天然气压缩机管道焊接变形问题的研究.pdf

第2 3 卷第2 期 2 0 1 3年 6 月 江 汉 石 油 科 技 J n NGHAN P ET ROI EUM S C I EN C E AND T ECHNOL OGY V0 1 ． 2 3 No ． 2 J u n ． 2 0 1 3 天然气压缩机管道焊接变形问题的研究 卢 薏 江汉石 油钻头股份有 限公 司武汉压 缩机分公 司 ，湖北武 汉 4 3 0 0 4 0 摘要天然气压缩机管道焊接变形的危害很 多，如降低装配质量、增加制造成本 ，降低接头性能、降 低 结构的承载能力等 ，针对焊接变形问题提 出预 防和控制的设计措施、选择合理的坡 口形式、减 少焊缝的数 量、合理安排焊缝位置 、变形之后的矫 正方法等，使天然气压缩机管道的焊接变形问题得到较好的解决。 关键词 管道；焊缝 ；焊接 变形；天然气压缩机 天然气压缩机在天然气输送过程中起增压作 用 ，为满足不同的工况需求，分为很多种规格 ，有 些压缩机压缩级数很多，流程复杂，管线也很复 杂 ，对管道 的要求也就越高。一般来就 ，三级压缩 的天然气压缩机管道上的焊缝数量有近百条 ，级数 越多，焊缝数量越大。而且，由于这些管线形状大 小不一， 较难实现机械化焊接作业，所以目 前这些 焊缝都是靠手工焊接而成的。然而，手工作业不如 机械化作业标准，它与焊工的水平有很大关系。除 了焊缝质量不一，在管线回装过程中，还发现部分 管线产生了焊接变形。对此，从设计和工艺等方面 提出了一些预防和控制焊接变形的措施 ，以减少管 道的焊接变形。 1 焊接变形 1 ． 1 焊接变形的危害 为了提高天然气压缩机的制造质量，必须对焊 接变形加以控制。焊 接变形对天然气压缩机的影响 主要体现在以下几个方面 1 ． 1 ． 1 降低装配质量 管道焊接前需要在天然气压缩机上进行组对 ， 确定好位置之后点焊固定， 再拿下来进行焊接。因 是压力管道，焊完之后还要进行无损检测和液压试 验，必要时还要做焊后热处理 ，最后再把管线与压 缩机组装在一起。如在这过程 中， 产生了较大的焊 接变形，整条管线组装起来就会变得很困难，甚至 无法组装上去。 1 ． 1 ．2 使管线的组装变得困难 管道的焊接变形使管线的组装变得困难，需要 矫正才能进行组装。焊后矫正残余变形的工序，费 工，耗资，既延误生产周期，又造成制造成本的上 升 。如果变形过大 ，无法与压缩机组装在一起 ，将 造成很大的浪费。即便是通过矫正能装上去，矫正 过的那部分相对来说，性能会有所降低。 1 ． 1 ． 3 降低结构的承载能力 管道的焊接变形不仅影响结构尺寸精度和外 形 ，而且在 外载作 用下会引起 应力集 中和附加应 力，使结构承载能力下降。天然气压缩机工作时管 道里有气流脉动，加上发动机带动曲轴旋转，会有 一 定的振动，若管道存在焊接变形，矫正过的部位 在振动下应力得到释放 ，易产生裂纹 ，而天然气压 缩机的压缩介质是天然气，一旦因裂纹而发生天然 气泄露，后果是非常严重的。 1 ． 2 焊接变形的成因与分类 焊接是不均匀加热过程 ，热源只集 中在焊接部 位 ，且以一定的速度向前移动，焊件由于局部的高 温加热和快速冷却，在焊缝及其母材近缝区内产生 热应力变形和压缩塑性应力变形而引起 内应力 ，导 致构件产生变形。 焊件上残留下来的变形称焊接残余变形，它直 接影响焊接结构的使用性能。按变形后的形态分， 作 者简介 卢 意 ，2 0 0 9 年毕 业于 中国石油大学 华东 材料成型及控制工程专业 ，现在江钻股份有 限 公司武汉压缩机 分公 司从事技术工作 。 江 汉 石 油 科 技 第2 3 卷 焊接变形可分为横向收缩 、纵 向收缩 、 弯曲变形、扭曲变形等。 回转变形 、 2 ． 1 ． 