道直接接触；
17.s4、打开所述激振器电源，扫描并自动检测所述管道的固有频率；
18.s5、调节所述激振器的振动频率使其与所述管道的固有频率相等，使所述管道受迫振动；
19.s6、将焊接装置的焊接头设置于两段所述管道的阶梯形坡口的位置，并沿周向转动将两段所述管道焊接；
20.s7、焊接结束后，关闭所述焊接装置，并使所述管道保持受迫振动；保持完毕后，关闭所述激振器电源。
21.采用上述进一步方案的有益效果是，上述具体方法步骤简单、便于操作。
22.进一步，所述步骤s2中，在所述工装夹具与所述管道之间安装弹性橡胶垫。
23.采用上述进一步方案的有益效果是，弹性橡胶垫可起到缓冲作用，防止焊接过程中，管道受迫振动使影响工装夹具夹持的稳定性。
24.进一步，在所述步骤s6进行焊接前，清理两段所述管道的阶梯形坡口内、阶梯形坡口附近的管壁上的油污、氧化皮。
25.采用上述进一步方案的有益效果是，防止影响焊接过程和焊接质量。
26.进一步，所述步骤s7中，所述管道保持受迫振动的时间大于或等于30分钟。
27.采用上述进一步方案的有益效果是，在焊接完毕后继续保持受迫振动，相当于进一步延长对焊接熔池金属的机械搅拌时间，从而提高焊接质量。
28.进一步，焊接方法为非熔化极惰性气体保护焊、熔化极气体保护焊和二氧化碳气体保护焊中的一种。
29.进一步，所述管道的管壁厚度为10-60mm。
30.进一步，所述管道得材料为碳素钢、合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金中的一种。
附图说明
31.图1为本发明的窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法，一个实施例中，窄间距的阶梯
形坡口的结构示意图；
32.图2为本发明的窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法，在进行焊接时各装置装配的主视图；
33.图3为本发明的窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法，在进行焊接时各装置装配的剖面图。
34.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
35.1、管道；11、斜面；12、阶梯部；121、阶梯顶面；122、钝边；
36.2、激振器；3、工装夹具；4、弹性橡胶垫；5、焊接装置；
37.l1、窄间隙；l2、钝边的高度。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
39.如图1-3所示，本发明的窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法，在两段管道1的对接位置分别加工阶梯形坡口，并且两个阶梯形坡口之间具有窄间隙；采用激振器2使两段管道1在其固有频率下受迫振动；在两段管道1保持受迫振动时，在两个阶梯形坡口之间对两段管道1进行焊接。
40.本发明的窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法，其阶梯形的窄间隙坡口，能够加强坡口斜面和根部的熔合稳定性，保证了接头成形质量，避免了常规形状的窄间隙焊接的坡口侧壁熔合不良的问题，也避免了v形坡口的根部熔合稳定性不良的问题。同时，阶梯形的坡口还降低了接头金属量的填充，节省了焊材；降低了焊接时的热影响范围。采用激振器2在焊接过程中全程进行振动作业，可以在整体上均匀的进行应力消除，效果显著的优于传统的锤击方式。另外，通过激振器2使管道1在焊接的同时振动，相当于对焊接熔池金属进行一定频率的机械搅拌，有利于减少气孔、夹渣等焊接缺陷。
41.本发明的窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法，与传统的焊后再进行应力消除措施相比，可在焊接的同时进行应力消除，减少一道工序，大幅提高效率，降低成本。
