長(zhǎng)輸油氣管道全自動(dòng)焊技術(shù)及施工應(yīng)用

＊王軍強(qiáng) 秦紅斌 葉威

（中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司 河南 471023）

1.長(zhǎng)輸油氣管道自動(dòng)焊的特點(diǎn)

隨著我國(guó)石油天然氣需求的增長(zhǎng)速度越來(lái)越快，油氣管道更多的使用長(zhǎng)距離、大口徑、高鋼級(jí)的厚壁管，全自動(dòng)焊接技術(shù)也迎來(lái)了快速發(fā)展的階段，相關(guān)技術(shù)研究及應(yīng)用效果都取得了比較好的成績(jī)。相比傳統(tǒng)的手工焊或半自動(dòng)焊方式，管道全自動(dòng)焊的主要特點(diǎn)有：焊接質(zhì)量好、成形美觀、效率高、勞動(dòng)強(qiáng)度低等，是一種非常實(shí)用的先進(jìn)技術(shù)。

2.常見焊接方法及工藝

(1)常見全自動(dòng)焊接方法

①熔化極氣體保護(hù)焊。熔化極氣體保護(hù)焊分為實(shí)芯焊絲、藥芯焊絲和金屬粉芯焊絲。實(shí)芯焊絲焊渣少，但抗風(fēng)能力弱，飛濺大；藥芯焊絲焊接合格率高，熔敷速度更快，焊接工藝性能及成形較好，適用性更廣，但熔敷系數(shù)相對(duì)較低，容易產(chǎn)生氣孔等缺陷；金屬粉芯焊絲由鋼帶和金屬粉藥芯組成，焊接工藝性能和力學(xué)性能好，速度快，焊縫成形好，飛濺少，保存條件要求干燥、密閉。

②埋弧自動(dòng)焊。埋弧自動(dòng)焊是指焊絲在焊劑覆蓋下的焊道內(nèi)完成電弧焊接的方法，有單絲和多絲之分。優(yōu)點(diǎn)有：設(shè)備投資較小、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、粉塵少、無(wú)弧光傷害等。在長(zhǎng)輸管道焊接時(shí)，使用雙聯(lián)管預(yù)制作業(yè)方式，可以有效減少現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)的工程量，節(jié)省人力并縮短施工周期。

③閃光對(duì)焊。閃光對(duì)焊是指焊口兩側(cè)在低電壓、強(qiáng)電流作用下產(chǎn)生的強(qiáng)光及火花使焊道瞬間達(dá)到高溫，擠壓焊接成形。優(yōu)點(diǎn)是：焊接質(zhì)量好、效率高、天氣適應(yīng)能力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)成本較低。缺點(diǎn)是：對(duì)供電系統(tǒng)要求極高，焊后管子內(nèi)外表面毛刺較多，焊縫無(wú)損檢測(cè)困難，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少。

④其它焊接方法。其它焊接方法還有：自保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊、等離子焊、激光-電弧復(fù)合焊等。自保護(hù)藥芯焊絲全自動(dòng)焊：具有抗風(fēng)能力強(qiáng)、適合戶外作業(yè)等特點(diǎn)，該焊絲目前多用于半自動(dòng)焊接。等離子焊：以等離子弧產(chǎn)生的高溫來(lái)完成熔焊的方法，具有高熔深、焊接效率高、單面焊雙面成形好、變形小等特點(diǎn)。激光-電弧復(fù)合焊：是一種具有高焊速、深熔透、焊縫深寬比大、變形小等特點(diǎn)的焊接方法，它同時(shí)具備激光焊與電弧焊的優(yōu)勢(shì)。這幾種焊接方法在長(zhǎng)輸管道應(yīng)用上還不夠成熟，需進(jìn)一步改進(jìn)。

(2)主要全自動(dòng)焊接工藝及設(shè)備

①內(nèi)焊機(jī)根焊+外焊機(jī)填蓋。內(nèi)焊機(jī)完成管道對(duì)口與根焊焊接，單焊炬單絲外焊機(jī)進(jìn)行熱焊，雙焊炬（或單焊炬）單絲（或雙絲）外焊機(jī)填充與蓋面焊。優(yōu)勢(shì)是操作方便，焊接速度快，成形美觀，一次焊接合格率高。缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，一次設(shè)備投資極高，維修保養(yǎng)要求高，適合起伏相對(duì)平緩的地勢(shì)。雙焊炬焊接效率更高且運(yùn)用更廣，但要避免后槍在焊接時(shí)發(fā)生未熔合。典型焊接設(shè)備配置見表1：