4 合理安排焊缝位置 管道的焊接变形 问题主要表现在两个方面 纵 向收缩与弯曲变形。 2 焊接变形的预防与控制 2 ． 1 设计措施 2 ． 1 ． 1 选择合理的焊缝尺寸 在保证结构有足够承载能力的前提下，应采用 尽量小的焊缝尺寸。如果焊缝 尺寸越大 ，焊接量就 越大 ，焊接变形也就越大。 所以在管道的焊接过程中，焊缝的余高不宜过大， 一 般来说，正面余高不能大于壁厚的1 5 ％，且不大 于4 m m；背面余高不能大于1 ． 5 m m。另外，装配间 隙也不宜过大。 2 ． 1 ． 2 选择合理的坡 口形式 相同厚度平板对接焊，开带钝边的单面V 形坡 口的角变形大于带钝边的双面V 形坡口，也大于带 钝边的单面U 形坡 口。 管道 里面不方便焊接 ，所 以 ，不能采用双 面 焊。可采用带钝边的u 形坡口。但现场焊前准备过 程中，u 形坡口的加工较v 形坡口 来说更为困难。 2 ． 1 ． 3减少焊缝的数量 焊缝数量不宜过多。焊缝过于密集，产生的热 量大 ，焊接变形就越大 。 压力管道规范 工业管道 第4 部分 制作与安 装里规定 ，直管段上两对接环焊缝中心面间的距 离 ，当公称直径大于或等于1 5 0 ra m 时 ，就不小于 1 5 0 m m；当公称直径小于1 5 0 mm时 ，应不小于管子 外径 。 在焊缝结构设计 时，尽可能在对称 于截面中性 轴，或接近于中性轴的位置上安排焊缝。对于管道 的焊接， 焊缝确实是对称的，但连续焊也可以造成 较 大 的变形 。如条件允许 ，可采用对称施焊 的方 法 。 比如 ，把管道分为4 4 “ 1 ／ 4 圆周 ，对称施焊 ，施 焊时的焊接顺序如图1 ， 对于直径大于2 1 9 ra m的管 道 ，宜对称焊 ，两名 焊工施焊 时的焊接速度应基本 一 致，焊接顺序如图2 。 2 _ 2 工艺措施 2 ． 2 ． 1 选择合理的焊接方法和焊接参数 能量集中和热输入较低的焊接方法，可有效地 降低焊接变形。用C 0 2 气体 保护焊焊接中厚钢板的变形比用气焊的和焊条 电弧焊的小得多， 更薄的板可以采用氩弧焊等方法 焊接。 在保证焊接质量和力学性能的前提下， 选用较 低的线能量，能有效地防止焊接变形。 采用C 0 2 气体保护焊焊接天然气压缩机管道不 仅可以降低焊接变形 ，还可以提高生产效率， 但这 种焊接方法适不适合压力管道 ，还有待研究 。 2 ． 2 ． 2 选择合理的装配和焊接顺序 焊接结构的装配和焊接顺序将给钢结构的变形 带来较大的影响。为了使焊缝 能 自由收缩 ，一般情 况下 ，同时存在对接焊缝和断续焊缝时，先焊连续 焊缝 。焊接 时 ，应对称焊接 ，对于不对称焊缝的焊 接先焊焊缝少 的一侧 。 天然气压缩机管道焊接的焊缝都是连续对称焊 缝 ，所以装配顺序尤为重要。一般都是先焊管道上 图1 d ≤2 1 9 mm焊序 图2 d 2 1 9 mm焊序 第2 期 卢意 天 然 气压 缩机 管 道焊接 变形 问题 的研 究 A - B 0 ． 可用热校 图3 管道反变形法示意图 图4 火 焰矫 正 法示 意图 与固定端 如洗涤罐 、空冷器等 连接较近的焊 缝。 2 ． 2 ． 3刚性 固定 法 焊件被夹紧，处于不能 自由变形 的条件下施 焊，这样可减小焊后变形。但这样一来 ，很容易产 生焊接残余应力，可用锤击焊缝和加热减应区①的 方法来降低残余应力。 天然气压缩机管道的焊接有很大一部分在现场 进行 ，而且管线的大小形状不一，用工装进行固定 较为困难。不过可以在适当的位置点固工艺斜拉 筋，即对所需焊的管道点焊固定相对位置，再焊上 工艺斜拉筋，使其在焊接后不发生变形。待焊缝完 全冷却后再把工艺斜拉筋去除。 2 ．2 ． 