提高油氣管道全自動(dòng)焊低溫工況下焊接一次合格率的技術(shù)措施

齊晨光

中國(guó)石油管道局工程有限公司

焊接作業(yè)是油氣管道建設(shè)施工的重要環(huán)節(jié)，全自動(dòng)焊技術(shù)屬于一種較為先進(jìn)的工藝技術(shù)，具有焊接效率、焊縫質(zhì)量以及焊接作業(yè)穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)，在使用該焊接工藝的過(guò)程中可以節(jié)省一定量的勞動(dòng)力[1]。目前，全自動(dòng)焊技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用，例如中俄原油管道、中俄天然氣管道以及陜京天然氣管道等[2-4]。我國(guó)部分地區(qū)溫度較低，溫度屬于影響全自動(dòng)焊技術(shù)施工質(zhì)量的重要因素，焊接作業(yè)過(guò)程中一次合格率將會(huì)對(duì)最終的管道施工質(zhì)量以及施工進(jìn)度產(chǎn)生重要影響[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)全自動(dòng)焊技術(shù)的一次合格率問(wèn)題展開(kāi)了廣泛研究。管躍等[6]對(duì)全自動(dòng)焊技術(shù)使用過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)，針對(duì)缺陷問(wèn)題出現(xiàn)的原因，提出了有效的解決措施，以此提高焊接過(guò)程中的一次合格率。研究發(fā)現(xiàn)，全自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中氣孔缺陷以及未焊透缺陷十分普遍。在焊接作業(yè)之前進(jìn)行充分預(yù)熱，以此消除管道端口位置處的水氣可以有效避免出現(xiàn)氣孔缺陷；通過(guò)對(duì)管道端口位置處進(jìn)行全面檢查，防止管道端口位置處出現(xiàn)缺陷是避免未焊透問(wèn)題的重要措施。張先龍等[7]針對(duì)X65 管線材料的合金成分以及力學(xué)性能進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)全自動(dòng)焊工藝應(yīng)用過(guò)程中的氣體藥芯焊絲進(jìn)行合理的改進(jìn)，使得全自動(dòng)焊技術(shù)的一次合格率得到提升。韋寶成等[8]針對(duì)LNG 儲(chǔ)罐不同的焊接方法進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全自動(dòng)焊技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)相對(duì)較大，通過(guò)引入全自動(dòng)交流氬弧焊的方式，解決全自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的側(cè)壁未熔合問(wèn)題，最終使得焊接一次合格率得到提升。通過(guò)對(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，盡管眾多學(xué)者對(duì)全自動(dòng)焊技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，但是并沒(méi)有針對(duì)低溫環(huán)境的全自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行分析，與常溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致全自動(dòng)焊的一次合格率降低，最終導(dǎo)致管道的施工質(zhì)量降低，管道的施工周期延長(zhǎng)[9]。我國(guó)東北部和西北部的氣溫較低，這些區(qū)域都需要建設(shè)大量的油氣管道，因此，開(kāi)展低溫環(huán)境下提高油氣管道全自動(dòng)焊合格率研究具有非常重要的意義。

1 全自動(dòng)焊技術(shù)

全自動(dòng)焊機(jī)是全自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵設(shè)備，主要可以分為全自動(dòng)內(nèi)焊機(jī)和全自動(dòng)外焊機(jī)兩種類型[10]。全自動(dòng)內(nèi)焊機(jī)（圖1）具有管道組對(duì)功能和根焊焊接功能。全自動(dòng)外焊機(jī)（圖2）主要由焊接小車和焊接軌道兩部分構(gòu)成。焊接小車通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)，可以安裝在焊接軌道上，帶動(dòng)焊槍在管壁位置處進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)；焊接小車上的擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是實(shí)現(xiàn)焊槍橫向擺動(dòng)的功能；焊接小車上的橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要是實(shí)現(xiàn)焊槍上下左右移動(dòng)的功能[11-14]；送絲機(jī)構(gòu)可以固定在焊接小車的外部，兩者之間需要絕緣連接，使焊絲的更換更加的便利，進(jìn)而提升焊接作業(yè)工作效率[15]。

圖1 熊谷A800系列管道內(nèi)焊機(jī)Fig.1 Pipe internal welding machine of Xionggu A800 series

圖2 熊谷A610系列管道全自動(dòng)外焊機(jī)Fig.2 Pipe automatic external welding machine of Xionggu A610 series

