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厚壁管的高效焊接技术

管道焊接是船舶建造的一项重要焊接工作。近年来,随着我国船舶工业的快速发展,市场竞争的不断加剧,管道施工作业的竞争越来越激烈,开展管道施工高效焊接的技术研究,降低成本,提高焊接质量具有十分重要的意义。该文主要讲述了对厚壁管制造和焊接的优化措施和先进理念。将管子制造和焊接相结合,采用先进的制造工艺和合理的焊接技术,降低了生产成本和劳动强度,提高了焊接生产效率,稳定了焊接质量。

随着世界经济的逐渐复苏,对高附加值、高新船舶的需求将随之增大,各种新型材料,各种厚壁管的制造将增多。如何提高管道焊接效率,降低焊接施工成本,是每个企业追求的目标。船用厚壁管是近年来高附加值、高技术船舶的必用船管。管壁厚度大都在20m以上,而且都需100%的X拍片检验,以往我们都采用传统制作工艺的方式来校管和焊接,虽然也能达到标准要求,但工作效率不高。去年,我公司承接了上海船厂的海工船高压海水系统的厚壁管制造任务,工作量大且周期短,如果按照传统的制造工艺,肯定无法按时完工。为此,我公司制定了一套新型的制造方式和焊接方法,最终提前完成了该产品的制造和焊接任务。

1厚壁管传统制作焊接工艺的弊端

1.1劳动强度大,工作效率低

此次承接厚壁管的管道口径是168mm×22mm,一根管道加上法兰一般最起码也有300kg~400kg,如图1所示。

如果管道稍长的话就更重了,靠人力根本无法搬动。按照传统焊接方法每焊1/2层焊缝就得翻动一次管道,且全得依靠行车来吊运。如果按照每一层焊缝在3mm左右,那焊完整条焊缝大约15道焊缝,如图2所示。

为了确保下一层焊缝的正常进行,必须对上道焊缝进行清渣处理,并对焊缝表面缺陷进行必要的修补和打磨处理。按照每一圈焊缝打磨4个接头,那必须打磨约60个焊缝接头,且焊完整道焊缝最起码翻动7次。实际操作下来,就算一个熟练的焊工要完成整道焊缝也需要工作5h左右。直接制约了我们焊接施工进度,劳动强度之大可想而知。

1.2反面焊缝质量难以保证

按照传统的焊接方法,我们一般都采用手工钨极氩弧焊单面焊双面成型打底,手工焊条电弧焊或药芯焊丝CO2焊填充盖面的方式。在打底焊时,坡口由于在合理范围内错边,坡口根部宽窄不均,或者焊丝和坡口被污染的情况下就会在焊缝中产生气孔、表面裂纹、未熔合或咬边等缺陷。再熟练的焊工,也不能说保证反面的焊缝100%合格。由于管道是整体装配,相对靠里面焊缝死角处的缺陷难以被发现,由于不能及时进行清理和返修,直接影响了焊缝质量。

1.3 X拍片合格率低,返修难度大

如图1中一根管道上有6道焊缝,一个熟练的焊工把它全部焊完也须30h左右。就算两个焊工同时施焊,平均一个焊工也须两个工作日。在这样长期高强度、高压力的工作状态之下,谁能保证每层焊缝的焊接质量和焊接工效。再如前所述,由于管道整体装配,打底焊反面的焊缝质量难以保证,如经X拍片检验不合格,必须把不合格的那段焊缝刨致坡口根部,打磨干净后再重新焊接,随即还需X拍片检验。工序繁琐,返修难度高,局部修补焊接应力极大也是极其令人担心的问题。

