天然氣壓縮機(jī)管道自動焊的可行性研究

盧意

中石化石油機(jī)械股份有限公司三機(jī)分公司 湖北武漢 430040

1 序言

天然氣壓縮機(jī)組主要用于輸氣過程中的增壓，因不同機(jī)組進(jìn)口壓力、出口壓力和排量等工況條件不一樣，基本上每臺機(jī)組都是定制化產(chǎn)品，導(dǎo)致機(jī)組型號越來越多，其所用管道規(guī)格、材質(zhì)也越來越多。目前，在制造工廠管道均采用人工焊接，因人力成本逐年升高，市場對天然氣壓縮機(jī)組的需求也逐年旺盛，所以工廠就更傾向采用自動焊接設(shè)備。但是，由于機(jī)組管道直徑、壁厚、形狀多種多樣，且為多件小批量產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)自動焊較為困難，因此在選擇自動焊設(shè)備時首要考慮以下3點(diǎn)：焊接效率高、焊接質(zhì)量好、易于實(shí)現(xiàn)。

2 技術(shù)調(diào)研

2.1 管道情況

天然氣壓縮機(jī)組的管道大部分為壓力管道，設(shè)計(jì)壓力高，工作介質(zhì)為天然氣，屬易燃易爆物，對焊接質(zhì)量要求較高。管道直徑為34～407mm，壁厚為5～25mm，材質(zhì)大部分為低碳鋼和低合金鋼，如20、L415Q，小部分為奧氏體不銹鋼，如304、316L。管道由無縫鋼管與法蘭、管件（三通、彎頭、大小頭等）等焊接而成，管道布置走向無規(guī)律，形狀復(fù)雜。管道中直管段長度為0.1～10m，以法蘭為界，一條管道長0.2～12m，寬最大可達(dá)3m。

制造廠內(nèi)主要采用兩種手工焊接方法：氬弧焊（TIG）和焊條電弧焊（SMAW）。TIG一般用來打底，SMAW則用來填充和蓋面。

2.2 自動焊形式

目前，較成熟的管道自動焊形式大致可分為3類：機(jī)頭固定-管道旋轉(zhuǎn)類、管道固定-機(jī)頭旋轉(zhuǎn)類、管道機(jī)頭均可移動類。

1）機(jī)頭固定-管道旋轉(zhuǎn)類的焊接位置始終為1G，每層均可設(shè)置一種較大、不變的焊接電流，其他焊接參數(shù)設(shè)置相對也較簡單。這類自動焊設(shè)備不僅有較高的焊接效率，還有較好的焊接質(zhì)量。其劣勢主要是占地面積大，對操作人員要求相對較高[1]，整機(jī)成本也相對較高，且無法焊接形狀復(fù)雜或轉(zhuǎn)動不便的管道。

2）管道固定-機(jī)頭旋轉(zhuǎn)類屬于全位置焊接，適用于管道形狀復(fù)雜、旋轉(zhuǎn)不方便的管道，且成本相對較低。但是，其類似外卡式的全位置自動焊設(shè)備，一臺設(shè)備能夠適應(yīng)的管道直徑范圍相對較窄，一般需要配置多臺設(shè)備，成本相對無太大優(yōu)勢。這類自動焊設(shè)備在焊接過程中，機(jī)頭的位置會不斷變化，液態(tài)金屬熔池的受力狀況也隨之發(fā)生變化，焊縫成形就會受到影響，需要分段程序控制各焊接參數(shù)[2，3]，一般將整個管道焊接的過程分為6個程序段，如圖1所示。每個程序段設(shè)置獨(dú)立的參數(shù)[4，5]。相對來說，這類自動焊的工藝更為復(fù)雜，效率相對也會更低，質(zhì)量也較難保證。

