长输管道站场大型油泵法兰的焊接技术

代渊雄，郭建波，黎泽权，于海洋，代 薇

1.辽河油田建设工程公司，辽宁盘锦 124012

2.昆仑能源（辽宁）有限公司，辽宁盘锦 124010

3.渤海装备辽河重工有限公司，辽宁盘锦 124010

长输管道站场大型油泵法兰的焊接技术

代渊雄1，郭建波1，黎泽权1，于海洋2，代 薇3

1.辽河油田建设工程公司，辽宁盘锦 124012

2.昆仑能源（辽宁）有限公司，辽宁盘锦 124010

3.渤海装备辽河重工有限公司，辽宁盘锦 124010

进口大型油泵法兰的材质大都执行欧洲或美国标准，焊工接触少，无成熟的焊接操作经验可借鉴。在确认法兰的材质后，根据LF2（法兰）、X52（管道）两种钢材的焊接特性，选择了ER50-6和E71T8-Ni1焊丝，采取GTAW+FCAW的工艺，在大庆-锦西原油管道梨树输油站，成功完成了4台德国进口输油泵的法兰与油管的焊接，焊缝经RT抽检合格。在简要介绍了母材的焊接性、法兰与油管焊接难点的基础上，较详细地论述了焊接方法的确定、焊前准备、GTAW打底焊、FCAW焊、返修焊技术，并针对该工程中易出现的焊接缺陷提出了相应的对策。该焊接经验对类似工程有一定的参考意义。

大型油泵法兰；LF2钢材；X52钢材；异种钢焊接

1 母材的焊接性与焊接方法

1.1 法兰的焊接特性

大庆-锦西原油管道工程梨树输油站，新建输油泵房需安装4台德国进口的电机-油泵一体式输油泵，每台价值300余万美元，质量18t。油泵进出口原配带颈焊接法兰见图1，规格分别为D 609.6 mm× 24.6 mm和D 457.2 mm×19 mm，颈长100 mm。机加工V型坡口，钝边2 mm，坡口顶端距泵体仅250 mm。φ41 mm螺栓24个，螺帽间隙最大32 mm，最小只有26 mm。材质为LF2，需分别与国产X52埋弧焊钢管焊接，焊缝要求100%UT检测，I级为合格，且10%RT抽检，Ⅱ级为合格。

图1 油泵法兰

对应于美国ASTM A350 LF2[1]系-35℃级的低温钢、锻钢，钢材在-35℃时具有与常温条件下同样的强度、塑性和韧性，钢材相当于我国 JB 4727-2000中的16MnD，其化学成分和机械性能对比见表1～2。

表1 钢材L F2与16MnD化学成分

从表中可以看出LF2钢材的抗拉强度σb=（485～655）MPa，屈服强度σs≥250 MPa，化学成分除C、P、S含量较16MnD高，Mn含量较16MnD稍低外，其他成分和性能都很接近。而焊工对16MnD的特性较了解，焊接经验也相对成熟。

表2 钢材L F2与16MnD的机械性能

根据国际焊接学会推荐的碳当量估算法（σb为400～700 MPa）[2]和LF2钢的化学成分，计算得到该钢材的碳当量Ceq≤0.678%。当钢材的碳当量＞0.6%时[3]，其焊接性差，容易产生淬硬组织和裂纹。焊接的关键是采取预热措施，降低焊缝的冷却速度，以减少热影响区淬硬组织的形成，防止裂纹的产生；同时要选择适当的焊接方法、焊接线能量，以保证焊缝和热影响区的低温韧性。因此采用焊前火焰预热、焊后石棉保温缓冷措施和GTAW打底焊接工艺，可防止裂纹的产生并细化晶粒组织。

1.2 X52钢的焊接特性

有关资料表明[4-5]，美国API SPEC 5L-2004中X52钢的机械性能（σb≥455 MPa，σs≥359 MPa）远高于LF2钢，钢级相当于我国GB/T 9711.1-1997中L360管道用钢，钢中的C含量较L360稍低，Mn含量较L360稍高，其他化学成分相同，属于普通低合金高强度钢。含碳量介于低碳钢与中碳钢之间，焊工对其工艺特性比较熟悉。

