雙聯(lián)管工廠化預(yù)制焊接方案研究

谷海龍， 李建一， 王寅杰， 石國(guó)紅， 王全林， 谷傳龍

（1. 渤海裝備華油鋼管公司， 河北 青縣062658； 2. 渤海裝備第一機(jī)械廠， 河北 青縣062658）

在大型長(zhǎng)輸管道施工時(shí)， 現(xiàn)場(chǎng)焊接人員需每12 m 左右完成一道環(huán)焊縫的焊接， 由于現(xiàn)場(chǎng)焊接環(huán)境多變， 焊接工作量大， 所以鋼管對(duì)接環(huán)焊縫焊接就成為管道施工進(jìn)度的瓶頸問(wèn)題。 如果可以在工廠將兩根鋼管焊接成一根長(zhǎng)度為24 m 左右的長(zhǎng)鋼管， 再運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組對(duì)， 可減少現(xiàn)場(chǎng)工作量。 另外雙聯(lián)管焊接可使用與鋼管生產(chǎn)過(guò)程相近的對(duì)接及焊接工藝， 且具有焊接質(zhì)量和工作效率高、 節(jié)約設(shè)備投資等優(yōu)點(diǎn)。

1 雙聯(lián)管應(yīng)用實(shí)例

雙聯(lián)管又被稱為 “二接一”， 前蘇聯(lián)在西伯利亞的石油管道安裝工程中首先使用， 并進(jìn)一步發(fā)展到三接一、 四接一等。 美國(guó)布特勒聯(lián)合公司在伊朗沙漠區(qū)鋪設(shè)的一條長(zhǎng)797 km、直徑762～914 mm 的輸氣管線， 除了個(gè)別坡度較大的山區(qū)沒(méi)有采用雙聯(lián)管外， 80%預(yù)制成了雙聯(lián)管， 在施工沿線建立了5 個(gè)預(yù)制廠， 使施工速度大幅度提高。 該工藝在國(guó)內(nèi)于1991 年曾用于輪庫(kù)線30 km 管道施工， 并先后應(yīng)用于陜西—北京輸氣管道工程 （1996—1997 年）和蘇丹穆格萊德盆地石油開發(fā)項(xiàng)目管道工程（1998—1999 年） 中， 施工長(zhǎng)度累計(jì)約400 km，經(jīng)濟(jì)效益顯著[1]。 蘇丹管道工程采用X65 管線鋼管， 管 徑 為711 mm， 壁 厚 為10.72 mm[2]。2008 年， 中國(guó)石油天然氣管道局第二工程分公司在西氣東輸二線管道工程7 標(biāo)段X80 鋼級(jí)Φ1 219 mm×18.4 mm 規(guī)格管道施工中， 進(jìn)行過(guò)雙聯(lián)管焊接工藝應(yīng)用， 當(dāng)時(shí)在甘肅安北車站建立了雙聯(lián)管機(jī)組， 采用半自動(dòng)定位焊＋內(nèi)／外雙絲埋弧焊的焊接工藝， 大大提高了雙聯(lián)管生產(chǎn)線自動(dòng)化程度。 另外在部分油田建設(shè)中也使用了“雙聯(lián)管” 技術(shù)， 但管徑較小， 且總量偏少。

目前， 國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管線 “雙聯(lián)管” 技術(shù)均由管線施工單位完成， 輪庫(kù)線、 陜京一線及西氣東輸二線3 條管線中采用的 “雙聯(lián)管” 技術(shù)均由中國(guó)石油天然氣管道局第二工程分公司完成， 中國(guó)石油天然氣管道局第三工程分公司在烏?！y川焦?fàn)t煤氣管線中采用過(guò) “雙聯(lián)管”技術(shù)。

2 雙聯(lián)管標(biāo)準(zhǔn)與資質(zhì)

通過(guò)對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)可以看出， 雙聯(lián)管的對(duì)接要求鋼管在制造過(guò)程中， 需按照TSG 07—2019《特種設(shè)備生產(chǎn)和充裝單位許可規(guī)則》[3]取得《壓力管道元件制造許可證》， 雙聯(lián)管的焊接及檢驗(yàn)均可以由鋼管制造商在注冊(cè)地進(jìn)行。 鋼管制造商若想在長(zhǎng)輸管線施工現(xiàn)場(chǎng)附近或者港口附近進(jìn)行雙聯(lián)管制造， 需要在原有鋼管制造地基礎(chǔ)上申請(qǐng)多處制造地址， 按照標(biāo)準(zhǔn)要求辦理增項(xiàng)， 若多處制造地址不在同一省的， 應(yīng)當(dāng)分別向其所在地的省級(jí)特種設(shè)備安全監(jiān)管部門進(jìn)行申請(qǐng)。