為了達(dá)到低溫環(huán)境下提高油氣管道全自動(dòng)焊合格率的目的，以我國(guó)某原油管道為例進(jìn)行全自動(dòng)焊工藝研究，該條管道在冬季下施工作業(yè)，所處的溫度相對(duì)較低，具有很強(qiáng)的代表意義。該管道在使用全自動(dòng)焊工藝的過(guò)程中，內(nèi)焊機(jī)主要進(jìn)行組對(duì)、根焊作業(yè)，外焊機(jī)需要進(jìn)行熱焊、填充以及蓋面作業(yè)，所使用的填充材料以實(shí)心焊絲為主，焊接過(guò)程中的保護(hù)氣體由氬氣和二氧化碳組成，焊接過(guò)程中的坡口為復(fù)合型。在使用內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行組對(duì)作業(yè)的過(guò)程中，其預(yù)熱的溫度處于100～150 ℃，此時(shí)的層間溫度將會(huì)處于60～150 ℃。在進(jìn)行根焊作業(yè)的過(guò)程中，使用的電源為直流焊接電源；在進(jìn)行熱焊作業(yè)、填充作業(yè)以及蓋面作業(yè)的過(guò)程中，使用的電源為直流脈沖焊接電源。內(nèi)焊機(jī)選用了熊谷A800 系列，外焊機(jī)選用了熊谷A610系列。

2 全自動(dòng)焊質(zhì)量問(wèn)題分析

在油氣管道焊接作業(yè)的過(guò)程中，一次合格率是影響施工質(zhì)量和施工進(jìn)度的重要因素。本次研究以我國(guó)某石油管道冬季條件下11月至次年2月以及夏季條件下6 月至9 月的焊接情況進(jìn)行對(duì)比為例，開(kāi)展提高低溫環(huán)境下提高油氣管道自動(dòng)焊一次合格率研究。該管道所處區(qū)域在施工的過(guò)程中，11 月份平均氣溫為-9 ℃，12 月份平均氣溫為-13 ℃，1月份平均氣溫為-18 ℃，2月份平均氣溫為-15 ℃，在四個(gè)月中對(duì)6 274 個(gè)焊口進(jìn)行了焊接，不合格焊口的數(shù)量達(dá)到了672 個(gè)，全自動(dòng)焊的一次合格率僅為89.29%。常見(jiàn)的焊接不合格原因包括氣孔、未焊透、未熔合、燒穿等，其中未熔合是焊接作業(yè)不合格的重要原因。該管道在冬季條件下的焊接一次合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示，不同類型焊接缺陷的比例如圖3所示。

表1 冬季條件下焊接一次合格率統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of first pass rate of welding in winter

圖3 冬季條件下不同焊接缺陷類型分布Fig.3 Distribution of different types of welding defects in winter

該管道施工區(qū)域6 月份平均氣溫為23 ℃，7 月份平均氣溫為27 ℃，8 月份平均氣溫為29℃，9 月份平均氣溫為24 ℃，在四個(gè)月內(nèi)對(duì)6 727個(gè)焊口進(jìn)行了焊接，夏季條件下的焊接一次合格率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示，不同類型焊接缺陷的比例如圖4 所示，不合格焊口的數(shù)量達(dá)到124 個(gè)，全自動(dòng)焊的一次合格率僅為98.16%。綜合對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，在冬季低溫環(huán)境下油氣管道自動(dòng)焊一次合格率遠(yuǎn)低于夏季常溫環(huán)境下油氣管道自動(dòng)焊一次合格率。

表2 夏季條件下焊接一次合格率統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of first pass rate of welding in summer

圖4 夏季條件下不同焊接缺陷類型分布Fig.4 Distribution of different types of welding defects in summer

針對(duì)該管道焊接過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷問(wèn)題進(jìn)行了全面分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，缺陷原因分析結(jié)果如表3 所示。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，坡口加工情況、軌道控制情況、層間溫度以及焊縫打磨情況是影響缺陷出現(xiàn)的重要原因，需要從這四個(gè)角度出發(fā)，采取合理的措施，進(jìn)而提高低溫環(huán)境下油氣管道全自動(dòng)焊一次合格率。

