下向焊焊条计算

油气管道焊接材料设计用量计算

张振永；(中国石油天然气管道工程有限公司) 油气储运,2004,23(7) 38～41。第23卷第7期

摘要：对油气管道手工下向焊、药芯焊丝半自动焊和实芯焊丝气体保护自动焊的焊接用量进行了计算,提出了不同焊接方法焊材用量计算的修正公式，并将计算结果与工程实际用量进行了对比，二者基本吻合。

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一、前言

目前国内管道焊接的主要方法有手工下向焊、药芯焊丝半自动焊和实芯焊丝气体保护自动焊。对于这三种主要焊接方式,管道所用焊接材料的耗量计算一直没有比较合适的计算模型或公式。以往的设计用量一般套用电弧焊条用量计算公式或结合工程经验,或采用现行的预算定额,或采用厂家提供的用量指标。由于这些方法缺乏科学的理论计算依据,并且每一位设计人员的工程经验不同,现行定额跟不上最新发展趋势,厂家的用量指标千差万别,因此,在管道设计中极易造成焊接材料用量计算不准确,直接影响到采办和现场施工。例如,在苏丹富拉油田原油外输管道工程中,由于设计计算的AWSA5.1E6010纤维素焊条用量偏低,影响了现场施工进度,导致二次追加空运焊条,增加了工程成本。基于以上原因,对管道焊接材料的用量计算有必要进行探讨。

二、手工下向焊焊条的用量计算

手工下向焊作为一种主要的焊接方法,广泛应用于油气管道的焊接中。对于输气管道,这种焊接方法一般采用组合焊方式,即采用纤维素焊条进行根焊、热焊,用低氢焊条进行填充、盖面,这样既经济；高效,又能满足焊缝的韧性需要；对于输油管道,一般整个焊缝均采用纤维素焊条施焊,只是根据钢材的级别不同,采用的根焊、热焊和填充、盖面焊条的型号不同而已。因此,无论是输油管道,还是输气管道,计算时都应当把同一

焊缝中不同焊层的焊条用量分别计算出来,只有这样,才能保证在一个工程中每种型号焊条用量的准确性。

对于如何准确计算管道焊接材料的用量,现有资料对管道焊接的介绍都缺乏针对性。按焊条消耗定额,其计算公式为:

G=A×L×ρ×(1+K b)/(106Kn) (1)

式中： G———焊条用量,kg;

A———焊缝熔敷金属截面积,mm; 2

L———焊缝长度,mm;

ρ———熔敷金属密度,g/cm; 3

Kb———药皮的重量系数,取0.3～0.4;

Kn———金属由焊条到焊缝的转熔系数,包括烧损、飞溅和未利用的焊条头损失,取0.75～0.8。

对于管道对接焊缝V形坡口,其截面积为:

A=δ×b+(δ-p)×tan(α2/2)+2/3×c×h （2）式中：δ———管道壁厚,mm;

b———根部对口间隙,mm;

p———钝边高度,mm;

α———坡口角度;

c———焊缝宽度,mm;

h———焊缝余高,mm。

式(2)中所示尺寸符号见图1。

图1 焊缝横截面图

从式（1）和式（2）可以看出，焊条的消耗主要取决于焊条牌号(主要是影响Kb和Kn)、坡口形状和焊件厚度。对于不同的焊条,如果没有具体的Kb和Kn值,纤维素焊条可以取Kb=0.40,Kn=0.77,低氢焊条可以取Kb=0.32,Kn=0.80。

以上是平焊位置焊接每米的焊条用量值,对于不同的焊接位置,焊条单位消耗量也不同,在横焊和立焊位置的焊条消耗量比在平焊位置时增加10%,比在仰焊位置时增加20%。对于全位置焊接,由于有平焊、立焊和仰焊,因此计算焊条时应取一个1.15的系数。考虑到现场施工焊接影响因素较多,例如,焊条引弧失败,整根焊条都会弃用,或者焊条药皮破损、端部破裂、焊条头过长弃用等,都会造成焊条消耗量增加,因此计算焊条量有必要再乘以一个1.2的系数。

考虑到以上因素,管道焊接材料的消耗理论公式可以修正为:

G单口=3.14×D ×A×ρ×(1+Kb)/(106Kn) ×1.15×1.2 (3) 式中： G———单个焊口焊条用量,kg;

D———管道直径,mm。

对于根焊焊条:

A1=δ1×b+(δ1-p)×tan(α2/2)

(4)

式中： A1———根焊缝熔敷金属截面积,mm; 2

δ1——根焊层厚度,mm。对于φ3.2焊条,取2.5～3.0mm; 对于φ4.0焊条,

取3.2～3.5mm。

对于热焊焊条:

A2=(δ

11-0.5+δ12) ×b+(δ21-0.5+δ-p)×tan(α22/2)-[(δ-0.5) ×b+(δ-0.5-p) ×tan(α/2)]

式中： A2———热焊缝熔敷金属截面积,mm; 2 (5)

δ——热焊层厚度,取1.5～2.0mm。

式(5)中,δ1-0.5是考虑到根焊后清渣时有一定的打磨量,按0.5mm考虑。对于填充、盖面用焊条:

