長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊工藝關(guān)鍵技術(shù)探討

蔡 亮

（中航油京津冀物流有限公司，天津 300300）

0 引言

隨著我國(guó)長(zhǎng)輸管道建設(shè)發(fā)展，鋼級(jí)、管徑和設(shè)計(jì)壓力不斷提高，對(duì)管道焊接技術(shù)和質(zhì)量提出更高要求[1]。管道自動(dòng)焊技術(shù)在保證焊縫強(qiáng)度、韌性基礎(chǔ)上，消除人為因素影響，提升焊接效率。近年來(lái)，自動(dòng)焊在我國(guó)管道建設(shè)中應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，但在組織管理、焊接效率、設(shè)備升級(jí)、焊材標(biāo)準(zhǔn)化等方面與國(guó)外存在差距。分析了國(guó)外管道自動(dòng)焊技術(shù)在設(shè)備研制、工程應(yīng)用以及管理理念等方面的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。結(jié)合我國(guó)管道自動(dòng)焊技術(shù)現(xiàn)狀和瓶頸問(wèn)題，提出了我國(guó)管道應(yīng)用和提升自動(dòng)焊技術(shù)的建議。

1 管道自動(dòng)焊技術(shù)發(fā)展歷程

從20世紀(jì)70～80年代國(guó)外自動(dòng)焊技術(shù)發(fā)展，已成為高鋼級(jí)、大口徑、高壓力管道建設(shè)首選技術(shù)。應(yīng)用自動(dòng)焊技術(shù)建成的管道超過(guò)50000km，約占總里程80%。代表性技術(shù)是熔化極氣保護(hù)自動(dòng)焊（GMAW），代表性自動(dòng)焊設(shè)備是美國(guó)CRC-Evans系統(tǒng)，預(yù)計(jì)建成管道長(zhǎng)度超過(guò)34000km。20世紀(jì)70年代我國(guó)管道建設(shè)采用手工焊（SMAW），80年代采用低氫/纖維素焊條手工下向焊，90年代采用自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊接技術(shù)（FCAW-S）。21世紀(jì)以西氣東輸管道建設(shè)為契機(jī)，自動(dòng)焊在管道建設(shè)中占比不斷提高，并引入熔化極氣保護(hù)自動(dòng)焊。近年來(lái)則研制雙焊炬脈沖自動(dòng)焊技術(shù)（PGMAW）。西氣東輸三線、陜京四線、中俄原油管道二線，中俄東線干線均采用自動(dòng)焊工藝。

2 我國(guó)管道自動(dòng)焊技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 管道自動(dòng)焊設(shè)備類型

我國(guó)先后引進(jìn)管道自動(dòng)焊設(shè)備意大利PWT公司、加拿大RMS公司外焊機(jī)，英國(guó)Noreast公司、美國(guó)CRC-Evans公司內(nèi)/外焊機(jī)。意大利PWT根焊外焊機(jī)配套R(shí)MS、Noreast、PAW2000外焊機(jī)實(shí)施填充、蓋面焊接，根焊是單面焊雙面成型，對(duì)坡口組對(duì)參數(shù)（鈍邊量、間隙、錯(cuò)邊量）嚴(yán)格限定，應(yīng)用中多次產(chǎn)生未焊透、氣孔等缺陷。

根焊內(nèi)焊機(jī)有Noreast和CRC產(chǎn)品，填充蓋面焊接配套Noreast、RMS、CRC M300/P600國(guó)外外焊機(jī)，PAW2000和PAW30000國(guó)內(nèi)外焊機(jī)。內(nèi)焊機(jī)對(duì)對(duì)坡口組對(duì)參數(shù)嚴(yán)格限定，內(nèi)焊機(jī)鈍邊厚度、組對(duì)間隙、錯(cuò)邊量等坡口組對(duì)參數(shù)要求非常嚴(yán)格，根焊缺陷率優(yōu)于PWT根焊外焊機(jī)。內(nèi)焊機(jī)是管道自動(dòng)焊主流方式。

