PipelinerII自動焊系統(tǒng)在厚壁長輸管道焊接中的應用

李永輝，馬衛(wèi)強，劉井坤，王魯鵬

（中石化中原石油勘探局工程建設總公司，河南濮陽457001）

PipelinerII自動焊系統(tǒng)在厚壁長輸管道焊接中的應用

李永輝，馬衛(wèi)強，劉井坤，王魯鵬

（中石化中原石油勘探局工程建設總公司，河南濮陽457001）

沙特阿美馬尼法井場管道焊接工程的特點是：長輸管道的口徑大、管壁厚，但整體焊接工作量較少。文章在簡要對比了幾種常用的管道自動焊系統(tǒng)及工藝特點的基礎上，論述了采用Pipeliner II自動焊系統(tǒng)焊接中東地區(qū)厚壁長輸管道的優(yōu)點，并介紹了該系統(tǒng)在該工程中應用的要點，包括焊接工藝方案、對常見缺陷的分析及控制措施等。

長輸管道；厚壁管；自動焊；焊接方案

0 引言

目前長輸管道自動焊技術已經在西氣東輸管道建設等國內數個項目上得到了成功應用，管道自動焊系統(tǒng)在長輸管道的建設中顯示了優(yōu)質、高效的顯著特點。而在中東地區(qū)的大部分長輸管道項目中已經強制要求采用自動焊技術。掌握長輸管道自動焊技術已經成了拓展中東市場的必備條件。國內外常見的幾種長輸管道自動外焊機包括英國NOREAST公司生產的自動外焊機，加拿大RMS公司生產的MOW-1型自動外焊機、美國CRC公司的M-300型自動外焊機、意大利PWT公司生產的CWS.02NRT型自動外焊機、中石油管道局生產的PAW-2000型外焊機、中石油集團工程技術研究院生產的APW-II型自動外焊機。在中東的一個項目實施過程中，我公司結合中東市場的特點引進了美國Magnatech公司的Pipeliner II Orbital Pipe Welding System自動焊系統(tǒng)（以下簡稱PipelinerII系統(tǒng)）。本文主要介紹該套系統(tǒng)的組成、工藝技術特點及應用情況。

1 工程概況

沙特阿美馬尼法油田位于沙特阿拉伯王國東北部波斯灣的阿拉伯海域，是一個超級海上大油田。本次施工主要區(qū)域在阿拉伯灣淺海領域填土后建成的海上井場和海上井場的聯(lián)系堤道。馬尼法井場管道工程主要分為兩大部分，一部分是位于馬尼法區(qū)域的25個淺海井場；另一部分是從各個井場集油支線連接匯總到集輸干線后，沿鋪設好的堤道進入海岸上的馬尼法集輸站，其中口徑最大的集輸干線是D915mm（36in）的原油集輸管道及D1068mm（42in）的高壓注水輸水管道。具體規(guī)格：D 915 mm×31.75 mm，材質為APISpec5LX65的直縫鋼管；D1068 mm× 31.75 mm，材質為APISpec5LX70的直縫鋼管。

2 方案的確定

2.1 工程特點分析

通過篩選和比較當前常用的焊接設備及工藝方案的特點，優(yōu)選出合適的焊接方案。上述長輸管道的特點是口徑大、管壁較厚，但整體工作量較少。壁厚的增加對焊接施工提出了較高的要求，主要表現(xiàn)在：

（1）坡口型式影響焊接金屬填充量大小及焊接接頭性能。

（2）多層多道焊接帶來焊接勞動強度大、質量不穩(wěn)定，傳統(tǒng)手工下向焊工藝生產效率低下。

（3）依照焊接規(guī)范要求，對該種規(guī)格和材料等級的管材焊接過程的預熱以及層間溫度控制要求較嚴格，全自動焊接工藝工序間的銜接要求較高。

2.2 自動焊種類及工藝分析

（1）相比而言，采用美國CRC公司的自動內焊機方案效率較高。通過調查及比較CRC公司等長輸管道全自動焊接解決方案，發(fā)現(xiàn)這些解決方案在我國的西氣東輸等世界知名的工程項目上都有較成熟的運用，其特點是：施工效率高、焊接質量穩(wěn)定、人員勞動強度低、機械化程度較高，但一次性設備投入巨大，而且設備的適用性不強，若沒有大批量長距離的長輸管道施工，綜合效益比較低。除了自動內焊機外，CRC公司還提供了多種形式的焊接組合方案[1]，其中的M300C和Pipeliner II的工藝比較類似，但其單層熔敷厚度與Pipeliner II相比較薄，效率相對低一些。