经过估算，X52钢的Ceq≤0.493%。当钢材的碳当量为0.4%～0.6%时，焊接热影响区淬硬性一般，但优于LF2钢。常温条件下焊接时只要选用相匹配的碱性焊条，一般无需采取特殊的工艺措施。但在冬季施工时或工件为中、大厚度时，焊接热影响区则有淬硬倾向并易产生冷裂纹，此时应采取预热和缓冷保温措施。

1.3 法兰与油管的焊接特点、难点与焊接方法

（1）焊接特点。法兰与油管的焊接为LF2+X52异种钢焊接，因为焊接接头的化学成分、组织和性能、应力分布的不均匀，易导致焊缝裂纹倾向的形成，可采取焊前预热和焊后缓冷的措施加以预防。由于LF2钢较X52钢焊接性差，强度低，因此为保证焊缝的低温韧性，在选择焊材和实施焊接工艺时，应尽量满足LF2钢一侧法兰母材的焊接需要，因而选择50-6GTAW焊丝和含Ni的E71T8-Ni 1药芯焊丝。

（2）焊接难点。由于其一，法兰的管径大，管壁厚，而埋弧焊钢管有一定的椭圆度，与带颈法兰的内径又有一定的误差，组对时有一定的错边量；其二，法兰颈长仅100 mm，焊缝距油泵泵体也只有250 mm；其三，还有24个连接螺栓的障碍，且螺栓顶端至坡口仅55 mm；其四，为了保证进出口油管的水平度和垂直度，只能采用全位置焊接，而绝大多数焊工又只会右手施焊。因此，在实施GTAW+ FCAW焊接工艺时，要保证优质的焊接接头，焊接难度较大，且GTAW打底焊是关键。

（3）焊接方法。根据以上分析，为了保证油泵内部的洁净和焊缝的低温韧性，同时又能提高焊接效率，确定采用GTAW+FCAW的组合焊接方法。

2 焊前准备

（1）油泵安装。输油泵基座二次水泥灌浆在过了养护期后，再次使用百分表对基座进行微调，使螺栓与油泵底座孔处于最佳状态。当各项检测指标达标后，可进行斜铁与底座槽钢、斜铁与斜铁之间的安装焊接。焊接完毕，再调整、调试电机和油泵连轴器，使其水平度和垂直度≤1/20 mm（5道），此时即可进行工艺安装。

（2）焊接设备。为了适应野外作业，GTAW焊选用马达发电机直流焊接电源和QQ125/350-C型简易GTAW焊炬，为增大作业半径，可用10～25 m长的氧气皮管连接氩气瓶和焊炬。对于FCAW焊工艺，则选用美国LINCOLN SAE-400型或LINCOLN DC-400型焊接电源，LINCOLN-23P送丝机。另外，配备角向磨光机、钢丝轮、防风设施、燃气预热装置、远红外线测温仪和缓冷保温材料等。

（3）坡口清理。将法兰和管道的V型坡口面，母材内外表面距坡口30 mm范围内铁锈和油污清理干净，坡口钝边厚度磨成0～1 mm，法兰与油泵按要求用螺栓紧固。

（4）焊缝组对。在焊缝不承受或尽可能少承受重力时，调整好法兰与管道的空间位置，避免强力组对，以减小应力影响，防止诱发裂纹的形成。组对时，保持对口间隙3～6 mm，并进行4～6处的GTAW固定焊，焊缝长度为50～60 mm，焊肉厚度控制在3～5 mm。点焊工艺与正式焊缝焊接工艺相同。

图2 GTAW打底焊方法

3 GTAW打底焊技术

3.1 焊接参数

选用φ2.4 mm的Wce-20铈钨电极，用砂轮机磨制成圆锥形，圆锥尖端直径0.8～1.1 mm，尖端角度35°～45°。向上焊，焊炬倾角75°～85°。钨极伸出长度5～10 mm，电弧长度2～3 mm。φ10mm陶瓷喷嘴，短形绝缘帽，氩气纯度≥99.96%，火焰预热温度≥100℃，预热宽度为母材两侧≥75mm，并采取挡风措施。直线或摇摆运弧，焊缝厚度3～5mm。其他焊接参数见表3。

