單槍自動焊在管道連頭口應(yīng)用中的改進(jìn)研究

劉曉文 牛連山 梁明明 李陽

摘要：利用內(nèi)焊機(jī)根焊+實心焊絲氣保下向自動焊進(jìn)行長輸管道焊接施工具有過程易于控制、焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)勢。然而，由于組對和坡口因素，原有的自動焊技術(shù)在管道連頭施工中難以應(yīng)用。連頭口具有寬窄不一、錯邊量大的特點，為實現(xiàn)管道連頭的自動化焊接，以CPP900-W1單焊炬管道自動焊系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用藥芯焊絲氣保護(hù)焊工藝，通過試驗對裝備功能及工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在坡口組對錯邊量3 mm，平焊位置和仰焊位置組對間隙相差2 mm（平焊位置組對間隙2.5 mm，仰焊位置組對間隙4.5 mm），得到能夠滿足連頭口自動焊要求的焊接裝備和焊接工藝參數(shù)，焊縫無損檢測結(jié)果及力學(xué)性能均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。該設(shè)備和工藝現(xiàn)已在中俄東線現(xiàn)場得到應(yīng)用且效果良好，大幅降低了焊工勞動強度，同時提高了焊接效率。

關(guān)鍵詞：油氣管道;自動焊;單焊炬;焊接效率

中圖分類號：TG457.6? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0082-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.15

0? ? 前言

人類對石油和天然氣需求的不斷增加推動著油氣管道向大口徑、大壁厚、高鋼級方向發(fā)展，與之相適應(yīng)的管道焊接技術(shù)和焊接裝備也在發(fā)生著巨大變化。近年來，自動焊在我國管道建設(shè)中已逐漸占據(jù)主體地位[1-3]。然而，管道施工建設(shè)中往往不可避免地會受到地理條件、人文和社會環(huán)境等外界因素的影響，導(dǎo)致現(xiàn)場多處留頭[4]，而連頭口組對后的焊口尺寸難以控制，容易出現(xiàn)寬窄不一、錯邊量大的情況，這嚴(yán)重制約了自動焊在連頭口焊接施工領(lǐng)域的應(yīng)用，目前現(xiàn)場連頭口仍多使用手工和半自動焊的方法，焊接效率較低，影響焊接進(jìn)度，嚴(yán)重的還會延誤工期、增大施工成本[5-6]。此外，近年來管道失效案例證明，手工和半自動焊已難以適應(yīng)高鋼級管道焊接要求[7-8]。

目前我國長輸管道自動焊最常用的焊接方法是內(nèi)焊機(jī)根焊+實心焊絲氣保下向自動焊（單焊炬熱焊、雙焊炬填蓋）。相比傳統(tǒng)的焊條電弧焊和半自動焊具有焊接效率高、焊接熱輸入小、接頭性能好的優(yōu)勢，該焊接方法多用于主體管線施工，如近兩年建設(shè)的漠大二線、陜四線、中靖線和正在建設(shè)的中俄東線等，其主體管線建設(shè)主要采用的正是這種焊接方法[9-11]。但這種焊接方法需要使用內(nèi)焊機(jī)在內(nèi)部進(jìn)行根焊，且外焊工藝對坡口尺寸精度要求較高，坡口適應(yīng)性較差，很難滿足連頭口的焊接。因此，亟需開發(fā)一種能夠適應(yīng)連頭口焊接的自動焊焊接方法和設(shè)備[12-14]。

1 試驗條件

1.1 管道連頭口特點

受地理條件、人文和社會環(huán)境等外界因素的影響，管道施工往往不能連續(xù)作業(yè)，而需要在建設(shè)受阻的位置留頭（如未完成征地協(xié)調(diào)的位置，鐵路、河流、公路、山區(qū)等需要開挖或者穿越的位置等），在其他位置重新起頭進(jìn)行敷設(shè)。在管線交付投產(chǎn)前，在留頭的位置將未連接完成的管道連接起來即為管道連頭，管道連頭口可分為自由口和固定口，自由口中母管相對固定，待組對的管子可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和移動，而固定口中兩端的管道均無法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和自由移動。管道連頭口由于作業(yè)面小、作業(yè)區(qū)域分散，不適宜流水作業(yè)施工，且使用的鋼管多為主線路施工剩余或反復(fù)切割后的管道，管口變形較大、橢圓度較高。因此，由于管道和組對條件受限，連頭口具有錯邊量大、組對間隙寬窄不一的特點，是管道焊接施工的難點和重點。

1.2 試驗方法和設(shè)備

相比實心焊絲氣保下向焊，藥芯焊絲氣保上向焊具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接過程易于控制、操作簡便等優(yōu)勢[15-17]，更適用于連頭口的焊接。試驗采用藥芯焊絲氣保上向焊的方法進(jìn)行熱焊、填充和蓋面焊接;使用手工氬弧焊進(jìn)行根焊，在文中不做討論（現(xiàn)場亦有使用STT、RMD進(jìn)行根焊，手工氬弧焊根焊質(zhì)量較好）。