（2）全自動焊外焊工藝一般采用PWT公司的外自動根焊，根焊質量好，焊接速度較快，外觀成型好，但需要采購專門的坡口加工機進行專門設計的復合坡口加工，設備投資價格相對較高[2]。

（3）若采用傳統(tǒng)的半自動下向焊工藝，由于厚壁管坡口角度大、焊接填充量較大、對焊縫機械性能影響較大、人工勞動強度大、焊接質量不穩(wěn)定，所以生產效率極低。D 1 068 mm的焊縫每道焊口現(xiàn)場施工平均需要94 h，不能滿足工期進度的要求，綜合效益極低。而且國內普遍采用的自保護藥芯焊絲半自動下向焊工藝由于可能對健康產生影響，其應用已經在美國及中東等地區(qū)受到了限制。

（4）Magnatech公司生產的Pipeliner II系統(tǒng)采用STT-II氣體保護半自動下向焊工藝進行根焊，熱焊填充及蓋面均采用氣保護自動上向焊工藝，該系統(tǒng)具有適于沙特高溫環(huán)境、生產效率較高、金屬填充量較小、勞動強度較低、焊接質量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。通過對沙特當地其他長輸管道項目的實地考察，并經過一段時間綜合數據考核，利用該套自動焊接技術，60天共完成320道焊口，耗費人工時19 800 h；若采用手工焊，則將耗費30 000 h。該系統(tǒng)最適合小批量大口徑厚壁長輸管道焊接方案，綜合效益較高。

3 實際應用

3.1 自動焊機系統(tǒng)

Magnatech公司生產的Pipeliner II系統(tǒng)由如下幾大部分組成：MPS4000電源、MPS4000R水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、MPS4000送絲裝置、型號Model 712控制器以及相應軌道的Model 609A軌道焊接機頭。Pipeliner II系統(tǒng)采用大熔深的氣體保護藥芯焊絲自動焊工藝對除打底層之外的焊道進行高效焊接，配合STT-II半自動焊工藝完成打底焊接。該系統(tǒng)配有不同大小的軌道，可以用在管對管和管對管件的對接焊道上，可以在平面或者曲面軌跡工件上進行線性焊接。

該套自動焊方案的主要特性和適用范圍如下：

（1）管徑：＞152 mm（6 in）。

（2）壁厚：無限制。

（3）管材：所有能夠用氣體保護焊或者藥芯焊絲工藝的管材。

（4）焊絲直徑：0.8/0.9/1.0/1.2 mm等均可。

（5）焊絲速度：0~22 m/min。

（6）最大擺動振幅：51 mm。

（7）擺弧停留時間：0~1 s（兩邊單獨調節(jié)）。

（8）中心調整范圍：0~51 mm。

3.2 焊接設備

根據前期三條管道的工作量和對施工的初步安排，我們購置了3臺STT半自動焊機（1臺備用）和11臺全自動焊接設備（1臺備用），依據施工機組的配置，分別購置了D915mm和直徑D1 068mm管道用軌道各6副，焊接棚6套。

3.3 焊接工藝

（1）依據API 1104、ASME B31.4、ASME B31.8標準及業(yè)主的SAES-W-012標準進行工藝評定。

（2）根焊采用STT半自動氣體保護焊，保護氣體為80%Ar+20%CO2，焊接方向為下向焊，焊材采用ESAB公司生產的SFA/AWS 5.28 ER80SNi1實芯焊絲，直徑為1.2 mm。

（3）熱焊、填充焊及蓋面焊均采用Pipeliner II系統(tǒng)，混合保護氣體80%Ar+20%CO2，焊接方向為上向焊，焊材選用ESAB公司生產的藥芯焊絲,其牌號為SFA/AWS5.28E91T-Ni1M，直徑為1.2mm。