圖1 管道分段焊接參數(shù)設(shè)置

3）管道機(jī)頭均可移動類的一個代表就是焊接機(jī)器人，其將焊接機(jī)頭集成在工業(yè)機(jī)器人上，配合變位機(jī)，具有焊接效率高、靈活、自動化程度高等優(yōu)勢，適合用來焊支管角焊縫和平焊法蘭角焊縫，相對來說不太適合焊接對接環(huán)焊縫。另外，其設(shè)備成本相對較高，不太適合多件小批量生產(chǎn)。

表1列出了以上3種自動焊形式在成本、效率等方面的對比，其配置考慮滿足φ60～φ356mm管道的焊接，焊接效率估算以φ168mm×16mm的L415Q鋼為例。

表1 自動焊形式對比

從自動焊形式對比來看，首先排除管道固定-機(jī)頭旋轉(zhuǎn)類，剩下兩種均在考慮范圍之內(nèi)，根據(jù)接下來的調(diào)研情況再進(jìn)行選擇。

2.3 焊接方法

相對較大規(guī)模用于管道自動焊的焊接方法大致有3類：TIG焊、埋弧焊（SAW）和熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）。

（1）TIG焊 焊接質(zhì)量好，能較好地實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，但焊接效率較低，多用于管道焊縫的打底工作。為了提高效率，還發(fā)展出了熱絲TIG焊，其原理是填充焊絲在進(jìn)入熔池前，用專用電源產(chǎn)生電阻熱將焊絲加熱至預(yù)定溫度，熔敷速度可大幅提高，焊接效率也就得到了顯著提升，并且保持了TIG焊高質(zhì)量的特點(diǎn)。

（2）SAW 在壓力容器上有較多的應(yīng)用，其生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量好，且弧光不外露，對操作人員友好。但廠內(nèi)管道的直徑與壁厚相對壓力容器來說都小得多。在直徑較小、壁厚較薄的管道上焊接時，一方面因焊劑難以保持在焊道上而降低保護(hù)效果，從而影響焊縫質(zhì)量，另一方面由于SAW使用電流較大，電弧的電場強(qiáng)度高，也易造成打底層被焊穿的現(xiàn)象[6]，因此考慮采用細(xì)絲SAW。SAW焊絲一般是φ3.2～φ6.0mm，細(xì)絲SAW焊絲直徑一般是φ1.2～φ2.0mm。相對粗絲SAW，細(xì)絲SAW可使用相對較小的電流，不僅熔化系數(shù)大、可節(jié)約電能，而且焊接質(zhì)量也更好[7]。

（3）GMAW 又可以分為MIG焊、MAG焊和CO2焊等。GMAW焊接效率高，可進(jìn)行全位置焊接，并且非常適合集成在自動焊和機(jī)器人焊接設(shè)備上。但是，GMAW能否用在承壓設(shè)備上，目前還有比較多的爭議。一方面是行業(yè)內(nèi)人士普遍擔(dān)心其力學(xué)性能和彎曲性能不穩(wěn)定，易造成合金元素?zé)龘p、焊縫成形欠佳，以及難以實(shí)現(xiàn)噴射過渡等問題，另一方面又有很多的成功案例[8，9]。

為求穩(wěn)定，綜合來看選用了熱絲TIG焊和細(xì)絲SAW這兩種焊接方法。TIG焊用來打底，對于直徑較小或壁厚較薄的管道來說，TIG焊還可以用來填充和蓋面。細(xì)絲SAW則用來對直徑較大且壁厚較厚的管道進(jìn)行填充和蓋面。

考慮到使用TIG焊和SAW時，焊接機(jī)器人難以發(fā)揮其優(yōu)勢，因此在自動焊形式上，最終只能選擇機(jī)頭固定-管道旋轉(zhuǎn)類。對于形狀復(fù)雜且不便轉(zhuǎn)動的管道，可將其拆解成簡單的管+法蘭、管+管件的對焊形式，從而可以方便管道旋轉(zhuǎn)。