表1 內(nèi)焊機(jī)根焊+外焊機(jī)填蓋焊工藝典型焊接設(shè)備配置

②外焊機(jī)根焊及填充蓋面焊。內(nèi)對(duì)口器完成管口組對(duì)，單焊炬單絲外焊機(jī)進(jìn)行根焊，單焊炬單絲外焊機(jī)進(jìn)行熱焊，單焊炬單絲（或雙絲）外焊機(jī)填充與蓋面焊。優(yōu)點(diǎn)是：焊縫強(qiáng)度高，使用可靠，易維修，焊接合格率較高，速度較快。缺點(diǎn)是：對(duì)焊縫坡口的尺寸、間隙及錯(cuò)邊量要求很高，焊接防風(fēng)要求高。此種工藝采用的是單面焊雙面成型的根焊方式，需要注意氣孔、未熔合或燒穿等情況的發(fā)生。常見設(shè)備配置：內(nèi)焊機(jī)CRC-M300C或PWT-CWS.02NRT，外焊機(jī)CRC-P600/P625或RMS-MOW-1。

③帶銅襯墊外焊機(jī)自動(dòng)焊。安裝銅襯墊的內(nèi)對(duì)口器進(jìn)行焊縫組對(duì)，由外焊機(jī)完成根焊，背面強(qiáng)迫成型，由單焊炬外焊機(jī)進(jìn)行熱焊，單焊炬（或雙焊炬）外焊機(jī)完成填充與蓋面焊接。優(yōu)點(diǎn)是：焊接質(zhì)量相對(duì)較好，工效高，設(shè)備采購(gòu)及維護(hù)成本較低。缺點(diǎn)是：對(duì)焊工要求高，管口圓度不滿足要求時(shí)易在管內(nèi)產(chǎn)生焊瘤，用短弧根焊時(shí)容易產(chǎn)生銅污染。

(3)焊接工藝對(duì)比及選擇

由于自動(dòng)焊設(shè)備價(jià)格相對(duì)比較高，為了獲得理想的使用效果，必須要針對(duì)工程的特點(diǎn)和實(shí)際需求，選用合適的焊接工藝及設(shè)備，避免過度配置，在保障管線焊接質(zhì)量的條件下提高焊接效率。對(duì)于管徑在1016mm及以上的長(zhǎng)輸管道施工，可以配置坡口機(jī)、全自動(dòng)管道內(nèi)焊機(jī)、雙焊炬外焊機(jī)等成套焊接設(shè)備，采用內(nèi)焊機(jī)根焊和雙焊炬外焊機(jī)填充蓋面焊的工藝；對(duì)于管徑在508～813mm之間的長(zhǎng)輸管道線路施工，可以采用外焊機(jī)根焊和雙焊炬外焊機(jī)填蓋焊的自動(dòng)焊工藝；對(duì)管徑較小，強(qiáng)度等級(jí)低的管線，也可以適當(dāng)簡(jiǎn)化設(shè)備配置，采用半自動(dòng)焊根焊、全自動(dòng)填蓋焊接等焊接工藝相結(jié)合的方式，以減輕設(shè)備投入壓力，提高焊接效率和經(jīng)濟(jì)效益。另外，可以在施工現(xiàn)場(chǎng)附近每隔一段距離設(shè)置預(yù)制場(chǎng)，采用埋弧自動(dòng)焊技術(shù)進(jìn)行“管道二接一”的焊接預(yù)制工作，起到提升施工效率和節(jié)省人力成本的作用。

3.焊接技術(shù)要求

（1）焊前準(zhǔn)備。焊接前要核對(duì)焊接材料型號(hào)，認(rèn)真檢查鋼管周長(zhǎng)差及鋼管內(nèi)外表面坡口兩側(cè)的缺陷，對(duì)劃痕或凹坑深度超過標(biāo)準(zhǔn)值的缺陷進(jìn)行必要處理。坡口兩側(cè)應(yīng)采用機(jī)械清理的方法顯現(xiàn)出管道的金屬光澤，坡口上附著的油污等雜物也要及時(shí)清除干凈。當(dāng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度、風(fēng)速及濕度等不滿足要求時(shí)，要做好有針對(duì)性的防護(hù)措施或者暫停焊接作業(yè)任務(wù)。

（2）焊接坡口。坡口加工要根據(jù)管道焊接對(duì)應(yīng)的焊接工藝規(guī)程選擇合適的坡口型式、角度和尺寸，并按照其要求嚴(yán)格執(zhí)行，不等壁厚坡口要進(jìn)行坡口過渡或內(nèi)削邊處理。坡口內(nèi)外表面應(yīng)平滑，無(wú)毛刺、劃痕或分層，坡口加工的好壞會(huì)影響后續(xù)焊接的質(zhì)量。坡口加工后宜當(dāng)日完成施焊。