（4）坡口型式采用復合V型，以減少熔敷金屬量。

（5）D 915 mm管道各層的焊接工藝參數分別見表1和表2。

（6）D 1 068 mm管道各層焊接工藝參數見表3和表4。

表1 D 915 mm管道根焊層焊接工藝參數

表2 D 915 mm管道熱焊、填充和蓋面層焊接工藝參數

表3 D 1 068 mm管道根焊層焊接工藝參數

表4 D 1 068 mm管道熱焊、填充和蓋面層焊接工藝參數

3.4 施工難點

對于大管徑大壁厚管道，根據標準規(guī)范要求，根焊和熱焊的相隔時間不能超過15 min。由于根焊和熱焊采用不同的焊接方法，拆卸安裝軌道及焊接設備附件的時間較長，加之焊接工藝要求焊前預熱，因此，需要對各工序作業(yè)的組織安排進行優(yōu)化調整，以滿足時間間隔要求。

3.5 焊接典型缺陷的控制

在試焊及應用初期，出現(xiàn)了一些焊接缺陷，經過對常見的焊接缺陷類型進行分析，我們制訂了以下的控制措施。

3.5.1 焊接過程中根焊氣孔的控制

（1）由于氣體保護焊對風的影響特別敏感，因此要求防風棚密封嚴實，而且焊接中要用塑料布并加透明膠帶對管口兩端進行嚴密的封堵。

（2）焊工在進行引弧時要注意起弧后手部穩(wěn)定，以免干伸長過長造成空氣入侵。

（3）在保持焊接連續(xù)性的同時適當地拉長干伸長來降低電壓，以避免氣孔的產生。

（4）管道組對時，避免因為組對間隙過窄，過大的母材稀釋作用而妨礙除氣過程。

3.5.2 余高過高或者過低的控制

（1）在5點鐘到7點鐘仰焊位置易出現(xiàn)余高過高，這是因為焊工在這一空間不容易掌握熔池的變化，往往會出現(xiàn)擺幅變窄，焊接速度變慢的現(xiàn)象。

（2）在3點鐘或者9點鐘位置往往會造成余高不夠甚至過低，這是因為大量的焊絲熔化的鐵水由于自身重力的作用而迅速下墜，從而使熔敷金屬過少而造成余高過低。

（3）要求焊工的動作要跟得上，針對不同位置的焊接特點迅速有針對性地調節(jié)焊接過程中的焊接工藝參數。

3.5.3 自動焊夾渣缺陷的控制

（1）由于藥芯焊絲有焊劑和藥皮，所以要求層間必須清理干凈，否則易出現(xiàn)夾渣缺陷。

（2）全自動焊的工藝參數不得調整過大，否則會使焊道熔深過大，以至于藥皮等焊渣沒有浮出或吹出而產生夾渣。

3.5.4 自動焊咬邊缺陷的控制

對于不同的管道，要求焊工根據焊接特性對焊機的參數作調整和匹配，焊接D 1 068 mm與D 915 mm管道，要采取不同的措施：減少焊接電源、降低焊接速度、縮短電弧長度，以避免咬邊缺陷。

[1]蘇欣，黃坤，袁宗明，等.長輸管道自動焊現(xiàn)狀[J].焊管，2005，28（4）:3-5.

[2]譚言毅，羅建國，胡愛琴.管道建設中CRC-Evans自動焊接設備簡介與選用[J].電焊機，2009，39（5）:156-158.

[3]孫亮，張仕民.長輸管道自動焊施工方法的研究與實踐[J].電焊機,2007,37（12）:13-16.

[4]靳紅星.印度東西輸工程直徑1 219 mm管道焊接工藝[J].石油工程建設，2009，35（4）：46-48.

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.013

李永輝（1972-），男，遼寧鐵嶺人，工程師，1997年畢業(yè)于大慶石油學院石油加工專業(yè)，現(xiàn)從事裝置管道及長輸管道施工管理及技術管理工作。

2011-10-20