表3 焊接質(zhì)量全要素分析表Tab.3 Analysis table of all elements of welding quality

3 全自動(dòng)焊質(zhì)量控制措施

3.1 坡口加工質(zhì)量

在使用全自動(dòng)焊工藝技術(shù)的過(guò)程中，其坡口為復(fù)合型坡口。在進(jìn)行管道焊接作業(yè)的過(guò)程中，需要在施工現(xiàn)場(chǎng)使用坡口機(jī)對(duì)坡口進(jìn)行加工。坡口加工時(shí)內(nèi)、外坡口的角度和高度等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制十分必要，坡口的加工精度也將對(duì)坡口的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，同時(shí)，坡口的加工質(zhì)量將會(huì)對(duì)最終的焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接影響[16-17]。在低溫環(huán)境下，由于坡口機(jī)刀片位置處的脆性相對(duì)較大，在進(jìn)行坡口加工的過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)蹦刃以及掉茬等問(wèn)題，因此需要時(shí)刻關(guān)注坡口機(jī)的狀態(tài)變化情況，如果坡口加工出現(xiàn)偏差問(wèn)題，則需要對(duì)坡口機(jī)的車刀進(jìn)行合理的調(diào)整。一般情況下，在對(duì)十根油氣管道進(jìn)行坡口加工以后，就需要對(duì)坡口機(jī)的刀片進(jìn)行更換，以保障刀片的穩(wěn)定性，使其可以滿足焊接作業(yè)的基本要求。同時(shí)，如果在管道內(nèi)坡口位置處出現(xiàn)了卷邊問(wèn)題，則需要使用銼刀對(duì)卷邊進(jìn)行處理，以防止在焊接作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)未熔合或者未焊透等現(xiàn)象。

3.2 焊接參數(shù)匹配控制

在應(yīng)用全自動(dòng)焊技術(shù)進(jìn)行油氣管道焊接作業(yè)的過(guò)程中，對(duì)焊接小車進(jìn)行合理的控制十分關(guān)鍵，焊接小車涉及的參數(shù)包括行走速度、送絲速度等，未熔合、氣孔等問(wèn)題是全自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的重要缺陷問(wèn)題，通過(guò)對(duì)焊接小車的參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)，可以降低這些缺陷問(wèn)題出現(xiàn)的概率；同時(shí)，通過(guò)對(duì)焊接小車進(jìn)行合理的控制，還可以保障焊道成形的均勻性，最終實(shí)現(xiàn)焊道跟蹤的基本目標(biāo)[18]。在使用焊接小車的過(guò)程中，如果其軌道定位出現(xiàn)一定的偏差，則焊道將會(huì)嚴(yán)重偏離焊縫的中心線位置，最終出現(xiàn)焊縫偏離的現(xiàn)象，這是出現(xiàn)未熔合以及咬邊等缺陷的重要原因。為了保障焊接小車的軌道定位滿足精度要求，需要在焊道安裝作業(yè)之前，提前做好劃線工作，以此對(duì)軌道的位置進(jìn)行合理的定位，還可以使用直角尺以及銅錘等工具對(duì)焊接小車的軌道進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以提高軌道安裝的精度。

在焊接軌道的安裝精度出現(xiàn)較大偏差時(shí)，受到焊接小車自身重力的影響，其在3～9 點(diǎn)鐘方向非常容易出現(xiàn)行走速度快速提升的問(wèn)題，最終導(dǎo)致在這些位置出現(xiàn)焊接缺陷，全自動(dòng)焊的一次合格率將會(huì)嚴(yán)重降低。針對(duì)該問(wèn)題，需要對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行全程監(jiān)控，同時(shí)，還需要對(duì)遠(yuǎn)程控制操作手柄進(jìn)行充分利用，以此對(duì)焊接小車的速度進(jìn)行合理的控制。在進(jìn)入到加速區(qū)域之前，需要對(duì)焊接小車進(jìn)行減速處理，以保障在3～9 點(diǎn)鐘方向位置處不會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷問(wèn)題。