最先進(jìn)的自動(dòng)焊設(shè)備是CRC P600和PAW3000雙焊炬外焊機(jī)，采用直流脈沖噴射技術(shù)，焊接效率比單焊炬外焊機(jī)提高50%。PGMAW對(duì)坡口組對(duì)參數(shù)嚴(yán)格限定，如坡口組對(duì)精度誤差導(dǎo)致在填充焊縫中產(chǎn)生未熔合缺陷。PAW2000、CRC M300、RMS和Noreast是單焊炬外焊機(jī)，對(duì)坡口組對(duì)參數(shù)不如雙焊炬高，如坡口組對(duì)精度誤差導(dǎo)致在熱焊層和最后一道填充焊縫產(chǎn)生未熔合缺陷。

2.2 管道自動(dòng)焊設(shè)備配置

我國(guó)生產(chǎn)管道自動(dòng)焊設(shè)備組成是坡口機(jī)（型號(hào)PFM）、內(nèi)對(duì)口器（型號(hào)CLAMP）與內(nèi)焊機(jī)（型號(hào)PIW）一體化系統(tǒng)和外焊機(jī)（型號(hào)PAW3000）。在西氣東輸工程使用的PAW3000機(jī)組和CRC P600自動(dòng)焊機(jī)組，焊接方式為內(nèi)焊機(jī)實(shí)施根焊，雙焊炬外焊機(jī)實(shí)施填充和蓋面焊。除配備內(nèi)焊機(jī)、外焊機(jī)、爬坡運(yùn)行軌道，還包括吊管機(jī)和坡口機(jī)。人員配置包括加工坡口、焊縫修整、機(jī)械工和車床工。

2.3 焊接材料

我國(guó)管道自動(dòng)焊采用的焊材類型是金屬實(shí)芯焊絲和氣保護(hù)藥芯焊絲，其中金屬實(shí)心焊絲應(yīng)用最廣泛。焊絲產(chǎn)品性能參數(shù)和質(zhì)量穩(wěn)定性直接影響送絲過(guò)程和焊接電弧穩(wěn)定性，例如焊絲直徑差異、拔絲強(qiáng)度、焊絲直線度、繞盤(pán)及鍍銅工藝等。

2.4 工程應(yīng)用

焊接機(jī)車和吊管機(jī)最大適應(yīng)管道縱向坡度不超過(guò)26°。內(nèi)焊機(jī)在管道內(nèi)進(jìn)行管口組對(duì)和根焊，內(nèi)焊機(jī)爬坡角度和剎車性能代表了自動(dòng)焊技術(shù)水平。國(guó)內(nèi)管道內(nèi)焊機(jī)最大適應(yīng)管道縱向坡度15°。國(guó)外自動(dòng)焊內(nèi)焊機(jī)最大適應(yīng)管道縱向坡度與吊管機(jī)性能一致，最大滿足26～30°。針對(duì)西氣東輸管徑1219mm，國(guó)內(nèi)自動(dòng)焊每日可完成焊接量40～100道焊口，如管段坡度大、彎管和變壁厚，焊接量略有下降。國(guó)外自動(dòng)焊每日可完成焊接量80～120道焊口。

3 我國(guó)管道自動(dòng)焊工藝存在問(wèn)題

我國(guó)管道自動(dòng)焊執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50369-2014《油氣長(zhǎng)輸管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、GB/T 31032-2014《鋼質(zhì)管道焊接及驗(yàn)收》，上述標(biāo)準(zhǔn)在針對(duì)自動(dòng)焊工藝特點(diǎn)與管道設(shè)計(jì)、施工技術(shù)配套協(xié)調(diào)方面還需改進(jìn)。

3.1 組織管理

管道施工預(yù)算參考半自動(dòng)焊，因土方施工量大、設(shè)備投資貴，自動(dòng)焊工藝不能成為首選方案。超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)在自動(dòng)焊完成3～5d后進(jìn)行，不能實(shí)施反饋焊接質(zhì)量信息，管道自動(dòng)焊焊接效率和質(zhì)量不能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。國(guó)外施工作業(yè)區(qū)進(jìn)行硬質(zhì)處理，設(shè)計(jì)鋼管支撐構(gòu)件，預(yù)防鋼管位移造成焊接坡口尺寸變化。超聲波檢測(cè)站距離自動(dòng)焊設(shè)備不超過(guò)100m，及時(shí)反饋焊接質(zhì)量信息。建議制定科學(xué)施工預(yù)算，為應(yīng)用自動(dòng)焊保證利益空間。管道設(shè)計(jì)選線采用有效降坡、取直手段，保證自動(dòng)焊順利實(shí)施。