在安裝過(guò)程中， 需首先按照TSG 07—2019《特種設(shè)備生產(chǎn)和充裝單位許可規(guī)則》的要求，取得 《壓力管道安裝許可證》， 同時(shí)由管線施工單位按照GB/T 31032—2014 《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》[4]或相近標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行制造。 鋼管的焊接由符合要求的焊工進(jìn)行， 對(duì)接焊縫的無(wú)損檢驗(yàn)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與鋼管制造標(biāo)準(zhǔn)略有差異。

另外， TSG 07—2019 《特種設(shè)備生產(chǎn)和充裝單位許可規(guī)則》 中規(guī)定 “持證單位應(yīng)當(dāng)妥善保管許可證， 不得涂改、 倒賣、 出租、 出借許可證； 壓力管道安裝單位的理化檢驗(yàn)、 無(wú)損檢測(cè)、 熱處理工序允許外委， 其他工作不允許外委”。 所以， 無(wú)論是鋼管制造， 還是管道安裝，都需要由單一單位來(lái)完成兩根鋼管的對(duì)接作業(yè)， 不能通過(guò)與其他單位合作的方式進(jìn)行雙聯(lián)管對(duì)接。

在制管廠預(yù)制的雙聯(lián)管在油氣管道工程中尚無(wú)應(yīng)用先例， “卡脖子” 的問(wèn)題還是雙聯(lián)管批量經(jīng)濟(jì)陸路運(yùn)輸。 雙聯(lián)管很難采用鐵路運(yùn)輸， 公路運(yùn)輸也是超限運(yùn)輸， 要使用特殊加長(zhǎng)車， 需報(bào)請(qǐng)運(yùn)輸沿線的公路交管部門審批放行， 同時(shí)對(duì)道路的轉(zhuǎn)彎半徑也有較高要求， 路線受到限制， 運(yùn)輸費(fèi)用會(huì)增加50%左右。 為實(shí)現(xiàn)雙聯(lián)管在油氣管道工程的批量應(yīng)用， 應(yīng)多方調(diào)研， 與運(yùn)輸部門充分接洽， 制定切實(shí)可行的方案， 爭(zhēng)取取得實(shí)質(zhì)性突破。

3 雙聯(lián)管焊接方法

對(duì)于雙聯(lián)管的制造流程， 主要可分為坡口制備、 鋼管對(duì)口、 鋼管焊接、 焊縫檢驗(yàn)、 鋼管防腐五個(gè)步驟， 其中鋼管焊接的方法及方案與鋼管制造及管道安裝都有很大差異， 需要進(jìn)行針對(duì)性研究。 從鋼管制造及管道安裝的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看， 雙聯(lián)管對(duì)接可采用手工電弧焊、 全自動(dòng)氣保焊及埋弧焊的方式來(lái)完成。 雙聯(lián)管對(duì)接焊接方法對(duì)比分析見(jiàn)表1， 通過(guò)表1 可以看出， 當(dāng)鋼管可以旋轉(zhuǎn)對(duì)接時(shí)， 內(nèi)外焊均采用埋弧焊，生產(chǎn)效率高， 并且能夠獲得優(yōu)良的焊縫質(zhì)量與性能。

表1 雙聯(lián)管對(duì)接焊接方法對(duì)比分析

4 雙聯(lián)管焊接方案

4.1 “小鈍邊、 小間隙” 對(duì)接方案

在鋼管修端過(guò)程中， 修端設(shè)備支承機(jī)構(gòu)的支承點(diǎn)位置出現(xiàn)偏差， 造成鋼管軸線與修端機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)軸線不同軸， 呈一定的角度， 致使鋼管在修端過(guò)程中軸線與刀盤的旋轉(zhuǎn)平面不垂直， 造成管端切斜[5]。 在API SPEC 5L 《管線鋼管規(guī)范》[6]和GB/T 9711—2017 《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》[7]標(biāo)準(zhǔn)中， 要求管端切斜尺寸不應(yīng)超過(guò)1.6 mm。 當(dāng)鋼管管端存在1 mm 左右切斜時(shí)， 為保證對(duì)接質(zhì)量， 可采用兩根鋼管間預(yù)留2～3 mm 間隙的方式進(jìn)行對(duì)接， 如圖1 所示。 焊接方案為STT/RMD 根焊+氣保焊填充+內(nèi)焊埋弧焊+外焊埋弧焊。