焊槍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)屬于焊機(jī)的重要組成部分，其可以對(duì)焊槍的上、下、左、右位置進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)[19]。在使用焊槍調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)時(shí)，需要人為對(duì)其進(jìn)行合理的干預(yù)，使焊接質(zhì)量可以得到整體提升。在進(jìn)行熱焊作業(yè)的過(guò)程中，如果在組對(duì)時(shí)出現(xiàn)了錯(cuò)邊問(wèn)題，則需要在外焊道的坡口內(nèi)進(jìn)行平滑的打磨，盡可能將錯(cuò)邊量控制在1 mm 之內(nèi)；同時(shí)，可以人為降低焊槍焊絲與焊道之間的距離，以防止出現(xiàn)未熔合或者未焊透等問(wèn)題。在開(kāi)展填充焊接作業(yè)的過(guò)程中，需要對(duì)1 槍熔池兩側(cè)的飽滿度進(jìn)行觀察，避免出現(xiàn)溝槽現(xiàn)象，對(duì)熔池的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，防止焊接過(guò)程中出現(xiàn)氣泡和未熔合的問(wèn)題，2 槍需要保障坡口的兩端位置處可能進(jìn)行圓滑的過(guò)渡，防止在兩側(cè)出現(xiàn)未熔合的問(wèn)題。在進(jìn)行蓋面焊作業(yè)的過(guò)程中，受到重力的影響，仰焊的焊縫余高非常容易出現(xiàn)超標(biāo)的現(xiàn)象，針對(duì)該問(wèn)題，需要盡可能提高焊接作業(yè)的速度，并減小送絲的速度，降低焊絲與焊道之間的距離，使蓋面焊的焊縫可以達(dá)到薄而寬的基本效果，此時(shí)焊縫的外觀將會(huì)更加的美觀，焊接的質(zhì)量也可以得到提升。

3.3 焊接溫度控制

溫度是焊接作業(yè)過(guò)程中的重要參數(shù)，溫度包括環(huán)境溫度、層間溫度等多種類型[20]。在環(huán)境溫度方面，為了保障低溫條件下環(huán)境溫度可以滿足焊接作業(yè)環(huán)境溫度的基本要求，現(xiàn)場(chǎng)配備了防風(fēng)保溫棚，并對(duì)防風(fēng)保溫層進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)（圖5）。該種類型的保溫層外部材料為厚度50 mm 的巖棉保溫板，保溫效果相對(duì)較好，為了提高保溫層內(nèi)的環(huán)境溫度，在保溫棚內(nèi)安裝四個(gè)取暖用的浴霸燈，在保溫層與油氣管道的接觸位置，使用了30 mm 的保溫被進(jìn)行密封，進(jìn)一步提高了保溫棚的保溫效果。在進(jìn)行焊接預(yù)熱的過(guò)程中，所使用的加熱器為鉗式中頻感應(yīng)加熱器，該種類型的加熱器升溫速度相對(duì)較快，且降溫速度相對(duì)較慢，可以將加熱溫度控制在100 ℃左右，超過(guò)一般預(yù)熱溫度20 ℃，這主要是由于低溫環(huán)境下降溫速度相對(duì)較快，提高加熱溫度可以對(duì)預(yù)熱溫度驟降現(xiàn)象進(jìn)行合理的補(bǔ)充。

圖5 焊接防風(fēng)保溫棚結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of welded wind proof and thermal insulation shed

在采取上述措施以后，可以保障焊接過(guò)程中的環(huán)境溫度以及預(yù)熱溫度，但是通過(guò)對(duì)焊縫進(jìn)行全面的檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，焊接作業(yè)仍然會(huì)出現(xiàn)未熔合以及裂紋等問(wèn)題，且出現(xiàn)問(wèn)題的位置大多在焊口的3～9 點(diǎn)鐘方向位置處。通過(guò)對(duì)焊口進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在溫度相對(duì)較低的前提下，雖然使用浴霸燈進(jìn)行加熱，但是大多數(shù)的熱空氣將會(huì)處于保溫棚的上部位置處，對(duì)于保溫棚的下部而言，其加工并不緊密，大量的熱空氣將會(huì)從保溫棚的下部位置處散失。部分焊口焊接作業(yè)開(kāi)始之前的溫度已經(jīng)低于60 ℃，根據(jù)全自動(dòng)焊工藝的基本要求，焊接過(guò)程中的層間溫度需要達(dá)到60～150 ℃，由此可見(jiàn)，焊接作業(yè)前的溫度不滿足要求是出現(xiàn)焊接缺陷問(wèn)題的重要原因。為此，采用旋轉(zhuǎn)加熱焊口的方法，對(duì)焊接過(guò)程中的層間溫度進(jìn)行補(bǔ)充。在焊接作業(yè)開(kāi)始之前，使用中頻電加熱帶對(duì)焊口進(jìn)行處理，提高該位置處的溫度；在加熱處理的過(guò)程中，需要對(duì)電加熱帶的柔性進(jìn)行合理的利用，控制電加熱帶沿著焊口進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得整個(gè)焊口的溫度達(dá)到焊接作業(yè)的要求。通過(guò)對(duì)該措施的應(yīng)用效果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其可以全面解決焊接過(guò)程中層間溫度不足的問(wèn)題，焊接過(guò)程中的未熔合缺陷以及裂紋缺陷數(shù)量大幅降低，整個(gè)焊接作業(yè)的質(zhì)量得到了提升。