3.2 設(shè)備升級(jí)

我國(guó)引進(jìn)自動(dòng)焊設(shè)備如意大利PWT根焊外焊機(jī)缺陷較高，焊接效率較半自動(dòng)焊提升不明顯，在陜京二線應(yīng)用后已淘汰。英國(guó)Noreast、加拿大RMS外焊機(jī)維持在2001年水平，設(shè)備老化嚴(yán)重、故障率高。美國(guó)CRC自動(dòng)焊機(jī)專配1名技術(shù)人員，焊接問(wèn)題及時(shí)反饋至公司總部。英國(guó)Noreast自動(dòng)焊設(shè)備技術(shù)服務(wù)于沙特、俄羅斯天然氣管道，普遍采用雙焊炬技術(shù)。我國(guó)引進(jìn)自動(dòng)焊設(shè)備在產(chǎn)品保質(zhì)期之后，國(guó)外生產(chǎn)商僅提供付費(fèi)技術(shù)服務(wù)，導(dǎo)致我國(guó)早期自動(dòng)焊設(shè)備技術(shù)老化落后。

3.3 焊接材料

我國(guó)管道自動(dòng)焊使用的焊材系列、種類、型號(hào)多樣化，近十幾種類型焊材，產(chǎn)品配件、焊絲直徑、制造質(zhì)量存在差異，對(duì)采購(gòu)、管理和維護(hù)造成不便，極大制約管道自動(dòng)焊技術(shù)發(fā)展，對(duì)焊接質(zhì)量也造成隱患。國(guó)外管道自動(dòng)焊固定使用同一品牌焊材，例如為保證焊接質(zhì)量，CRC只使用與其自動(dòng)焊設(shè)備配套的專用焊材。

3.4 施工效率

國(guó)內(nèi)管道自動(dòng)焊僅根焊是批次作業(yè)，填充和蓋面焊是單機(jī)作業(yè)。國(guó)外管道自動(dòng)焊全部是批次作業(yè)。對(duì)標(biāo)國(guó)外管道自動(dòng)焊施工效率，在根焊、填充焊、蓋面焊的施工時(shí)間基本相同，國(guó)外自動(dòng)焊在管口組對(duì)、預(yù)熱、焊接操作工銜接等更為高效順暢，施工效率高于國(guó)內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著智能控制技術(shù)、電弧追蹤技術(shù)進(jìn)步，以及焊接設(shè)備模塊化、配件標(biāo)準(zhǔn)化趨勢(shì)，管道自動(dòng)焊焊接質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益會(huì)逐步體現(xiàn)，注定成為長(zhǎng)輸管道建設(shè)施工的首選方式。我國(guó)管道自動(dòng)焊焊接技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步提升焊接效率和焊接質(zhì)量，建議如下：

（1）管道勘察設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地形與焊接技術(shù)的協(xié)調(diào)配套，采取降坡、取直設(shè)計(jì)思想，充分考慮自動(dòng)焊可適應(yīng)的管道縱向坡度。研發(fā)適用于較大管道縱向坡度的自動(dòng)焊焊接方法，實(shí)現(xiàn)山區(qū)管道自動(dòng)焊施工；

（2）鋼管制造嚴(yán)格限定管端橢圓度、周長(zhǎng)偏差等參數(shù)，減少對(duì)焊口組對(duì)精度影響；

（3）吊管保證施工作業(yè)地面承載力和鋼管支撐，預(yù)防焊口位移影響焊縫性能；

（4）管道清管應(yīng)考慮內(nèi)焊機(jī)可順利通過(guò)的彎管角度、曲率半徑以及變壁厚等問(wèn)題；

（5）減少檢測(cè)站和自動(dòng)焊工作站距離，保證無(wú)損檢測(cè)能夠及時(shí)反饋焊接質(zhì)量信息；

（6）研發(fā)管道自動(dòng)焊配套專用焊材，保證焊材質(zhì)量穩(wěn)定性，保證焊接電弧和送絲過(guò)程穩(wěn)定性；

（7）持續(xù)跟蹤國(guó)外自動(dòng)焊技術(shù)和設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)，持續(xù)推進(jìn)管道自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用推廣。