A3=b+(δ-p)2×tan(α/2)+2×c×h/3-[(δ1-0.5+δ

b+(δ12-0.5) ×-0.5+δ-0.5-p)×tan(α22/2)] (6)

2式中： A3———填充、盖面焊缝熔敷金属截面积,cm。

式(5)、式(6)中,δ2-0.5是考虑到热焊后清渣时有一定的打磨量,按0.5mm考虑。

按照以上修正公式,以陕西靖边至北京输气管道和大港至永清输气管道为例,对手工下向焊的焊条用量进行了理论计算,并与实际用量进行了对比,计算结果见表1。

表1 手工电弧焊焊条用量计算值与实际耗量对比

由表1的对比结果可以看出,整个焊口的焊条

三、半自动焊药芯焊丝的用量计算

目前,管道的半自动焊施工,一般采用纤维素焊条手工下向焊打底,填充、盖面采用自保护药芯焊丝半自动焊。这种方法在国内的兰成渝成品油管道和西气东输工程中都得到了广泛应用,苏丹、利比亚输油管道工程也均采用了这种焊接方法。焊丝计算有所不同。

自保护药芯焊丝的定额计算公式见式（7）

G=A×L×ρ×(1000Kn ) （7）

式中 Kn———金属由焊丝到焊缝的转熔系数,包括烧损、飞溅等损失,药芯焊丝,Kn取0.72～0.75。

不同的焊接位置,焊丝单位消耗量也不同。式(7)为平焊位置的用量计算公式,对于管道全位置焊,焊丝消耗要比纯平焊位置用量大,焊丝用量乘以一个1.10系数,焊丝耗量的理论公式可以修正为:

G=3.14×D×A×ρ/(1000Kn)×1.10 (8) 根焊焊条计算公式同式(4)。

对于填充、盖面焊丝：

A3=b×δ+(δ

（δ1-p)×tan(α2 2/2)+2×c×h/3-[(δ1-0.5) × b+-0.5- p)×tan(α/2)] (9)

按照上述修正公式,以利比亚输油管道和苏丹输油管道为例,对焊材用量进行了理论计算,并与实际用量进行了对比,计算结果见表2。

从表2的对比结果可以看出,以上几种管径和壁厚的钢管,通过修正的焊接材料理论计算值,与现场焊接实际用量非常接近,精确度均在90%以上。与现行定额相比,打底焊焊条用量小于定额用量,焊丝用量基本与定额量相同。

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四、自动焊实芯焊丝的用量计算

自动焊技术适用于大口径、大壁厚管道,具有焊接质量稳定、操作简便、焊缝外观成型美观等特点。国内管道应用自动焊技术起步较晚,在大港至永清输气管道和涩宁兰输气管道上,曾采用引进的NOREASTAW97—1焊机进行过试验,采用STT打底焊,NOREAST自动焊机进行填充、盖面。国内大规模应用自动焊技术是在西气东输管道工程中, 程中的自动焊机组主要集中在西部地段,根焊采用STT半自动焊和自动内焊机AW40—42施焊,填充、盖面采用意大利公司生产的PWT2NRT外焊机和中国石油天然气管道科学研究院研制的PAW2000型外焊机进行焊接。

对于自动焊所用的焊接材料,无论是根焊,还是填充、盖面焊一般均采用符合AWSA5.18或AWSA5.28标准的气体保护实芯焊丝进行焊接,不同点是根焊和填充、盖面用的焊丝型号(强度级别)和焊丝直径不同。例如,西气东输工程根焊用焊丝为AWSA5.18ER70S—G(φ0.9mm)、填充、盖面用焊丝为AWSA5.28ER80S—G(φ1.0mm)。在计算自动焊焊接材料时,对采用的不同焊接材料要分别进行计算。

气体保护实芯焊丝的定额计算公式同式(7),只是该式中的Kn取0.90～0.95。焊丝理论计算修正公式同式(8)。根焊焊丝熔敷金属截面积计算公式同式（4），式中的δ1 取2.0～2.5mm。

填充、盖面焊熔敷金属截面积计算见式（10）。

A3=b×δ+(δ-p)2×tan(α/2)+2×c×h/3-[δ1×b+(δ1-p)2×tan(α/2)] （10)

利用上述一系列公式,即可以计算出管道自动焊所用不同型号实芯焊丝的用量。

五、结束语

通过修正公式计算结果与工程实际情况的对比,可以看出,理论计算结果与工程实际用量基本吻合,满足管道工程用料的要求,计算结果比较理想。计算公式适用于管道V形坡口的对接,对于厚壁管采用的U形坡口或复合型坡口,应根据具体情况调整熔敷金属截面计算公式。各工程采用的焊材牌号、焊接方法以及坡口尺寸均不相同,都会影响管道工程中的焊材用量,上述计算方法及结果,谨供其它工程参考。

参考文献

1, 王良栋徐初雄:电焊工技术,机械工业出版社(北京),2001。

2, 李荣恩(译):长输管道焊接安装工程手册,石油工业出版社(北京),1991。 3, 石油建设安装工程预算定额(第五册),长距离输送管道工程(上册)。