42.另外，由于激振器2的便携性高，采用激振器2对管道1进行受迫振动，使该方法尤其适合于野外现场焊接应力消除，且不受构件大小和材料的限制，对于大型构件焊接应力消除具有突出的优越性。
43.具体而言，本发明的对焊方法，其窄间隙的阶梯形坡口的结构具体为：每个阶梯形坡口包括斜面11和阶梯部12；阶梯部12的阶梯顶面121与斜面11连接，并且两者之间的夹角为钝角；阶梯部12的端面为钝边122。这样，两个阶梯形坡口对应布置时，具有间隙，并且呈上宽下窄的形状；位于根部的两条钝边122之间的间隙即为上述的窄间隙，窄间隙的宽度l1的值为1-2mm。同时，钝边122的高度l2为1-3mm。
44.上述具体的窄间隙阶梯形坡口的结构，能够进一步保证焊接时，斜面11和根部的熔合稳定性。同时，阶梯形坡口还能避免u形坡口的加工难度大、坡口侧壁容易出现未熔合等缺陷。
45.对于两个斜面11之间、两个阶梯顶面121之间的角度，原则上可根据实际需求进行具体调整。在本发明的一个实施例中，两个阶梯形坡口关于两个钝边距离的中点所在的竖
直面对称；两个阶梯形坡口的斜面11之间的夹角角度为30
°
；两个阶梯形坡口的阶梯顶面121之间的夹角角度为145
°
。
46.优选的，本发明可采用的焊接具体方法为非熔化极惰性气体保护焊(gtaw)、熔化极气体保护焊(gmaw)和二氧化碳气体保护焊中的一种。
47.优选的，本发明厚壁管道，具体是指管壁厚度为10-60mm的管道1。
48.优选的，本发明的方法所焊接的管道1，其材料为碳素钢、合金钢、不锈钢、铝合金、钛合金、镁合金中的一种。
49.本发明的窄坡口低应力的厚壁管道对焊方法，包括以下步骤：
50.s1、在两段管道1的对接位置分别预先加工阶梯形坡口，将两个阶梯形坡口相对布置，并且两个阶梯形坡口之间具有窄间隙。
51.s2、采用工装夹具3分别夹持两段管道1，确保待焊的两段管道1的两侧阶梯形坡口的位置精确对应。
52.优选的，在工装夹具3与管道1之间安装弹性橡胶垫4；弹性橡胶垫4可起到缓冲作用，防止焊接过程中，管道1受迫振动使影响工装夹具3夹持的稳定性。
53.s3、将激振器2固定于任一所述管道1的下方，并将其激振头与两段管道1直接接触；需要说明的是，可以采用任何能够实现该连接方式的形式，图2中的示出的具体连接关系仅为示意图，并不代表实际的具体结构。
54.s4、打开激振器2电源，扫描并自动检测管道1的固有频率。
55.s5、调节激振器2的振动频率使其与管道1的固有频率相等，使管道1受迫振动；待激振器2正常工作后打开焊接装置5的电源，准备在管道1受迫振动的同时进行焊接。
56.s6、将焊接装置5的焊接头设置于两段管道1的阶梯形坡口的位置，并沿周向转动将两段管道1焊接。
57.s7、焊接结束后，关闭焊接装置5，并使管道1保持受迫振动；保持完毕后，关闭激振器2电源；保持受迫振动的时间大于或等于30分钟。在焊接完毕后继续保持受迫振动，相当于进一步延长对焊接熔池金属的机械搅拌时间，从而提高焊接质量。
58.优选的，在步骤s6进行焊接前，或在上述步骤整体开始前，先清理两段管道1的阶梯形坡口内、阶梯形坡口附近的管壁上的油污、氧化皮，防止影响焊接过程和焊接质量。
59.以下通过具体的实施例对本发明的上述方案进行举例说明：
60.实施例
61.本实施例采用上述方法焊接管壁厚度为20mm的7a52铝合金gil管道，该管道的内径为1000mm。
62.本实施例加工的阶梯形坡口的具体结构如上所述，窄间隙l1的宽度为1.5mm，钝边122的高度l2为2mm。两个阶梯形坡口的斜面11之间的夹角角度为30
°
；两个阶梯形坡口的阶梯顶面121之间的夹角角度为145
°
。
63.采用上述步骤s1
ˉ
s7的方法进行焊接，焊接完成后，保持受迫振动的时间为30分钟。
64.本实施例的焊接过程结束后，焊缝未产生热裂纹。说明本实施例的焊接效果好，焊接质量高。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示
例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
66.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。