1.4焊后管道易产生裂纹和变形,安装困难,焊后工艺复杂

由于焊接过程中要进行清渣打磨等处理,焊缝整体不能连续施焊,焊缝应力增大,管道容易产生裂纹、变形和收缩。特别是厚壁管,由于管道壁厚较大,结构刚性也较大,焊接时容易产生较大的焊接残余应力。在焊接残余应力和扩散氢的共同作用下,焊接接头易产生冷裂纹,因此焊后还需经过热处理来降低焊缝残余应力。由于不能整体连续施焊,管壁厚,焊道多,特别是每焊1/2道焊缝要进行打磨,打磨过程相当于对焊缝进行冷却。因此焊缝刚性也极大,焊缝残余应力也相应增大,管道就容易产生变形和收缩。为了便于安装,变形较大的,在安装前还需要进行火工矫正来抵消原先产生的焊接变形。综上所述,厚壁管整体制造焊接的弊端显而易见。不仅费时费力,还难以保证焊缝质量。但是,如果采用了我们所研制的新制造工艺和焊接方法,以上所有的弊端迎刃而解。不但焊接时间能缩短5倍左右,焊工的劳动强度也显著降低,且焊缝质量也得以保证。下面就将研制成果与大家分享。

2厚壁管新型制造工艺和焊接方法

2.1厚壁管合理装配工艺

把图1中整根管道分成三段,如图3所示。

逐段进行装配和焊接,而且使每条焊缝都能处于平对接的位置来焊接。如图3中的第一段和第二段焊缝就可以直接将管子放置压棍式变位机(以下简称变位机)中进行焊接,如图4所示。

以图3中的第三和第四道焊缝为例,如果两段焊缝之间距离够长,就可以直接将中间管道放置变位机中,如图5所示。

如果中间管段长度不够放置变位机中,可以另外加一段1m左右同径口的辅助管道。将辅助管道一端加工成45°斜坡,然后与第三或第四道焊道的弯头相连接,使其与母体管道处于同一水平线,垂直于所焊焊缝,然后将辅助管道放致变位机中,如图6所示。

等三段管子四条焊缝焊接完毕,经X拍片合格后,再重新完整组装管道。用图6中同样的方式来焊接。由于管道的重心偏失,在变位机转动的过程中,管道运行至下坡段时,会产生不规则的向下跳跃运行现象,直接影响焊缝质量。为了使管道在变位机中能够平稳运转,我们在母管管道的对称面搭焊了相同质量的物体,如图7所示。

2.2厚壁管先进的焊接技术

采用V型坡口,用手工钨极氩弧焊单面焊双面成型的方式打底。CO2药芯焊丝填充盖面。如表1所示。

打底前将焊道进行预热,有利于氩弧焊焊接,可降低焊缝残余应力,减少根部淬硬倾向,预热温度为100°C左右,预热宽度从对口中心开始,每侧不小于焊件厚度的三倍且不小于100mm。由于管壁较厚,拘束度大,为防止焊缝根部产生裂纹,打底焊厚度应不小于3mm。打底焊结束并检查焊缝无缺陷后,应立即进行填充,填充盖面都采用CO2药芯焊丝进行焊接。第一层、第二层填充焊时,采用传统的焊接方式,焊至整圈焊缝的三分之一处应停止焊接,进行清渣和焊缝接头打磨,然后再焊完余下三分之二的焊缝,由于第一层、第二层焊缝处于坡口根部,焊缝相对狭窄,焊接电流应控制在保证铁水拉得开、熔池清晰、熔合良好的前提下,提高焊接速度,减少焊层厚度,使焊缝中的氢易溢出,保证焊缝质量。填充焊的第三层开始,我们就可以采用连续焊,即一个熟练的焊工搭配一个小工,焊工在焊接的同时小工在对面及时地进行清渣处理,如图8所示。

