高海拔輸油管道氣保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝研究與應(yīng)用

代宗育

中國石油管道局工程有限公司，河北 廊坊

高海拔，輸油管道，氣保護(hù)藥芯焊絲，半自動(dòng)焊工藝

1. 引言

目前，在國外一些發(fā)達(dá)國家例如美國、澳大利亞等，在建設(shè)油氣管道的過程當(dāng)中，半自動(dòng)和自動(dòng)的焊接技術(shù)發(fā)展得較為成熟。在我國隨著國內(nèi)長輸油氣管道工程的快速發(fā)展，在低海拔地區(qū)，針對(duì)不同地形、不同管材等級(jí)、不同管徑等長輸管道焊接工藝已有很多深入的研究，而在高海拔環(huán)境下油氣管道方面的焊接工藝鮮有研究。焊接方法的合理選擇，對(duì)于提高管道建設(shè)效率和質(zhì)量具有極其重要的意義[1]。但高原獨(dú)特的高海拔、低氣壓、缺氧等惡劣自然環(huán)境，造成焊接電弧、融池、焊接電源輸出等發(fā)生變化，給焊接工藝評(píng)定帶來了極大的挑戰(zhàn)，以往在低海拔地區(qū)應(yīng)用較好的焊接工藝，到了高海拔地區(qū)都需要結(jié)合具體焊接材料和匹配情況，在高原氣候和地形條件下，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)論證，最終確定合理可行的焊接工藝。

2. 高海拔山地地形小口徑管道焊接工藝研究現(xiàn)狀

目前，管道工程建設(shè)中，地勢(shì)平緩地段可采用全位置自動(dòng)焊接工藝技術(shù)，該工藝具有焊接效率高、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，滿足了高效施工作業(yè)的要求。但在青藏高原高海拔地段某小口徑長輸管道建設(shè)項(xiàng)目中，山區(qū)、丘陵、沖溝等復(fù)雜地形，無法采用全位置自動(dòng)焊接工藝高效作業(yè)，加之青藏高原氣壓低、高寒、缺氧等獨(dú)特環(huán)境，采用常規(guī)的“手工氬弧焊 + 手工焊條電弧焊”工藝進(jìn)行作業(yè)，焊接作業(yè)的電焊工受缺氧影響，體力消耗嚴(yán)重，機(jī)組平均施工工效僅為內(nèi)地平原地段工效的40%；在第一階段施工期間，整編“手工氬弧焊 + 手工焊條電弧焊”工藝焊接機(jī)組，單日的最高工效僅為10道焊口，焊接合格率88%，焊接質(zhì)量難以得到保證。這種工效、質(zhì)量嚴(yán)重制約了項(xiàng)目的整體施工進(jìn)度，成為項(xiàng)目能否按期完工的“卡脖子”環(huán)節(jié)。因此，研究一種適用于高海拔環(huán)境、山地地形的焊接工藝，以提高焊接施工效率和合格率，保證工程順利完工，至關(guān)重要。

3. 高原環(huán)境下自保護(hù)和氣保護(hù)半自動(dòng)下向焊工藝試驗(yàn)

項(xiàng)目結(jié)合以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用“纖維素焊條 + 自保護(hù)半自動(dòng)下向焊接”工藝(SMAW根焊FCAW-S填充蓋面焊接工藝) [2]，配套林肯DC400 + LN-23P半自動(dòng)送絲機(jī)設(shè)備，分別在海拔4300米和4700米地區(qū)展開焊接工藝試驗(yàn)。通過試驗(yàn)在氣壓低、缺氧的環(huán)境下，采用纖維素下向焊根焊，電弧穩(wěn)定性較好，焊縫熔深大，成形好；但半自動(dòng)下向填充焊接試驗(yàn)中，自保藥芯焊絲的電弧穩(wěn)定性差，焊絲的造渣劑、造氣劑在高溫的電弧燃燒過程中，無法實(shí)現(xiàn)正常的保護(hù)焊接熔池，焊縫成蓬松蜂窩形狀，機(jī)械性能極差，無法形成優(yōu)質(zhì)的焊縫。

通過分析研討，高海拔試驗(yàn)環(huán)境氣壓低、缺氧是與平原地段最大區(qū)別，也是解決問題的關(guān)鍵所在。自保藥芯焊絲在焊接過程中雖然焊絲具有渣氣聯(lián)合保護(hù)的過程，但由于氣壓低保護(hù)效果不好，焊接質(zhì)量不能滿足施工要求。為此，需要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對(duì)焊接熔池的保護(hù)，即增加保護(hù)氣體。經(jīng)多方調(diào)研，市場上存在一種技術(shù)成熟的氣保護(hù)藥芯下向焊半自動(dòng)焊絲，其焊接操作特性與傳統(tǒng)自保護(hù)下向焊半自動(dòng)焊絲焊接操作特性一致。