表3 GTAW焊接参数

3.2 焊接操作要点

（1）施焊时，由甲乙2名焊工同时进行焊接，见图2，一名焊工先从3点钟处逆时针焊至过12点钟10～30 mm处，再从6点钟逆时针焊到3点钟处；另一名焊工从过6点钟10～30 mm处顺时针一次焊至12点钟处。焊接左侧时，特别是6～9点钟处，因大都是习惯性右手操作，不会左手焊接，且有连接螺丝和法兰的障碍，空间位置狭窄，运弧和送丝很不方便，施焊困难，可反手握焊枪，慢慢向上运弧和送丝，防止因运弧和送丝不当或滞后，造成未焊透、熔合不良、烧穿等。

（2）为了降低母材的淬硬倾向和焊缝的冷却速度，预防焊接裂纹的产生，必须正确预热（见3.1节），并随时用温度检测仪监测焊缝温度，当温度小于80℃时，应继续预热至100℃方能施焊。组对点焊时，要保证足够的固定焊缝长度和数量（见第2节）。施焊时，焊缝应处于不受力的情况下，选用适中的焊接线能量，严格控制熔池的温度、大小和形状，使晶粒组织细化，达到提高焊缝的塑性和低温韧性的目的。特别是法兰一侧，为了降低母材的稀释率，电弧停留时间不宜过长，稍作稳弧即可。送丝应及时，位置要准确，数量要适中，保证焊缝厚度在3～5 mm，焊缝与母材熔合良好。

3.3 焊接缺陷分析和对策

（1）冷裂纹。根部冷裂纹是法兰焊接最危险的缺陷，产生的主要原因是：焊前未预热或预热温度不够，焊缝太薄，焊缝受应力太大，焊缝与母材熔合不良，焊后无缓冷措施等。预防对策：焊前必须要用火焰预热器对坡口两侧≥75 mm范围之内进行预热，预热温度≥100℃，这可以降低母材的淬硬倾向和焊缝的冷却速度；保证有足够的固定焊缝长度和数量，施焊时，焊缝最好处于不受力的状态；采取合适的焊接线能量，严格控制熔池的温度高低和形状尺寸，使熔池始终保持稍大于坡口间隙的椭圆形，避免熔池体积过大和温度过高导致法兰一侧母材过多地熔入焊缝而增加淬硬组织，尽量降低母材的稀释率，使焊缝晶粒细化，提高焊缝的塑性和韧性，保证焊缝与母材熔合良好。焊后用石棉保温缓冷。

（2）根部未熔合。在对X射线胶片进行评片时，若根部未熔合较严重时，有时也会被评判为未焊透，这是GTAW打底焊接油泵法兰时最容易产生的缺陷。其原因是：间隙过小，钝边大，坡口角度小，电弧过长，电弧偏离坡口一侧，焊接速度过快，送丝方法不当等。采取的措施：选择合适的坡口形式和尺寸，对局部间隙小的坡口，要打磨增大，或适当加大焊接电流，短弧焊接，运弧时要随时调整焊炬角度，弧柱中心在两侧坡口位置要稍有稳弧时间，焊速要适当，铁水要准确送达坡口根部，平稳且数量要均匀，使坡口两侧焊肉饱满。

（3）内凹。内凹是法兰打底焊时常见的问题，主要大量出现在仰焊部位，系由间隙过大，焊接电流过小，送丝方法不当等原因导致。实施的措施：严格装配间隙，保证坡口间隙在3～6 mm，并选择适合的焊接规范。采用外送丝法时，要求坡口间隙大于焊丝直径，焊丝应始终在法兰与管道内侧上方1～2 mm处送达。当间隙较小时，送丝要紧贴坡口根部，使熔化铁水有向上顶的运动倾向，顶的力度和时间要凭经验恰到好处。否则，焊缝内侧要么焊肉低于管内壁，要么内侧焊缝太高甚至有可能出现未熔化的焊丝。采用内送丝法是防止法兰内凹的最有效的方法。

