山區(qū)管道自動(dòng)焊設(shè)備與工藝研究

張 鋒 ，劉曉文 ，徐欣欣 ，張 毅 ，牛連山

（1.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)院研究院有限公司，河北廊坊065001；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司第三工程公司，河南鄭州451450）

0 前言

近年來(lái)，伴隨著能源需求的增加，世界油氣管道的建設(shè)步伐日趨迅速[1]。目前，蓬勃發(fā)展的油氣管道建設(shè)事業(yè)對(duì)管道鋼級(jí)、管徑以及管道高效化施工提出了新的要求，焊條電弧焊、半自動(dòng)焊的焊接效率和焊接一次合格率遠(yuǎn)低于自動(dòng)焊，因此大力推廣和拓展自動(dòng)焊的應(yīng)用空間勢(shì)在必行[2]。在山區(qū)丘陵地帶，由于地形條件苛刻、縱向坡度大、施工區(qū)域狹窄，因而成為管道施工過(guò)程中的難點(diǎn)。傳統(tǒng)坡地管道施工多采用在管溝內(nèi)布管組焊的方式，焊接方法為焊條電弧焊和STT半自動(dòng)焊[3]。管道縱向坡度大，焊接難度較高，焊接過(guò)程中熔池受重力影響易偏向一側(cè)坡口，焊工運(yùn)條方式稍有不當(dāng)便會(huì)導(dǎo)致焊縫上側(cè)產(chǎn)生咬邊，下側(cè)產(chǎn)生夾渣和未熔合等缺陷，焊縫質(zhì)量不易控制，且受焊工水平影響較大[4]。目前對(duì)于大坡度地帶自動(dòng)焊技術(shù)研究未見(jiàn)報(bào)道，為提高整體作業(yè)效率、降低人工成本和人工勞動(dòng)強(qiáng)度，開(kāi)展山區(qū)自動(dòng)焊裝備與焊接工藝的研究勢(shì)在必行。

1 山區(qū)管道自動(dòng)焊的技術(shù)難點(diǎn)

1.1 山區(qū)管道施工對(duì)自動(dòng)焊設(shè)備的要求

在各類管道焊接施工方法中，自動(dòng)焊具有高效簡(jiǎn)便、質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，其中使用內(nèi)焊機(jī)打底+雙槍外部填蓋的方法施工效率較高，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較為廣泛[5]。而在山區(qū)地帶，受限于特殊的作業(yè)環(huán)境，傳統(tǒng)的自動(dòng)焊設(shè)備很難進(jìn)行施工作業(yè)。

內(nèi)焊機(jī)在管道自動(dòng)焊施工作業(yè)中承擔(dān)管口組對(duì)和根焊的任務(wù)，其焊接過(guò)程及原理如圖1所示。通過(guò)定位和漲緊機(jī)構(gòu)完成管口組對(duì)后，控制裝有8個(gè)焊接單元（CW1～CW4，CCW1～CCW4）的旋轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，分別完成CW和CCW兩個(gè)方向的焊接。在山區(qū)地帶，受縱向坡度的影響，內(nèi)焊機(jī)行走過(guò)程中易打滑，甚至容易出現(xiàn)內(nèi)焊機(jī)下滑的危險(xiǎn)情況，這將導(dǎo)致內(nèi)焊機(jī)無(wú)法完成管口組對(duì)；在坡度較大的地段，內(nèi)焊機(jī)停駐時(shí)也會(huì)出現(xiàn)機(jī)身下滑，影響焊接單元焊槍對(duì)中，繼而產(chǎn)生焊縫焊偏、熱焊燒穿等缺陷。因此，在山區(qū)管道自動(dòng)焊施工中，內(nèi)焊機(jī)必須有足夠的行走驅(qū)動(dòng)力以保障其能夠上坡行走，同時(shí)具備良好的停駐能力以確保焊槍精確對(duì)中。