圖1 “ 小鈍邊、 小間隙” 對(duì)接坡口示意圖

STT 技術(shù)是美國(guó)林肯公司20 世紀(jì)90 年代的專利技術(shù)。 它采用波形控制電源， 是一種表面張力過(guò)渡焊。 STT 技術(shù)適用于碳鋼、 不銹鋼的焊接， 并能使用各種保護(hù)氣體， 具有根焊速度快、焊縫正背面成形好、 焊接缺陷易控制、 飛濺少、容易操作等特點(diǎn)[8]。 RMD 即熔敷金屬控制技術(shù)，是基于美國(guó)米勒公司的一種單面焊雙面成形根焊方法。 該技術(shù)由軟件控制， 能夠?qū)Χ搪愤^(guò)渡做出精確控制， 控制短路過(guò)程中各個(gè)階段的電流波形，從而控制多余的電弧熱量， 提高電弧推力， 在根部產(chǎn)生高質(zhì)量的熔深[9]， 根焊焊縫如圖2 所示。STT 及RMD 是目前管道施工常用根焊方法， 能夠適用于帶有間隙的根部焊接， 可以解決坡口不良和錯(cuò)邊等焊接難題， 節(jié)省裝配時(shí)間， 且背面焊縫成形好， 不需要進(jìn)行修磨處理。

圖2 STT 焊縫及RMD 焊縫金相照片

兩道氣保焊的作用是減小坡口深度， 使得外焊能夠填滿。 也可以加裝焊槍擺動(dòng)器， 采用平擺方式進(jìn)行焊接 （如圖3 所示）， 此種焊接方法一層就能夠?qū)⒑缚p填充起來(lái)， 滿足外焊埋弧焊要求。 但是為了保證邊緣部位焊透需要進(jìn)行短暫停留， 如圖3 （b） 中紅色平擺方式所示， 停留時(shí)就會(huì)造成邊緣部位熱輸入大， 埋弧焊時(shí)若無(wú)法完全熔化氣保焊焊縫， 容易造成韌性變差。

圖3 擺動(dòng)焊擺幅及擺動(dòng)路線示意圖

若填充焊采用埋弧焊的方式， 雖然能夠減少填充所用時(shí)間， 但是因打底焊深度較小， 焊接時(shí)易出現(xiàn)燒穿類缺陷， 焊縫修補(bǔ)會(huì)增加操作時(shí)間。 內(nèi)外蓋面焊所用埋弧焊可根據(jù)壁厚確定，焊接相對(duì)較容易。

當(dāng)雙聯(lián)管對(duì)接時(shí)存在3 mm 以下對(duì)縫間隙時(shí)， 采用此種方案進(jìn)行焊接， 不受間隙影響；但此種方案需準(zhǔn)備根焊焊機(jī)、 氣保焊焊機(jī)、 內(nèi)焊埋弧焊焊機(jī)、 外焊雙絲埋弧焊焊機(jī)， 至少需要準(zhǔn)備五臺(tái)電焊機(jī)； 同時(shí)因根焊焊接時(shí)需要根據(jù)間隙大小來(lái)調(diào)整焊槍擺動(dòng)幅度， 氣保焊、 埋弧焊可以采用自動(dòng)化設(shè)備， 所以操作工至少需要掌握STT/RMD 半自動(dòng)根焊焊接技能及氣保焊、 埋弧焊操作技能。