（4）气孔。这是由于在打底焊时，氩气不纯，氩气流量小，电弧过长，焊丝在熔池外停歇过远，送进焊丝过快扰动了氩气保护氛围使空气进入了熔池，输送氩气的皮管或焊炬漏气，新建的厂房无门窗而挡风不当等，使焊缝内部产生了气孔。预防的方法是：检查或者更换皮管及焊炬，更换氩气，采取有效的挡风措施，堵塞法兰和焊管两端，适当加大氩气流量（由于野外施焊时周围空气流动和10～25 m长的输送氩气管道有压降等原因，氩气流量相对室内作业要加大），压短电弧，焊丝只能在熔池的边缘和氩气保护区内停歇，与熔池处于若即若离的状态，均匀运弧和送丝，保证熔池始终在稳定的氩气氛围之中，无空气入侵。

（5）夹渣和夹钨。焊前因未能彻底清理钢管坡口的氧化物和法兰的防锈剂（由火焰切割留下的），或因打磨而残留在坡口内的粉尘，焊接时又由于焊接规范过小，这些杂质在熔池中来不及上浮而导致在焊缝中形成夹渣。电钨极因焊接法兰使用的电流大、或因钨极不在Ar气有效保护区内而被氧化；或电钨极因与母材、焊丝碰触而使尖端熔化落入熔池中，从而产生了夹钨等。预防措施是：焊前彻底清除坡口内外的氧化物及污物，选择过渡式的引弧方法和适中的焊接电流，短弧施焊，运弧要稳、准。一旦发现电钨极碰触或氧化，应立即停焊，更换新钨极，并打磨掉被污染的焊缝后，方可继续焊接。

4 FCAW焊接技术

4.1 焊接参数

选用φ2.0 mm的E71T8-Ni1焊丝，直流焊接电源为正极性，热焊与根焊间隔时间＜10 min，层间温度≥80℃，向上焊，焊枪倾角75°～90°，焊丝伸出长度15～20 mm，焊缝宽度25～35 mm，余高0～2 mm。其他焊接参数见表4。

表4 FCAW焊接参数

4.2 焊接操作

由2名焊工同时从12点钟开始向下施焊，焊接法兰右侧时，可以右手臂与母材的接触面为支点，双手稳握焊枪运弧，并随焊枪向下小幅滑动，焊至4点钟或5点钟处时停焊，待调整焊姿后，再完成仰脸位置的焊接。焊接法兰左侧时，因为有法兰和螺栓的障碍，因而不能按焊工的长期习惯操作，而是以左手臂与母材接触面为支点进行焊接，或者是双手悬空操作。

（1）热焊。GTAW打底焊较纤维素焊条打底焊的焊缝要厚，且不用清根，只需采用钢丝轮把氧化皮清理干净并采用正常焊接操作方法进行焊接就不会产生缺陷。焊接难度较大的是5点钟至7点钟的仰焊位置，容易烧穿和夹渣，可采用灭弧焊法，或适当减小焊接参数，短弧操作即可。

（2）填充层焊接。第2～3层填充层焊接，因为有后面一层的焊接热处理作用，可适当加大焊接规范。施焊时，用远红外线测温仪监测焊缝温度，并保证层间温度≥80℃，否则应重新预热。焊前用钢丝轮清理药皮和打磨接头处。第2层采用单道焊，随着焊缝坡口面的增宽，其余各层应采取一层2道或3道的排焊法。为防止层间未熔，排焊时，焊枪角度应以两侧坡口面与焊缝夹角（稍偏向焊缝一侧）为轴运条，使焊缝形成一个与坡口熔合良好的浅U型，并根据焊缝中间凹槽深度确定中间是否再排焊1道或局部排焊，为下一层焊接做铺垫。立焊时，由于重力作用，药皮容易超前混入熔池形成条渣。应短弧操作，运条幅度要小，充分排除熔渣。