（3）管口組對(duì)。全自動(dòng)焊工藝的管道對(duì)口一般采用適合的內(nèi)對(duì)口器，或者直接使用內(nèi)焊機(jī)。組對(duì)前要查看管內(nèi)無(wú)雜物。管道組對(duì)時(shí)禁止重物敲擊，不能在管道上產(chǎn)生劃痕。管道組對(duì)的對(duì)口間隙和錯(cuò)邊量等均要符合相關(guān)規(guī)定。管口組對(duì)后，不要立即撤離對(duì)口器，要防止根部焊道出現(xiàn)開裂風(fēng)險(xiǎn)。

（4）焊接預(yù)熱。管道焊接過程中要做好預(yù)熱工作，使焊縫兩側(cè)50mm范圍內(nèi)的焊前預(yù)熱溫度和焊道的層間溫度滿足相關(guān)規(guī)定和要求?？梢酝ㄟ^火焰、電或電磁感應(yīng)進(jìn)行加熱，加熱過程的溫度要均勻。當(dāng)焊縫溫度降至不滿足要求的時(shí)候，要再次進(jìn)行加熱。當(dāng)環(huán)境低于零下5℃時(shí)，不宜采用火焰加熱，要做好管道焊縫的層間保溫和焊后緩冷。

（5）焊接。管道自動(dòng)焊焊接過程包括：根焊、熱焊、填充和蓋面焊。焊接過程要使用專用卡具將地線牢靠的固定在坡口處，避免接觸不良而發(fā)生電火花損傷管壁，焊接引弧的地方也要避開鋼管表面。使用內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行根焊時(shí)，管道兩端不能敞口，避免因氣流因素影響導(dǎo)致出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題。在根焊完成后需要立刻安排熱焊工序。采用外焊機(jī)下向焊時(shí)，待第一臺(tái)焊接小車從管頂起弧焊接至3點(diǎn)鐘或9點(diǎn)鐘方位后，另一臺(tái)焊接小車再沿反方向從管頂向下施焊。焊工在施焊過程中要隨時(shí)注意并調(diào)整焊炬的對(duì)中位置。道間焊縫填充前，需要清理上一道焊道處的熔渣、氣孔、弧坑及高凸等缺陷。焊接過程中應(yīng)做好施工檢查記錄及焊口標(biāo)識(shí)，焊接結(jié)束后應(yīng)注意封堵管端。

（6）修補(bǔ)和返修。焊縫返修也需要根據(jù)不同的焊接工藝分別進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。對(duì)焊接產(chǎn)生的熔渣、咬邊、焊瘤及氣孔等缺陷要及時(shí)清理或修補(bǔ)，對(duì)存在裂紋的焊道要直接割除。返修前的焊縫同樣需要清除缺陷及預(yù)熱，返修次數(shù)不能超過要求。

4.自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用及機(jī)組的配置

國(guó)內(nèi)某天然氣長(zhǎng)輸管道主線參數(shù)為：φ1422mm×25.7mm、X80M、12MPa，主要采用的自動(dòng)焊工藝是：8焊炬內(nèi)焊機(jī)根焊和雙焊炬外焊機(jī)填蓋。一次焊接合格率達(dá)到95%以上。φ1422mm的管道根焊時(shí)間約90s，一個(gè)全自動(dòng)焊機(jī)組日均能夠焊接15-30道焊縫，要比半自動(dòng)焊機(jī)組多2-3倍。φ1219mm的管道焊縫全流程施工時(shí)間約40min，每天最大焊接能力為16～17道。對(duì)比半自動(dòng)焊等方式，全自動(dòng)焊在大口徑長(zhǎng)輸管道焊接合格率及焊接速度等方面更有優(yōu)勢(shì)。某自動(dòng)焊機(jī)組人員包括：機(jī)組長(zhǎng)、技術(shù)員、質(zhì)檢員及安全員各1名，焊工17名、管工2名等，職責(zé)分工見表2。主要設(shè)備包括：坡口機(jī)1臺(tái)套、內(nèi)焊機(jī)1臺(tái)套、外焊機(jī)12臺(tái)套，配套焊接工程車8臺(tái)套等。

表2 某自動(dòng)焊機(jī)組主要人員配置

5.結(jié)語(yǔ)

管道全自動(dòng)焊技術(shù)是大口徑長(zhǎng)輸油氣管道焊接的發(fā)展方向，在中俄東線等長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)中，國(guó)產(chǎn)全自動(dòng)焊設(shè)備也取得了很好的焊接質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效果。隨著我國(guó)不斷加大長(zhǎng)輸管道建設(shè)的投入，管道工程建設(shè)行業(yè)也要加大全自動(dòng)焊接工藝、配套設(shè)備及設(shè)施的研究，提高長(zhǎng)輸油氣管道全自動(dòng)焊的焊接占比，促進(jìn)我國(guó)在長(zhǎng)輸油氣管道全自動(dòng)焊技術(shù)的快速發(fā)展。