4.2 “小鈍邊、 大間隙” 對(duì)接方案

在GB/T3091—2015 《低壓流體輸送用焊接鋼管》[10]和GB/T 5037—2018 《普通流體輸送管道用螺旋焊鋼管》[11]標(biāo)準(zhǔn)中， 要求當(dāng)管徑≥813 mm時(shí)， 管端切斜尺寸不應(yīng)超過(guò)3.0 mm。 當(dāng)進(jìn)行此類雙聯(lián)管焊接時(shí)， 且管端切斜為2～3 mm 時(shí)，若采用 “小鈍邊、 小間隙” 對(duì)接方案進(jìn)行對(duì)接焊， 就會(huì)使對(duì)接環(huán)縫存在部分位置無(wú)間隙， 部分位置間隙4～6 mm。 無(wú)間隙位置無(wú)法焊透易出現(xiàn)缺陷， 若后續(xù)焊接無(wú)法完全熔化根焊焊縫， 將影響最終焊縫質(zhì)量， 同時(shí)由于STT/RMD 兩種方式當(dāng)間隙＞4 mm 時(shí)， 將增加焊接難度。 所以本方案是人為制造4～6 mm 間隙， 在內(nèi)焊位置粘貼陶瓷襯墊的方式進(jìn)行打底焊， 如圖4 所示。 這樣既能雙面一次成形， 背面焊縫成形飽滿， 焊縫整齊， 焊接時(shí)電弧穩(wěn)定， 能夠保證焊接質(zhì)量。 用此方式進(jìn)行焊接， 能夠少用一種焊接方法， 而且使用陶瓷襯墊背面成形良好， 當(dāng)焊縫符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)， 內(nèi)焊可不再焊接。 打底焊完成后， 其余焊接順序與“小鈍邊、 小間隙” 對(duì)接方案一致。

圖4 “ 小鈍邊、 大間隙” 對(duì)接坡口

4.3 “大鈍邊、 無(wú)間隙” 對(duì)接方案

上述方案均使用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行根焊及填充焊， 同時(shí)為保證埋弧蓋面焊時(shí)不出現(xiàn)燒穿類缺陷， CO2氣體保護(hù)焊總體熔深大， 在后續(xù)的埋弧焊焊接過(guò)程中無(wú)法完全熔化。 由于CO2氣體保護(hù)焊具有焊接飛濺較大、 焊縫成形質(zhì)量不好、 焊縫金屬?zèng)_擊韌性較低等不足[12]， 從而會(huì)對(duì)環(huán)焊縫焊接質(zhì)量及沖擊韌性造成不利影響。 在對(duì)于焊縫沖擊韌性有較高要求的鋼管對(duì)接時(shí)， 就需要減少CO2氣體保護(hù)焊的熔化深度， 使其能夠被埋弧焊完全熔化， 從而提高焊縫整體韌性指標(biāo)。

另外使用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行根焊及填充焊，整體效率較低， 以Φ1 219 mm 規(guī)格鋼管為例進(jìn)行測(cè)算， 上述兩種方案焊接總時(shí)間約為40～50 min。為提高總體生產(chǎn)效率， 可采用“大鈍邊、 無(wú)間隙”的方式進(jìn)行雙聯(lián)管的對(duì)接， 如圖5 所示， 先進(jìn)行氣保焊打底， 再進(jìn)行內(nèi)焊埋弧焊， 最后進(jìn)行外焊埋弧焊。 同樣以Φ1 219 mm 規(guī)格鋼管為例， 此種焊接方案焊接總時(shí)間約為20 min。

圖5 "大鈍邊、 無(wú)間隙" 對(duì)接坡口示意圖

雖然此種方案效率高， 但是對(duì)間隙要求比較嚴(yán)， 為了保證埋弧焊時(shí)不出現(xiàn)燒穿類缺陷， 對(duì)縫間隙要求0～0.5 mm， 這樣的對(duì)縫間隙就需要將鋼管管端切斜控制在0.5 mm 以下來(lái)實(shí)現(xiàn)。 隨著鋼管壁厚增加， 管徑增大， 切削力迅速增大， 夾緊裝置不能有效防止鋼管的振動(dòng)和移動(dòng)， 鋼管振動(dòng)加劇和偏離定位將嚴(yán)重影響鋼管倒棱的質(zhì)量[13]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)看， 一些大型國(guó)有企業(yè)設(shè)備專業(yè)、 測(cè)量規(guī)范， 切斜超差完全可以得到有效控制[14]， 能夠控制在0.5 mm 以下。

隨著鋼管制造商制造水平的不斷進(jìn)步， 鋼管的直度、 橢圓度及切斜都能夠控制在很好的范圍， 所以可在對(duì)接時(shí)采用一根鋼管固定， 另一根鋼管旋轉(zhuǎn)的方式尋找到最佳對(duì)接位置， 使錯(cuò)邊及間隙達(dá)到要求數(shù)值， 滿足此種焊縫方案的需求。