4反 变形 法 焊前使焊件具有一个与焊后变形方向相反，大 a 图5 管道 打点 示意 图 小相当的变形 ，以便恰好能抵消焊接时产生的变 形 。有一个 问题就是 ，焊前必须准确地估计焊后可 能产生的变形方向的大小。 管道的焊接，可采用如图3 所示的方法。 2 ． 2 ． 5散 热法 散热法又称强迫冷却法，是把焊接处的热量迅 速散走， 使焊缝附近金属受热 区域大大减小 ，以达到减少焊接变形的目的。 但应注意散热法不适用于具有淬火倾向的钢板。 有些天然气压缩选用奥氏体不锈钢材质的管 道，在焊这些管道的时候，可以边焊边用水冷却焊 缝、热影响区，这样既可以防止焊接热裂纹的产 生 ，又可以防止焊接变形。 3 焊接变形的矫正 3 ． 1 机械矫正法 机械矫正法就是利用外力使构件产生与焊接变 7 0 江 汉 石 油 科 技 第2 3 卷 形方向相反的塑性变形， 使两者互相抵消。这种方 法只适于结构简单的中、小型焊件。天然气压缩机 的管道最好不要采用此方法。 3 _2 火焰矫正法 火焰矫正法就是 以火焰为热源对金属局部进行 加热，使之产生压缩塑性变形 ， 冷却时该金属发生 收缩，利用此收缩所产生的变形去抵消焊接引起的 残余变形。需要注意的是，火焰矫正的加热位置通 常都远离焊缝。 在管线组装时 ，会 出现变形 ，比如造成法兰错 位 ，可以采用这个方法 。用氧 乙炔火焰或液化石油 气火焰烘烤间隙小的一面 如图4 ，烘烤的形状 为马鞍孔形 。管道烤至一定温度后用冷水急冷管 壁 ，使管壁收缩以起到纠正偏差的作用。烘烤的形 状 、面积和温度应根据经验而定 ，但温度应控制在 不破坏金属 的内部结构和过烧 的范围内。此法因而 不易用在不锈钢管、高碳、高锰等合金管上。对于 太大的不平行和不对 中度的管道要割下法兰重焊 ， 决不能勉强凑合复位。 4 焊接变形的定量分析 焊接变形是没办法完全消除的，但这样的话 ， 我们就可以粗略地测定某一种焊接工艺下的焊接变 形量，然后在管线的组装工艺上做出一些改变，以 适应这种变形；或者采用更佳的焊接工艺，试图减 少变形。 针对车间管道焊接 的情 况 ，可以采用这种 方 法。在点焊固定两管道后，在两管管壁做上一些记 号点，如图4 所示。两管道上相邻两点应在同一条 水平线上 。分别测量水 平线 上两点 的距离a 、b 、 c 、d ⋯⋯这些距离应该做到基本一致。 焊前，应在始焊位置做好标记， 并确定焊接方 向。焊接完后，再测量这些点的距离 ，分别得出 a 、b 、c 、d ⋯⋯分别减去a 、b 、c 、d ⋯⋯ 得出距离差 。根据这些距离差就可以知道管道的收 缩程度以及变形程度 ，见图5 。 因为两水平点的距离不太 ，得出的距离差可能 会很小。但如果管道很长的话 ，在管道的另一端可 能就会产生很大的偏移。所以，这些距离的测量有 一 定的实际意义。 5 结论 天然气压缩机的管线因形状大小多变，且需要 与如洗涤罐、空冷器等固定端组装在一起，故其管 道的焊接有一定的特殊性， 所以其焊接变形问题就 有一些专门的预防和处理措施 ，这些措施包括设计 上的也包括工艺上的。但这些措施仍不能完全解决 焊接变形问题，所以我们需要根据积累起来的经验 让变形问题变得具有适应性，也就是说在管线组装 前主动考虑焊接变形的问题。如此，可以使天然气 压缩机管道的焊接变形问题得到较好的解决。 参考文献 [ 1 】 陈祝年． 焊接工程师手珊 M 】 匕 京机械工业出版社． 2 0 1 0 ． 【 2 】 张一凡． 不锈钢管道焊接变形控制[ J ] ． 热力发 电， 2 0 0 7 ， 6 1 2 3 1 2 4 [ 3 ] 张在新． R D S 压缩机管线组装规范【 M】 ． 江汉石油管理局第 三机械厂． 2 0 0 6 ． 【 4 ] 斯重遥等． 焊接手册[ M】 ． 北京机械工业出版社． 1 9 9 2 ． 编辑李智勇