2.4 裝夾方式

針對機(jī)頭固定-管道旋轉(zhuǎn)類的自動焊設(shè)備，主要有3種裝夾回轉(zhuǎn)方式：開口卡盤式、封閉卡盤式和壓輥式，如圖2所示。

圖2 裝夾回轉(zhuǎn)方式示意

（1）開口卡盤（或稱U形卡盤）最大優(yōu)勢是管道可以從上而下直接放入，相對更加方便。由于可讓焊縫位置始終靠近卡盤，因此就能很好地解決管道在旋轉(zhuǎn)過程中易出現(xiàn)徑向跳動的問題[10]，并且可以采用自動夾緊方式，減輕了操作人員的勞動強(qiáng)度。但是，目前生產(chǎn)這類卡盤的廠家較少，價格相對其他兩種較高。

（2）封閉卡盤 在普通車床上很常見，價格相對較低，一般用來夾持管道一端，大部分情況下焊縫會距離卡盤較遠(yuǎn)，容易出現(xiàn)徑向跳動問題。對于形狀稍復(fù)雜（比如彎頭+管子+彎頭形式）或長管道，則無法夾持，或不便從中穿過。

（3）壓輥式 優(yōu)勢也是價格較低，且方便管道放入，即焊縫可以設(shè)置在裝夾處附近。但其缺點(diǎn)也比較明顯，就是對于偏心管道夾持回旋時易產(chǎn)生竄動，會影響焊接質(zhì)量。另外，其夾持段相對也較長，對于較短的管道則不太適用。

綜上所述，選擇開口卡盤裝夾回轉(zhuǎn)方式。

經(jīng)過聯(lián)系，找到了一個可滿足以上幾個選擇的廠家，其有現(xiàn)成可用的自動焊設(shè)備，因此攜帶試件前往該廠家進(jìn)行焊接試驗(yàn)，以驗(yàn)證該種自動焊設(shè)備能否滿足廠內(nèi)管道的焊接要求。

3 自動焊工藝試驗(yàn)

3.1 焊前準(zhǔn)備

選擇幾種廠內(nèi)常用規(guī)格和材質(zhì)的管子進(jìn)行試驗(yàn)，具體情況見表2。單根管子長150mm，開單邊37.5°坡口，不留鈍邊，然后將坡口及周邊鐵銹、油污、毛刺等清理干凈。一個試件由兩根管子對焊而成，焊接前先進(jìn)行組對工作并通過定位焊固定。

表2 自動焊工藝試驗(yàn)選材

（1）焊接方法選擇 1#試件因管徑較小、壁厚較薄，所以選擇全部使用TIG焊進(jìn)行焊接。2#和3#試件材質(zhì)規(guī)格一致，一組采用SAW填充、蓋面，另一組采用TIG焊填充、蓋面。SAW一般適用于直徑≥219mm的管道，此次用較小的φ168mm管道進(jìn)行SAW試驗(yàn)，以驗(yàn)證實(shí)際可行性，并同時使用TIG焊進(jìn)行對比。由于奧氏體不銹鋼管道用量相對較小，且壁厚均較薄，因此只使用TIG焊。

（2）焊接材料選擇 20鋼（GB/T 6479—2013《高壓化肥設(shè)備用無縫鋼管》）屬于低碳鋼，其最低抗拉強(qiáng)度為410MPa，L415Q（GB/T 9711—2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》）屬于低合金鋼，其最低抗拉強(qiáng)度為520MPa，這兩種材料都可選擇采用最低抗拉強(qiáng)度為500MPa的ER50-6焊絲（NB/T 47018.3—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件 第3部分：氣體保護(hù)電弧焊絲和填充絲》）進(jìn)行焊接，SAW也可選用這種焊絲，SAW焊劑則選用SJ101（NB/T 47018.4—2017《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件 第4部分：埋弧焊鋼焊絲和焊劑》）。316L（GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》）屬于奧氏體不銹鋼，可直接選用ER316L焊絲（符合NB/T 47018.3—2017中H03Cr19Ni12Mo2Si）進(jìn)行焊接。