4. 氣保護(hù)藥芯焊絲下向焊半自動(dòng)焊裝備研制

現(xiàn)有的林肯LN-23p半自動(dòng)送絲機(jī)，只能滿足自保藥芯焊絲工藝的使用，無法滿足氣保藥芯焊接工藝的需求。為節(jié)約施工成本，在現(xiàn)有半自動(dòng)設(shè)備基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造以增加焊接保護(hù)氣系統(tǒng)。一是設(shè)計(jì)出一種半自動(dòng)焊機(jī)專用的一體化焊接電纜，該裝置集送氣、送絲、導(dǎo)電與一體，電纜前端加裝350A通用型鵝頸氣保焊槍，實(shí)現(xiàn)了焊槍備件和耗材的通用性和互換性。焊槍的后端設(shè)計(jì)氣電連接端子與半自動(dòng)送絲機(jī)進(jìn)行連接，形成半自動(dòng)藥芯氣保藥芯焊接裝備，滿足焊接工藝的技術(shù)要求。二是根據(jù)氣保護(hù)藥芯下向焊焊絲的直徑及硬度，結(jié)合林肯LN-23P半自動(dòng)送絲機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)加工了專門用于φ1.6 mm的V形槽齒狀送絲輪，確保送絲過程穩(wěn)定，焊絲受壓后變形最小。三是對(duì)控制電路進(jìn)行改造，增加了提前送氣延時(shí)電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、滯后停氣延時(shí)電路等配套電路，實(shí)現(xiàn)了提前送氣、滯后停氣的控制效果。四是增加氣路原件，對(duì)氣路電磁閥、氣路安裝位置進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)供氣連續(xù)順暢、穩(wěn)定可靠[3]。

5. 氣保護(hù)藥芯焊絲下向焊半自動(dòng)焊工藝評(píng)定試驗(yàn)

通過焊絲更換、半自動(dòng)焊送絲機(jī)升級(jí)改造后，選用纖維素焊條下向焊打底、氣保藥芯下向填蓋半自動(dòng)焊接工藝、配套LN-23p送絲焊接系統(tǒng)安裝氣保藥芯焊絲，分別在海拔4300米、4700米地段進(jìn)行焊接試驗(yàn)，針對(duì)青藏高原低壓缺氧、電弧穩(wěn)定性差、焊縫成型質(zhì)量不好的特點(diǎn)，通過對(duì)焊接預(yù)熱溫度、層間溫度保持、環(huán)境溫度、焊接氣體配比、送絲速度、焊接速度等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)專題會(huì)議探討和試驗(yàn)論證，找到了最合適的焊接技術(shù)參數(shù)，焊接過程中對(duì)熔池參入100% CO2保護(hù)氣體提供“加強(qiáng)保護(hù)”之后，提高了原有的“氣、渣聯(lián)合保護(hù)”效果，焊接過程得到明顯改善，試驗(yàn)證明電弧在焊接過程中較為穩(wěn)定，藥劑翻渣效果較好，易脫渣[4]。

為提高焊接工藝的可靠性、適用性，在海拔4700米工程現(xiàn)場，對(duì)該工藝焊接參數(shù)進(jìn)行了修正優(yōu)化，進(jìn)一步開展了焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，焊接過程、環(huán)境條件100%符合工程實(shí)際。工藝試驗(yàn)焊口按照相關(guān)程序進(jìn)行理化試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)全部合格，最終形成了氣保藥芯半自動(dòng)下向焊焊接工藝評(píng)定報(bào)告和焊接工藝規(guī)程。截止目前，采用該工藝已累計(jì)焊接34.1 km，單機(jī)組日焊接量可達(dá)25道口，比傳統(tǒng)氬電聯(lián)焊單機(jī)組焊接量10道口高出了60%，焊接合格率從氬電聯(lián)焊的88%提高到95%，有效控制了氣孔、未熔合等焊接缺陷的發(fā)生[5]。

6. 結(jié)語

隨著國家管網(wǎng)的成立，我們將經(jīng)歷新一輪管道建設(shè)高峰期，高海拔地區(qū)管道建設(shè)也將迎來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。本論文開發(fā)了一種氣保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊工藝，該工藝采用纖維素打底氣保藥芯下向填蓋焊接，填充采用二氧化碳和焊材藥劑的氣渣聯(lián)合保護(hù)焊，同時(shí)采用成本低互換性強(qiáng)的通用型焊槍備件耗材，設(shè)計(jì)一種半自動(dòng)專用焊槍導(dǎo)氣電纜，是對(duì)特殊地段焊接工藝技術(shù)的一個(gè)補(bǔ)充。通過2020年～2021年現(xiàn)場技術(shù)攻關(guān)和實(shí)踐，成功應(yīng)用在高海拔山地地形的管道施工中，與氬電聯(lián)焊工藝相比，焊接質(zhì)量得到有力保證，施工工效提高60%，焊接耗材消耗率和人員勞動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)降低40%。該技術(shù)突破了高原藥芯焊接的技術(shù)瓶頸，填補(bǔ)了高海拔管道施工焊接工藝空白，將為后續(xù)高海拔地區(qū)的油氣管道施工建設(shè)提供有價(jià)值的參考。