上述對(duì)接方案的實(shí)現(xiàn)， 要求雙聯(lián)管對(duì)接設(shè)備的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠同時(shí)具備軸向運(yùn)動(dòng)和周向運(yùn)動(dòng)功能。 目前國(guó)內(nèi)主要的油氣鋼管生產(chǎn)企業(yè)都建設(shè)了預(yù)精焊生產(chǎn)線， 其精焊工作站有3 種不同形式： 第一種是門式框架結(jié)構(gòu)的正交型精焊機(jī)； 第二種是借鑒防腐生產(chǎn)線的螺旋驅(qū)動(dòng)型精焊機(jī)； 第三種是借鑒直縫埋弧焊管的小車型精焊機(jī)。 其中以門式框架結(jié)構(gòu)的正交型精焊機(jī)為主， 此類精焊機(jī)組主要由鋼管輸送輥道、 鋼管驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、 精內(nèi)焊系統(tǒng)、 精外焊系統(tǒng)、 控制電柜（同時(shí)控制精內(nèi)焊和精外焊） 、 焊縫跟蹤系統(tǒng)、焊接電源及控制系統(tǒng)、 焊劑送料及回收系統(tǒng)和主操作平臺(tái)組成[15]， 完全能夠滿足雙聯(lián)管的對(duì)接及焊接需求。

5 雙聯(lián)管對(duì)接試驗(yàn)

根據(jù)方案三的相關(guān)控制要點(diǎn)， 進(jìn)行了X80M鋼級(jí)Φ1 219 mm×18.4 mm 長(zhǎng)管對(duì)接， 首先對(duì)鋼管尺寸進(jìn)行了測(cè)量， 管端尺寸符合標(biāo)準(zhǔn)要求； 然后進(jìn)行鋼管對(duì)接， 對(duì)接時(shí)采用一根鋼管固定， 另一根鋼管旋轉(zhuǎn)的方式尋找到最佳對(duì)接位置， 使錯(cuò)邊及間隙達(dá)到要求數(shù)值； 接著進(jìn)行外焊?jìng)?cè)的氣保打底焊， 再進(jìn)行內(nèi)焊單絲埋弧焊， 最后進(jìn)行外焊雙絲埋弧焊。 焊后首先對(duì)鋼管直度進(jìn)行測(cè)量（見(jiàn)表2）， 可以看出對(duì)接后長(zhǎng)管能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于直度的要求， 然后對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波手工檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格。

按照管線技術(shù)條件相關(guān)要求， 對(duì)雙聯(lián)管對(duì)接后焊縫取樣進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)， 其焊縫形貌及顯微組織如圖6 所示， 試驗(yàn)結(jié)果全部合格， 與管體焊縫差別不大。

表2 對(duì)接焊后鋼管直度測(cè)量結(jié)果 mm

圖6 雙聯(lián)管對(duì)接后焊縫形貌及顯微組織

6 結(jié) 論

（1） 當(dāng)鋼管管端切斜在1 mm 左右時(shí)， 可將鈍邊控制在1.5 mm 左右， 間隙控制在2～3 mm，采用先進(jìn)行STT/RMD 根焊， 再進(jìn)行氣保焊填充焊， 然后進(jìn)行內(nèi)焊埋弧焊， 最后進(jìn)行外焊埋弧焊的“小鈍邊、 小間隙” 對(duì)接方案。

（2） 當(dāng)鋼管管端切斜在2～3 mm 時(shí)， 可將鈍邊控制在1.5 mm 左右， 間隙控制在4～6 mm， 采用內(nèi)焊?jìng)?cè)加陶瓷襯墊先進(jìn)行打底焊， 再進(jìn)行外焊?jìng)?cè)氣保焊填充焊， 然后進(jìn)行內(nèi)焊埋弧焊， 最后進(jìn)行外焊埋弧焊的“小鈍邊、 大間隙” 對(duì)接方案。

（3） 當(dāng)鋼管管端切斜≤0.5 mm 時(shí)， 可將鈍邊控制在7 mm 左右， 間隙控制在0～0.5 mm，采用先進(jìn)行外焊?jìng)?cè)打底焊， 再進(jìn)行內(nèi)焊埋弧焊， 最后進(jìn)行外焊埋弧焊的 “大鈍邊、 無(wú)間隙”對(duì)接方案。