（3）盖面焊。盖面焊缝要美观，成形良好，具有较好的几何形状，则可大大提高法兰的使用性能。焊接时，采用一层2道的排焊法。为了减小焊缝热影响区的淬硬倾向，使晶粒细化，焊接规范较填充层应适当减小，运条要均匀，母材两边稍稳弧，防止咬肉。第1道排焊时，最好从法兰一侧开始，坡口边缘一侧要熔合整齐，另一侧的焊趾要稍过焊缝中心3～5 mm，为下一道排焊做铺垫。第2道排焊，相当于给法兰一侧和第1道排焊缝作一次热处理，可提高其低温韧性和使用性能，延长法兰的使用寿命。排焊时，一侧与母材充分熔合，圆滑过渡；另一侧的焊趾要过第1道焊缝3～5 mm，且稍微稳弧，使两道排焊缝宽度近似相称，中间无明显沟槽。

（4）焊接完成后，检查焊缝外观，用钢丝轮清理焊缝表面，石棉包裹保温缓冷。24 h后可进行UT、RT检测。

5 返修焊

返修焊采用GTAW+SMAW的工艺方法，并根据母材的强度级别和低合金异种钢焊接时的低匹配选材原则，选用E5015焊条。施焊时，严格执行焊条烘烤制度和焊前预热和焊后保温缓冷等焊接工艺规范。

6 结束语

（1）焊接大型进口油泵法兰时，在确认法兰和管道材质的标准和牌号后，只要将其与国产钢号对号入座就能准确分析其焊接特性，制订和采取相应的焊接工艺措施，防止焊接缺陷产生，保证焊接质量。

（2）在大锦原油管道工程梨树输油站，按照上述焊接工艺方法，共焊接安装了4台8个带颈法兰，焊缝经100%UT检验和10%RT抽检均合格。现已运行三年，未见任何异常情况。证明该工艺是可行的，实施的操作技术是正确的。

[1]中国石油化工集团公司设备设计技术中心站.石油化工常用国内外金属材料手册[M].北京：中国石化出版社，2010：441-444.

[2]刘会杰.焊接冶金与焊接性[M].北京：机械工业出版社，2007：155.

[3]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册：第2卷材料的焊接[M].北京：机械工业出版社，1995：61.

[4]李建军.管道焊接技术[M].北京：石油工业出版社，2007：28-30.

[5]晏莱，高秉峰，武海波，等.海洋石油平台井口定压放气阀的不停产更换[J].石油工程建设，2016，42（3）：33-35.

Welding Technology of L arge Oil Pump Flanges in L ong Distance Transmission Pipeline Station

DAIYuanxiong1，GUO Jianbo1，LIZequan1，YU Haiyang2，DAIWei3
1.Liaohe Oilfield Construction Engineering Company，Panjin 124010，China
2.Kunlun Energy（Liaoning） Company Limited，Panjin 124010，China
3.China Petroleum Lioahe Equipment Company Limited，Panjin 124010，China

Most of the materials of the imported large oil pump flanges follow the European or American Standard，the welders are lackofrelevant experience.Afterconfirming the materialofthe flange and according to the welding characteristics of LF2 steel（flange） and X52 steel（pipeline），ER50-6 and E71T8-Ni1 welding wires are selected and GTAW＋FCAW welding process is taken to weld pipelines and flanges of 4 oilpumps imported from Germany.The welds are qualified by RT random inspection.This paper introduces the base material weldability and welding difficulty between flange and pipeline，illustrates the determination of welding method，welding preparation，technique of GTAW backing welding，FCAW welding and rewelding，then provides the countermeasures for welding defects that easily occur in the project.

large oilpump flange；LF2 steel；X52 steel；dissimilar steelwelding

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.06.011

代渊雄（1960-），男，湖南武冈人，高级焊接技师，IWS资质，主要从事锅炉压力容器和石油、天然气站场工艺管道焊接工作。

2016-07-26

Email：daiyuanxiong@yeah.net