（3）焊絲直徑選擇 熱絲TIG焊時，焊絲選擇不能太粗。如果過粗、電阻小，則需要增加加熱電流，對防止磁偏吹不利，其最大直徑為1.2mm。細(xì)絲SAW時，可選擇焊絲規(guī)格為φ1.2～2.0mm，為了減少焊絲種類，因此SAW也選擇φ1.2mm焊絲。

3.2 試件焊接

（1）1#試件焊接 試件組對時不留間隙，放入開口卡盤中，可以自動夾緊。焊接使用10號噴嘴，φ3.2mm鈰鎢極，氬氣流量18～20L/min。打底時為保證背面成形，采用冷絲焊，后填充蓋面時均采用熱絲焊，以提升焊接速度。因?yàn)榇虻讓虞^窄，所以槍頭不擺動，而填充蓋面層較寬，故槍頭需要擺動。槍頭的擺動是通過一個擺動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，并且擺動到兩邊時可以設(shè)置停留時間。試驗(yàn)時使用的焊接參數(shù)見表3。

表3 1#試件焊接參數(shù)

由表3可看出，采用熱絲后，能使用更大的焊接電流與焊接速度，焊接熱輸入則沒有太大的變化，對焊接質(zhì)量基本沒有影響。焊接完成后，焊縫背面與正面的外觀如圖3所示。由圖3可看出，背面與正面均成形良好、均勻美觀。

圖3 1#試件焊縫背面與正面外觀

（2）2#試件焊接 試件組對時根據(jù)情況預(yù)留1.5～2mm的間隙。為保證打底焊縫不會被SAW焊穿，用TIG焊打底一層后，再用其填充一層。SAW時使用電弧電壓相對較大，有較大的熔寬，不需要擺動。試驗(yàn)時使用的焊接參數(shù)見表4。

表4 2#試件焊接參數(shù)

由表4可看出，S AW的焊接速度提升了1～2倍。經(jīng)計(jì)算，其焊接熱輸入為12～19kJ/cm，相對也不大。另外，當(dāng)時沒有準(zhǔn)備φ1.6mm焊絲，如果使用該規(guī)格焊絲，則焊接電流和焊接速度可以更大，效率也就更高。SAW焊接過程如圖4a所示，存在一定焊劑掉落現(xiàn)象，會影響保護(hù)效果，因此在實(shí)際焊接時需要采用小工具對焊劑進(jìn)行阻擋，以防止掉落。焊接完成后正面外觀如圖4b所示，成形相對TIG焊來說較差。

圖4 2#試件焊接過程與焊縫正面

（3）3#試件焊接 試件組對時不留間隙。試驗(yàn)時使用的焊接參數(shù)見表5。

表5 3#試件焊接參數(shù)

焊縫的擺寬不能太寬，因此采用多層多道焊。實(shí)際焊接時，應(yīng)根據(jù)前道焊縫的情況對本道焊縫的參數(shù)進(jìn)行一些微調(diào)，這就需要操作人員有一定的手工焊經(jīng)驗(yàn)。

焊接完成后焊縫正面的外觀如圖5所示，成形相對SAW焊更好。

圖5 3#試件焊縫正面

（4）4#號試件焊接 試件組對時不留間隙，正面氬氣流量18～20L/min。奧氏體不銹鋼焊接時焊縫背面也需要用氬氣進(jìn)行防護(hù)，以防止焊縫背面金屬被氧化，從而影響焊接質(zhì)量。在實(shí)際操作中，采用錫紙膠帶與高溫膠帶將試件兩端封住，中間留小孔通氣與排氣，如圖6所示。當(dāng)管道較長時，可采用水溶性紙進(jìn)行局部封堵，或使用免充氬焊接保護(hù)劑等措施來保護(hù)焊縫背面金屬[11]。

圖6 不銹鋼焊接時的防護(hù)

焊接前管內(nèi)通氬氣約5min，待空氣排盡再開始施焊。焊接時管內(nèi)持續(xù)通氬氣，流量8L/min。試驗(yàn)時使用的焊接參數(shù)見表6。

表6 4#試件焊接參數(shù)