外焊機(jī)負(fù)責(zé)完成外部熱焊、填充和蓋面層的焊接，主要由焊接小車(chē)、小車(chē)行走軌道、焊接控制系統(tǒng)、焊槍和焊接電源系統(tǒng)組成，山區(qū)管道自動(dòng)焊施工對(duì)外焊機(jī)無(wú)特殊要求，軌道裝卡穩(wěn)定、小車(chē)行走平穩(wěn)即可。

1.2 山區(qū)管道施工對(duì)自動(dòng)焊焊接工藝的要求

除焊接設(shè)備外，焊接工藝是影響焊接質(zhì)量和效率的主要因素。對(duì)于山區(qū)自動(dòng)焊施工，如何克服坡度環(huán)境下重力對(duì)熔池流動(dòng)的影響是解決問(wèn)題的關(guān)鍵因素。

山區(qū)管道自動(dòng)焊施工時(shí)，熔池處于一種特殊的受力狀態(tài)，假設(shè)縱向坡度為30°，以立焊位置為例，該位置熔池的受力狀態(tài)如圖2所示。熔池主要受重力G、電弧力F、表面張力σ的作用。重力在沿焊接方向的分力驅(qū)動(dòng)熔池向電弧下方流動(dòng)，阻礙了電弧對(duì)坡口底部的熱輸入，容易出現(xiàn)層間熔合不良的缺陷；重力沿垂直于焊接方向的分力驅(qū)動(dòng)熔池向較低一側(cè)的坡口流動(dòng)堆積，阻礙了電弧對(duì)該側(cè)坡口的熱量傳遞，容易出現(xiàn)側(cè)壁未熔合的缺陷。同時(shí)，熔池受到兩側(cè)坡口和坡口底部表面張力的作用以及熔池后方已經(jīng)凝固的焊縫的表面張力作用，焊接過(guò)程中應(yīng)盡量維持熔池關(guān)于焊縫中心對(duì)稱，則這些力的合力簡(jiǎn)化為與焊接方向相反的一個(gè)力。電弧力方向受焊槍角度影響，調(diào)整焊槍向上指向熔池時(shí)（見(jiàn)圖2a），電弧力可以阻礙熔池下淌；當(dāng)焊槍指向較高一側(cè)坡口時(shí)（見(jiàn)圖2b），電弧力可以阻礙熔池向較低側(cè)坡口流動(dòng)堆積。

圖1 內(nèi)焊機(jī)焊接過(guò)程示意Fig.1 Schematic diagram of welding process of internal welding machine

為保證焊縫成形和焊縫質(zhì)量，需盡量減小或避免熔池下墜對(duì)其的影響。熔池下墜主要是受合力（由上述受力分析可知，重力為熔池下墜的驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)調(diào)整焊槍角度，電弧力可以作為熔池下墜的阻力）以及熔池處于熔融態(tài)的時(shí)間（即冷卻時(shí)間，相當(dāng)于其運(yùn)動(dòng)時(shí)間）的影響，因此，減小熔池重力、增大電弧力、加快熔池冷卻速度均有利于抑制熔池下墜。提高焊接速度，降低送絲速度均有利于減小熔池重力、縮短冷卻時(shí)間，但同時(shí)電弧力也相應(yīng)降低，因此，在坡度焊接條件下對(duì)焊接速度、送絲速度的匹配要求更嚴(yán)格，需探索合適的焊接工藝參數(shù)以滿足對(duì)焊縫質(zhì)量的要求。