在管道自動焊作業(yè)中，用到的主要加工和焊接設(shè)備有管道坡口機(jī)、管道內(nèi)焊機(jī)和管道外焊機(jī)。管道外焊機(jī)按照焊炬?zhèn)€數(shù)分為單焊炬和雙焊炬外焊機(jī)[18]。目前國內(nèi)外生產(chǎn)管道自動焊設(shè)備的廠家主要有美國CRC-evans公司、法國Serimax公司、中國石油天然氣管道科學(xué)研究院有限公司、四川成都熊谷加世電器有限公司，在近兩年的工程中，國產(chǎn)自動焊設(shè)備已逐漸取代了進(jìn)口設(shè)備，成為國內(nèi)自動焊作業(yè)的主力軍[19-22]。試驗選用CPP900-W1單焊炬外焊系統(tǒng)（見圖1），該焊接系統(tǒng)為中國石油天然氣管道科學(xué)研究院自主研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)的管道全位置自動焊系統(tǒng)，包括智能控制系統(tǒng)、焊接電源、焊接小車和軌道[23]。試驗所用管材是X80管線鋼，尺寸規(guī)格為φ1 422 mm×21.4 mm。試驗所用焊材為京雷AFR-91K2M，保護(hù)氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣，氣體流量為20～25 L/min。使用單V型坡口進(jìn)行試驗（見圖2）。首先，按要求的尺寸組對焊接進(jìn)行焊接工藝參數(shù)的摸索;其后，針對模擬現(xiàn)場連頭口對口間隙不勻、錯變量大的特點，進(jìn)行坡口適應(yīng)性焊接試驗，坡口組對時調(diào)整錯邊量最大達(dá)到3 mm（焊接工藝規(guī)程內(nèi)允許的最大錯邊量），平焊位置和仰焊位置的組對間隙相差2 mm（平焊位置組對間隙2.5 mm，仰焊位置組對間隙4.5 mm）。

完成管口組對和打底焊后，進(jìn)行熱焊、填充和蓋面焊接工藝參數(shù)的摸索。CPP900-W1自動焊系統(tǒng)中可調(diào)的焊接參數(shù)有送絲速度、焊接速度、電壓修正、擺動寬度、擺動時間、邊緣停留時間，焊接程序選擇一元化藥芯氣保焊（1-MIG-R004）程序，焊接過程中電流、電壓值根據(jù)給定的送絲速度和電壓修正值按照工藝曲線自動匹配。整個焊口按空間位置劃分為12個區(qū)域，每個區(qū)域的參數(shù)可單獨設(shè)置（見圖3）。

2 設(shè)備及工藝改進(jìn)

2.1 設(shè)備功能改進(jìn)

2.1.1 擺寬調(diào)節(jié)功能改進(jìn)

對于坡口寬度變化較大的連頭口的焊接，要求控制系統(tǒng)對手持盒的焊接速度和擺動寬度調(diào)整響應(yīng)速度快，原CPP900-W1主控系統(tǒng)在接收到手持盒焊接速度或擺動寬度參數(shù)調(diào)整信號后，對信號分析處理，為避免在擺動電機(jī)轉(zhuǎn)動過程中調(diào)整參數(shù)，應(yīng)在下一個擺動周期開始時做出調(diào)整。以焊接速度180 mm/min、單程擺動時間500 ms（不含邊停時間）、邊緣停留時間（200 ms）為例，一個擺動單程焊槍沿焊接方向移動距離為3 mm，邊緣停留時間內(nèi)焊槍移動距離為1.2 mm，則一個擺動周期內(nèi)（包含兩個擺動單程和兩個邊緣停留）焊槍移動距離為8.4 mm。當(dāng)在t時刻焊工通過觀察發(fā)現(xiàn)焊槍擺寬不足，假設(shè)焊工反應(yīng)時間小于200 ms，即在邊緣停留時間內(nèi)（t1時刻）按下擺動增幅按鍵，忽略程序內(nèi)信號判讀及預(yù)處理時間（小于10 ms），在優(yōu)化前，程序設(shè)定為當(dāng)前擺動周期內(nèi)接收到的按鍵信號經(jīng)過處理之后需等待焊槍進(jìn)入下一個擺動周期時再執(zhí)行動作，則從焊工按下擺動增幅按鍵（t1時刻）到實際擺寬增大（t2時刻）焊槍沿焊接方向的移動距離為7.2 mm，若擺寬與實際焊道寬度差距較大，則在該段距離內(nèi)容易出現(xiàn)坡口邊緣未熔合或夾渣缺陷，這對焊接質(zhì)量極其不利。為此，對程序進(jìn)行優(yōu)化，焊接過程中系統(tǒng)通過擺動電機(jī)控制信號和反饋信號對焊槍位置（擺動階段或者邊停階段）進(jìn)行實時監(jiān)控，當(dāng)主控系統(tǒng)接收到焊槍擺寬調(diào)整信號，首先對當(dāng)前焊槍位置進(jìn)行判斷，如焊槍處于擺動階段，則在下一個邊停階段進(jìn)行電機(jī)參數(shù)調(diào)整，如焊槍處于邊停階段，則立即對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，程序優(yōu)化后當(dāng)按鍵在t1時刻按下，在t1'時刻（即下一個擺動單程時刻）焊槍擺寬即做出調(diào)整（見圖4），這大大減小了因?qū)挾炔町愒斐傻钠驴谶吘壩慈酆虾蛫A渣的幾率。