3.4 焊接打磨質(zhì)量控制

在使用全自動(dòng)焊技術(shù)進(jìn)行一層焊接作業(yè)以后，就需要對(duì)焊縫位置處進(jìn)行表面打磨，打磨的質(zhì)量會(huì)對(duì)下層的焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在使用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨的過(guò)程中，如果出現(xiàn)不規(guī)則的痕跡，在進(jìn)行下層焊接作業(yè)的過(guò)程中，將會(huì)出現(xiàn)打磨痕跡無(wú)法熔透的現(xiàn)象，這是出現(xiàn)未熔合缺陷問(wèn)題的重要原因。針對(duì)該缺陷問(wèn)題，在開(kāi)展焊接作業(yè)的過(guò)程中，使用125 mm×2 mm 的砂輪切片，對(duì)每一層焊縫位置處進(jìn)行表面打磨。打磨過(guò)程中，需要全面保障打磨區(qū)域的周圍可以進(jìn)行圓滑的過(guò)渡，不能出現(xiàn)棱角等多種類型的硬性凹坑問(wèn)題，以使熔化后鐵液的流動(dòng)阻力可以得到大幅降低，提高焊接作業(yè)的整體質(zhì)量。

3.5 焊接質(zhì)量提升效果分析

在同區(qū)域另一條原油管道冬季焊接作業(yè)的過(guò)程中，采取了上述四種措施，管道冬季焊接作業(yè)的缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4 所示。通過(guò)對(duì)表4 分析發(fā)現(xiàn)，盡管使用四種類型的質(zhì)量控制措施仍然會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷問(wèn)題，但是焊接一次合格率大幅提升，其一次合格率已經(jīng)從89.29%提升至97.38%。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，采取上述四種類型的焊接質(zhì)量控制措施，焊接一次合格率得到改善，可以大幅降低多種類型缺陷出現(xiàn)的概率。

表4 采取焊接質(zhì)量控制措施后的焊接缺陷統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab.4 Statistical results of welding defects after taking welding quality control measures

4 結(jié)論

焊接質(zhì)量是影響油氣管道施工質(zhì)量的重要因素，全自動(dòng)焊技術(shù)是一種較為先進(jìn)的焊接技術(shù)。針對(duì)低溫環(huán)境下油氣管道全自動(dòng)焊一次合格率問(wèn)題，以我國(guó)某原油管道冬季施工焊接作業(yè)為例，首先對(duì)焊接過(guò)程中出現(xiàn)缺陷問(wèn)題的原因進(jìn)行系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上提出焊接質(zhì)量控制措施，并對(duì)焊接質(zhì)量控制措施的應(yīng)用效果進(jìn)行分析，以此推動(dòng)我國(guó)油氣管道全自動(dòng)焊技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

（1）盡管全自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的質(zhì)量穩(wěn)定性較強(qiáng)，但是在使用該技術(shù)的過(guò)程中，與常溫及高溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境會(huì)使全自動(dòng)焊的一次合格率降低，最終導(dǎo)致管道的施工質(zhì)量降低，管道的施工周期延長(zhǎng)，其中，坡口加工情況、軌道控制情況、溫度因素以及焊縫打磨情況是影響缺陷出現(xiàn)的重要原因。

（2）在低溫環(huán)境下進(jìn)行全自動(dòng)焊作業(yè)施工的過(guò)程中，需要對(duì)內(nèi)外坡口的角度、高度等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，需要對(duì)焊接小車涉及的參數(shù)（包括行走速度、送絲速度等）進(jìn)行合理的設(shè)置，需要將環(huán)境溫度、預(yù)熱溫度以及層間溫度控制在合理區(qū)間內(nèi)，并提高焊縫的打磨質(zhì)量，進(jìn)而提高全自動(dòng)焊的整體焊接質(zhì)量。

（3）在采取合理的焊接質(zhì)量控制措施以后，全自動(dòng)焊技術(shù)的一次合格率可以從89.29%提升至97.38%，且多種類型焊接缺陷問(wèn)題出現(xiàn)的概率有所降低。由于我國(guó)部分地區(qū)冬季的溫度較低，因此，未來(lái)可以在冬季條件下推廣和使用本次研究提出的焊接質(zhì)量控制措施。