圖2 立焊位置熔池受力分析Fig.2 Force analysis of molten bath in vertical welding position

2 山區(qū)管道自動(dòng)焊設(shè)備與工藝優(yōu)化

為滿足山區(qū)管道自動(dòng)焊施工要求，對(duì)CPP900系列自動(dòng)焊設(shè)備及其配套工藝進(jìn)行優(yōu)化。CPP900是中國(guó)石油天然氣管道局自主研發(fā)的自動(dòng)焊設(shè)備，包括坡口機(jī)、內(nèi)焊機(jī)、外焊機(jī)，已廣泛應(yīng)用于漠大、陜四、中靖、中俄東線等各大管線，獲得一致好評(píng)，本研究使用的自動(dòng)焊設(shè)備為CPP900-IW48內(nèi)焊機(jī)和CPP900-W2外焊機(jī)。使用φ1219 mm、18.4 mm壁厚X80鋼管進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，內(nèi)根焊焊接方法為GMAW-S（短路過(guò)渡熔化極氣體保護(hù)焊），選用BOEHLER SG3-P（ER70S-G）φ0.9 mm實(shí)心焊絲。熱焊、填充、蓋面焊接焊接方法為GMAW-P（脈沖熔化極氣體保護(hù)焊），選用BOEHLERSG8-P（ER80S-G）φ1.0 mm 實(shí)心焊絲。內(nèi)、外焊均采用 φ（Ar）80%+φ（CO2）20%作為焊接保護(hù)氣體。設(shè)計(jì)液壓升降平臺(tái)模擬大坡度焊接條件，如圖3所示。試驗(yàn)坡口形式如圖4所示。

2.1 山區(qū)管道自動(dòng)焊設(shè)備優(yōu)化

圖3 模擬坡度焊接的試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Test platform for simulating slope welding

為確保內(nèi)焊機(jī)能夠在大坡度條件下順利爬坡行走和平穩(wěn)停駐，需對(duì)內(nèi)焊機(jī)行走及剎車(chē)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。內(nèi)焊機(jī)正常在管道內(nèi)平穩(wěn)行走時(shí)（假設(shè)速度恒定），由氣動(dòng)馬達(dá)提供的行走驅(qū)動(dòng)力（即驅(qū)動(dòng)輪與管壁間的滾動(dòng)摩擦力/靜摩擦力）等于內(nèi)焊機(jī)所受重力在管道軸向的分力與內(nèi)焊機(jī)從動(dòng)輪與管壁的滾動(dòng)摩擦力之和；當(dāng)縱向坡度提高時(shí)，內(nèi)焊機(jī)重力在管道軸向的分力增大，內(nèi)焊機(jī)行走需要更大的行走驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)該驅(qū)動(dòng)力達(dá)到驅(qū)動(dòng)輪與管壁間的滑動(dòng)摩擦力時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪開(kāi)始打滑，內(nèi)焊機(jī)停滯不前，因此在提高內(nèi)焊機(jī)行走驅(qū)動(dòng)力的同時(shí)，應(yīng)該提高驅(qū)動(dòng)輪與管壁間的滑動(dòng)摩擦力（即內(nèi)焊機(jī)的最大驅(qū)動(dòng)力）。

圖4 試驗(yàn)用坡口示意Fig.4 Diagram of the groove used in the experiment

內(nèi)焊機(jī)的行走驅(qū)動(dòng)力由氣動(dòng)馬達(dá)提供，因此提高行走驅(qū)動(dòng)力需選用更大扭矩的氣動(dòng)馬達(dá)，選用COOPER A8R336M替換A8R338M，其詳細(xì)參數(shù)如表1所示，馬達(dá)的失速扭矩和啟動(dòng)扭矩提高了65%。內(nèi)焊機(jī)驅(qū)動(dòng)輪與管壁的滑動(dòng)摩擦力由行走支撐缸的支撐壓力和驅(qū)動(dòng)輪與管壁的摩擦系數(shù)決定，支撐壓力上限為系統(tǒng)壓力，滑動(dòng)摩擦系數(shù)主要與接觸物體的材料、表面光滑程度有關(guān)，通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)輪表面材料以及表面紋路，可以顯著增加滑動(dòng)摩擦力，降低驅(qū)動(dòng)輪打滑的幾率。對(duì)剎車(chē)片進(jìn)行同樣的改造，內(nèi)焊機(jī)的停駐能力也得到顯著提升，使內(nèi)焊機(jī)能夠滿足30°坡度下的管口組對(duì)和焊接要求。

表1 不同型號(hào)氣動(dòng)馬達(dá)參數(shù)對(duì)照Table 1 Comparison of different types of pneumatic motor parameters