2.1.2 速度調(diào)節(jié)功能改進(jìn)

當(dāng)坡口寬度增大時，增大擺寬的同時也需要減慢焊接速度，以保證焊層填充高度，這給焊工操作帶來很大不便，可能會由于某一參數(shù)調(diào)節(jié)滯后而產(chǎn)生焊接缺陷，因此，需建立一種擺寬與焊接速度聯(lián)動的調(diào)節(jié)機(jī)制。假設(shè)兩側(cè)坡口角度一致，即寬度變化僅是由組對間隙差異引起的，經(jīng)過簡單推導(dǎo)，可以得到以下聯(lián)動關(guān)系式：

式中 ?v為進(jìn)行擺寬調(diào)節(jié)時的速度調(diào)整量（單位：mm/min）;η為使用該工藝焊接時焊絲的熔敷率，經(jīng)實際測算約為90%;Sw為焊絲截面積，對于φ1.2 mm藥芯焊絲Sw為1.13 mm2;vf為送絲速度（單位：mm/min）;vs為焊接速度（單位：mm/min）;ρw為焊絲密度（單位：kg/m3），試驗使用的焊絲密度約為6 318 kg/m3;ρ鋼為鋼的密度，7 800 kg/m3;?os為擺寬調(diào)整量（單位：mm）;h為單層填充高度（單位：mm），對于此工藝方法焊縫單層厚度一般設(shè)計為3～4 mm，此處h取4 mm。

將該聯(lián)動關(guān)系放入程序中對擺寬調(diào)節(jié)時的速度調(diào)整量進(jìn)行計算，其中vf、vs、?os可通過程序讀取，其余參數(shù)按上述給定進(jìn)行設(shè)置，實現(xiàn)了擺寬調(diào)節(jié)與焊接速度的同步調(diào)整。通過反復(fù)試驗，使用該算法進(jìn)行焊接速度隨擺寬的同步調(diào)節(jié)，能夠保證焊口寬窄不一時，焊層厚度維持一致。

2.1.3 邊緣停留調(diào)節(jié)功能改進(jìn)

當(dāng)坡口組對錯邊量較大，在進(jìn)行最后一層填充焊時，為保證兩側(cè)坡口均熔合良好，需要使電弧在較高一側(cè)坡口停留更長時間，以保證該側(cè)坡口熔合并填入足夠的填充金屬。原CPP900-W1擺動焊時，兩側(cè)邊緣停留時間相同，不能單獨調(diào)節(jié)。為適應(yīng)錯邊量大的連頭口焊接，在每一層的焊接參數(shù)中增加一組變量用于分別調(diào)節(jié)擺動時的左、右邊停時間，同時增加觸摸屏左右邊停時間顯示功能，使焊工在焊接時可以根據(jù)實際情況對左、右邊停時間單獨進(jìn)行調(diào)整，并能夠通過觸屏實時觀察當(dāng)前執(zhí)行的參數(shù)（見圖5）。

2.2 焊接工藝優(yōu)化

2.2.1 焊接工藝參數(shù)摸索

對于試驗采用的坡口和壁厚，根焊后需進(jìn)行熱焊1層，填充焊3層，蓋面焊1層，接頭的宏觀金相照片（見圖6）顯示，各層間和坡口熔合良好，焊層單層厚度適中。通過反復(fù)焊接試驗對不同位置的焊接參數(shù)進(jìn)行摸索及優(yōu)化，獲得最佳焊接工藝參數(shù)，如表1所示?？梢?，越靠近外層，擺動寬度越大，擺動時間與邊停時間增大，焊接速度相應(yīng)降低;對于同一焊層不同位置，仰焊和立焊位置由于熔池受力狀態(tài)特殊，為保證焊縫成形及坡口熔合，需將焊接速度與送絲速度設(shè)置較小，擺寬、擺動時間、邊停時間設(shè)置較大，從立焊到平焊位置，焊接速度與送絲速度逐漸加大，擺寬、擺動時間、邊停時間逐漸減小。