中间不停顿,没有焊接接头,不用打磨修补。由于管壁厚,坡口较宽,连续施焊时线能量容易超出评定值,接头金属组织将变得粗大。为了控制线能量,层间温度必须控制在200℃~300℃之间,为了防止层间温度过高,我们填充焊焊至焊道高度的三分之二处时,应停止焊接,焊工也正好得以休息,但应时刻注意焊缝层间的温度,当焊缝层间温度降至200℃时,开始重新施焊,直至填充焊结束。休息片刻后进行盖面。在焊接过程中,喷嘴的位置与角度非常重要,在变位机平稳转动的同时,喷嘴应始终成45°角左右保持在上坡位置(11∶00~12∶00之间),如图9所示。

喷嘴与焊缝之间的距离保持在10mm左右,这样熔滴生成后始终托附在熔池之中,使焊缝根部冶金反应充分,气体易溢出,消除气孔。且药渣也始终跑在熔池的前面,不易产生未熔合夹渣,焊缝质量得以保证。由于管道短、焊缝少,且是滚动焊接,因此管道除了在长度上缩短而不产生任何角变形,这对管系来说十分重要。因为没有了角变形,焊后残余应力相应减少,也就无须进行热处理,只须用石棉布将焊缝包裹严实,保温缓冷即可。

3采用新型技术后的实施结果

3.1降低劳动强度,提高工作效率

由于进行分段装配与施焊,我们每条焊缝都可以采用平对接的方式来焊接。管道也根本不用翻动,且焊接过程中无须考虑清渣和清根打磨,可以连续施焊,而恰恰是清渣和清根打磨占据了拍片焊中大部分时间。同样口径的管道,同样熟练的焊工一整道焊缝从填充到盖面结束,只需要1h左右,比传统的焊接速度整整提高了5倍左右。且装配时间也根本没有增加,只不过分两个时段进行而已。在减轻焊工劳动强度的同时也显著提高了工作效率。

3.2反面焊缝得以保证

采用分段焊以后,由于管道变短,管道里面的每条焊缝都能清晰地看到,根本不存在焊缝死角。若发现焊缝缺陷及时进行修补和打磨,直到焊缝完好为止,打底焊缝的质量得以保证。

3.3 X拍片合格率高

由于采用了方便、简洁的焊接方法,减少了焊接接头,相比立焊的电流也有所增大,层间温度相对平稳,消除了层间未熔合和夹渣等缺陷。且能轻松掌握焊层厚度,焊层厚度越薄,焊缝的质量就越好,拍片合格率就越高。到目前为止,我们拍片合格率基本达到100%。

3.4焊后变形小,易安装

由于实施了分段装配和焊接,平均每段管道的焊缝也就只有一到二条,到最后装配完毕,所需焊接的焊缝一般就剩一道。且前面其余焊缝的残余应力也基本释放完毕,管道形状趋于平稳。再进行总装焊接,焊接时整根管道的热量相对减小,刚性也减小,焊缝残余应力也随之降低,管道就不易产生变形和收缩,尺寸可精确到1mm左右,基本可以说没有变形,易于船上整体接装。

3.5焊接难度显著降低

如果按照传统方式来焊接,焊接难度极高,一般焊工难以完成此产品的焊接任务,最起码由一个高级工或高级工以上的焊工才能高质量完成。而运用创新的焊接方法来焊接此产品,由于采用了平对接的焊接方式,只要对一个初级焊工进行3~5天的培训,让焊工掌握正确的焊接方法和焊接角度,能准确地调试焊接电流与电压,就能出色地完成此产品的焊接。在降低了焊接难度的同时也降低了单位用工成本。

4结束语

高效焊接方法不仅是现代船舶制造的主要工艺之一,而且对于船舶行业的发展具有深远意义。随着管道焊接技术的进一步发展,施工单位希望大幅度提高大口径厚壁钢管焊接施工质量和效率,减少单位作业面设备组成数量,降低生产成本和劳动强度。新型材料管道焊接技术的进一步发展,是管道实施高效焊接的发展趋势。

文章作者:不锈钢管|大口径不锈钢管|不锈钢厚壁管|大口径厚壁钢管|厚壁不锈钢管

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