2.2 山區(qū)管道自動(dòng)焊焊接工藝優(yōu)化

前期試驗(yàn)證明，在大坡度條件下焊接時(shí)，缺陷多出現(xiàn)在填充層，本研究工藝優(yōu)化主要針對(duì)填充層的焊接工藝。在30°縱向坡度條件下，分別改變送絲速度、焊接速度進(jìn)行焊接試驗(yàn)。按表2設(shè)置焊接參數(shù)，共進(jìn)行9組，每組進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，合格次數(shù)及缺陷類型如表2所示。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最佳的焊接工藝參數(shù)為第5組試驗(yàn)所用參數(shù)。

表2 不同參數(shù)焊接試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of different parameters

3組典型的焊縫金相對(duì)比如圖5所示。3條焊縫是使用不同的填充焊焊接參數(shù)獲得，其中圖5a和圖5c中的焊縫檢測(cè)不合格，缺陷均為立焊位置未熔合，試樣取自缺陷位置，圖5b中的焊縫檢測(cè)無(wú)缺陷，試樣同樣取自立焊位置。對(duì)比圖5a、圖5b可知，當(dāng)送絲速度減小時(shí)，填充量減小，焊接層數(shù)增加，雖然能減小熔池體積，但由于電弧力減小，無(wú)法托住熔池使其不下墜，因此在熔池底部和坡口側(cè)壁出現(xiàn)未熔合；對(duì)比圖5b和圖5c，保證相同的填充量，增大焊接規(guī)范，在填充層出現(xiàn)坡口側(cè)壁未熔合。

工藝試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）送絲速度和焊接速度過(guò)大或者過(guò)小均會(huì)影響焊縫質(zhì)量，導(dǎo)致焊縫檢測(cè)不合格。（2）坡度條件下自動(dòng)焊焊縫的主要缺陷為側(cè)壁未熔合，缺陷多位于較低一側(cè)坡口，且缺陷多出現(xiàn)在立焊位置填充層。（3）該條件下焊接對(duì)坡口尺寸和對(duì)口精度要求較高，需嚴(yán)格按照尺寸要求加工坡口，并保證對(duì)口間隙小于0.5mm，最大錯(cuò)邊小于1mm。

此外，設(shè)置不同的焊槍傾角進(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明，過(guò)大的焊槍傾角同樣不利于焊縫成型和坡口熔合，30°縱向坡度條件下，適宜的傾斜角度為沿縱向傾角5°、沿橫向傾角7°，如圖6所示。

圖5 不同焊接參數(shù)得到的接頭宏觀金相照片F(xiàn)ig.5 Macroscopic metallographic photographs of joints obtained by different welding parameters

3 結(jié)論

（1）自動(dòng)焊施工具有高效、優(yōu)質(zhì)的特點(diǎn)，但由于設(shè)備及工藝的限制，以往山區(qū)施工多采用手工或者半自動(dòng)焊。通過(guò)對(duì)設(shè)備和工藝的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了30°坡度條件下的自動(dòng)焊焊接施工，焊接效率高，焊接質(zhì)量滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)要求。

（2）山區(qū)管道自動(dòng)焊要求內(nèi)焊機(jī)具有良好的爬坡功能和穩(wěn)定停駐的能力，使用CPP900-IW48內(nèi)焊機(jī)，通過(guò)更換大扭矩氣動(dòng)馬達(dá)、更改驅(qū)動(dòng)輪材料及紋路，從增大驅(qū)動(dòng)力及增大滑動(dòng)摩擦系數(shù)兩方面著手，實(shí)現(xiàn)了30°坡度下的管道組對(duì)和根焊。

圖6 焊槍傾角示意Fig.6 Sketch map of welding gun inclination

（3）解決熔池下墜問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)山區(qū)管道自動(dòng)焊的關(guān)鍵，使用CPP900-W2外焊機(jī)，通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)、焊槍傾角可以有效克服熔池下墜，獲得質(zhì)量合格的焊縫。

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