2.2.2 坡口適應(yīng)性試驗

使用程序優(yōu)化后的CPP900-W1采用上述焊接參數(shù)進(jìn)行坡口適應(yīng)性試驗。按焊接工藝規(guī)程允許范圍內(nèi)的極限進(jìn)行組對，即錯邊量最大位置達(dá)到3 mm，對口間隙最大和最小位置相差2 mm。對焊后接頭進(jìn)行無損檢測，RT根據(jù)《石油天然氣鋼制管道無損檢測》SY/T 4109-2013評定Ⅰ級合格（驗收等級為Ⅱ級），PAUT根據(jù)《油氣管道工程相控陣檢測技術(shù)規(guī)定》CDP-G-OGP-OP-153-2019-2評定Ⅰ級合格（驗收等級為Ⅱ級）。由錯邊量3 mm位置接頭宏觀金相（見圖7）及對口間隙最大和最小位置接頭宏觀金相（見圖8）可見，接頭內(nèi)各層間及與坡口熔合良好，無明顯缺陷。

2.2.3 接頭性能試驗

依據(jù)《中俄東線天然氣管道工程技術(shù)規(guī)范》、《油氣管道工程焊接技術(shù)規(guī)定》CDP-G-OGP-OP-081.01-2016-1和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗收》對焊接接頭進(jìn)行取樣和性能分析試驗，檢測項目及試樣數(shù)量為：橫向拉伸試樣4個、全焊縫拉伸試樣2個、刻槽錘斷試樣4個、側(cè)彎試樣8個、背彎試樣4個、金相試樣3個、硬度試樣3個、沖擊（-20 ℃）試樣36個、系列沖擊（0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-45 ℃、-60 ℃）試樣72個。試驗數(shù)據(jù)如表2～表6所示，沖擊試驗數(shù)據(jù)量較大，此處不一一列舉，表6列出了各組沖擊試驗的單個最低值和最低平均值。各項力學(xué)性能指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及后期工作展望

目前，經(jīng)過升級優(yōu)化的CPP900-W1設(shè)備已在中俄東線北段管道連頭焊接中得到廣泛應(yīng)用且效果良好，自動焊焊層缺陷率較低，其合格率可達(dá)90%以上。與傳統(tǒng)的手工和半自動焊相比，大大降低了焊工的勞動強度，同時焊接效率提高了約50%。在使用CPP900-W1自動焊連頭施工中發(fā)現(xiàn)，制約連頭口焊接合格率的主要因素為根焊質(zhì)量不穩(wěn)定，由于管道自動外根焊技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用較少，目前連頭口根焊仍采用手工或半自動焊，根焊質(zhì)量受焊工水平和狀態(tài)影響極大，高水平的根焊工資源稀缺，用工成本也大幅增加。此外，近年來的管道失效案例證明根焊質(zhì)量對管道環(huán)焊縫力學(xué)性能及管道服役安全性影響巨大，管道工程對根焊質(zhì)量的要求也日益嚴(yán)格。因此，在具備連頭自動焊功能的CPP900-W1基礎(chǔ)上增加根焊功能，解決管道全位置自動根焊的問題，將成為后續(xù)解決管道連頭自動焊問題的工作重點。

4 結(jié)論

（1）針對管道連頭口開口不勻、錯邊量大的特點，優(yōu)化CPP900-W1自動焊系統(tǒng)的擺動寬度調(diào)節(jié)功能、速度調(diào)節(jié)功能和邊緣停留調(diào)節(jié)功能，能夠滿足連頭口焊接的使用要求，實現(xiàn)了長輸管道連頭口的自動化焊接。

（2）使用優(yōu)化后的CPP900-W1自動焊系統(tǒng)開展焊接工藝試驗，得到了一套φ1 422 mm×21.4 mm管道自動焊工藝參數(shù);坡口適應(yīng)性試驗表明使用該自動焊系統(tǒng)及焊接工藝能夠滿足連頭口焊接要求，焊縫成形美觀、焊接質(zhì)量滿足現(xiàn)場檢測標(biāo)準(zhǔn)要求;接頭力學(xué)性能試驗表明，各項性能指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（3）CPP900-W1自動焊系統(tǒng)及工藝已在中俄東線北段連頭焊接中得到廣泛應(yīng)用，焊接合格率高、降低了焊工勞動強度并大幅提高了焊接效率。

（4）目前管道連頭自動焊主要應(yīng)用于填充和蓋面焊接，根焊仍采用手工和半自動焊方式，根焊效率低且質(zhì)量不穩(wěn)定，因此在原自動焊基礎(chǔ)上開發(fā)適用于管道連頭應(yīng)用的根焊功能將成為后面的工作重點。

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