不銹鋼焊接完成后，焊縫背面與正面的外觀如圖7所示，焊縫成形均較為美觀，焊縫背面金屬也保護(hù)良好。

圖7 4#試件焊縫背面與正面

（5）小結(jié) 此次自動焊設(shè)備的易用性良好，無論是試件的裝夾，還是焊接參數(shù)的設(shè)置都很方便。但是，因?yàn)閷?shí)際情況變化較多，所以要根據(jù)情況進(jìn)行焊接參數(shù)的調(diào)整，這就需要操作人員有一定的手工焊經(jīng)驗(yàn)，并且操作人員在操作設(shè)備前也需要進(jìn)行較長時間的培訓(xùn)。

另外，此次焊接的試件均為管子與管子對接焊，其錯邊量很小，組對時可不留間隙或留很小的間隙。實(shí)際情況一般是管子與彎頭、大小頭、三通、法蘭等對接焊，其錯邊量相對來說會比較大，組對時也就需要留稍大的間隙，然后用打底焊縫進(jìn)行過渡，這對于打底時的操作要求就比較高，也是容易造成焊縫不合格的項(xiàng)點(diǎn)。因此，待設(shè)備采購?fù)瓿苫貜S后，還需要進(jìn)行更多的前期試驗(yàn)，以積累足夠的經(jīng)驗(yàn)，才能用好自動焊設(shè)備，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

在焊接過程中，也記錄了焊接時間，并與日常的手工焊耗時進(jìn)行了對比，數(shù)據(jù)見表7。

表7 自動焊與手工焊耗時對比

由表7可看出，使用自動TIG焊比手工焊提高效率約30%，使用SAW比手工焊提高效率1倍以上，如果管徑與壁厚更大，SAW的效率會更高。對比φ168mm×16mm的L415Q鋼的兩個試件，SAW又比自動TIG焊提高效率超70%。

此處記錄的是純焊接時間，僅供參考。實(shí)際情況下還需要考慮裝夾時間、參數(shù)設(shè)置時間、焊縫冷卻時間等，效率提升數(shù)據(jù)會有所不同。

3.3 試件檢測

對4個試件按NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第2部分：射線檢測》進(jìn)行100%射線檢測，結(jié)果均為Ⅰ級，合格。

然后按NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》對試件進(jìn)行線切割，每個試件截取出2個拉伸試樣和4個彎曲試樣，彎曲試樣中除1#試件是2個面彎和2個背彎試樣外，其余試件都是4個側(cè)彎試樣。拉伸試樣按GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果見表8，均合格。彎曲試樣按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)，彎曲面上均無缺陷，結(jié)果合格。

表8 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

此處只是進(jìn)行簡單的拉伸和彎曲試驗(yàn)來驗(yàn)證自動焊試件是否滿足最基本的要求，待自動焊設(shè)備正式用于產(chǎn)品管道焊接前，還需要重新進(jìn)行焊接工藝評定。除拉伸和彎曲試驗(yàn)外，還需要根據(jù)管道使用條件來增加其他試驗(yàn)。比如，當(dāng)管道應(yīng)用于低溫環(huán)境時，需要增加沖擊試驗(yàn)；當(dāng)管道內(nèi)工作介質(zhì)為含硫化氫的天然氣時，則需要增加硬度檢測、HIC與SSC試驗(yàn)等。

4 結(jié)束語

使用機(jī)頭固定-管道旋轉(zhuǎn)類形式、熱絲TIG焊和細(xì)絲SAW兩種焊接方法、開口卡盤裝夾方式的自動焊設(shè)備，可以很方便地用于天然氣壓縮機(jī)組管道的焊接，焊接質(zhì)量良好且比較穩(wěn)定，相比傳統(tǒng)手工焊可提高效率30%甚至1倍以上。但是，這種設(shè)備只能用于管道旋轉(zhuǎn)方便的對接焊縫形式，如管子+法蘭、管子+彎頭等，還無法覆蓋天然氣壓縮機(jī)組上所有管道焊縫的焊接。