坡地新型內(nèi)焊機(jī)及全自動(dòng)焊接工藝

楊天冰 王長(zhǎng)江 劉然 馮大勇 馬培勇

摘要：如何實(shí)現(xiàn)管道連續(xù)性、安全性作業(yè)逐漸成為坡地管道施工亟待解決的難題。為此，研制了CPP900-FIW48新型內(nèi)焊機(jī)，制定了“內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬自動(dòng)焊機(jī)外焊”全自動(dòng)焊接工藝。通過力學(xué)性能試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)工藝試驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：新型內(nèi)焊機(jī)及其配套的全自動(dòng)焊接工藝可在山區(qū)、丘陵等坡地管道上坡與下坡施工中實(shí)現(xiàn)連續(xù)、安全及根焊至蓋面焊全工序的自動(dòng)焊接；其自動(dòng)對(duì)中定位、一鍵遙控自動(dòng)焊接等功能，可提高焊炬中心基于管端定位的精度與效率，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)縫焊接全過程自動(dòng)化；15°～30°坡度范圍內(nèi)管道環(huán)縫焊接應(yīng)重點(diǎn)控制熱輸入量、焊接電壓、焊接電流等，且通過焊接參數(shù)的適時(shí)調(diào)整控制熔池下墜。所得結(jié)論可為坡地管道自動(dòng)焊作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：坡地管道；內(nèi)焊機(jī)；全自動(dòng)焊接工藝；坡口形式；焊接參數(shù)；性能試驗(yàn)

0 引 言

以中俄東線管道工程為標(biāo)志的智慧管道建設(shè)對(duì)全線100%采用自動(dòng)焊技術(shù)的要求，推動(dòng)了管道自動(dòng)焊技術(shù)的快速發(fā)展及其在不同管道工程中的規(guī)模化應(yīng)用，其中以內(nèi)焊機(jī)與雙焊炬外焊機(jī)組合的自動(dòng)焊應(yīng)用最多［1-3］。隨著國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸油氣管道覆蓋范圍的持續(xù)擴(kuò)大，途徑山區(qū)、丘陵等復(fù)雜施工環(huán)境的坡地管道建設(shè)愈來愈多，且30°的縱向坡度已不罕見，彎管用量較大且彎度不斷增加，曲率半徑6D（D為管徑）的熱煨彎管已普遍應(yīng)用［4-5］。以西氣東輸三線管道工程中段及川氣東送二線天然氣管道川渝段為例，其管道安裝地多為低山丘陵，地形起伏頻繁，30°內(nèi)的坡度占比達(dá)90%以上，熱煨彎管使用量約10 個(gè)/km。受常規(guī)內(nèi)組對(duì)設(shè)備的過彎管能力、坡度爬升能力及焊接工藝制約，目前高鋼級(jí)管道的坡地焊接施工主要采用手工焊接及“手工焊根焊+自動(dòng)焊填充蓋面焊”的組合焊接等方式，存在遇彎管留頭且量多、焊接作業(yè)不連續(xù)、人為因素影響多、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、焊接效率低等問題，嚴(yán)重影響管道工程整體施工質(zhì)量與效率［6-10］。

連續(xù)作業(yè)是坡地管道施工追求的目標(biāo)，即上坡施工與下坡施工中間不留頭，以保證整體施工質(zhì)量與效率。施工安全性是坡地管道連續(xù)作業(yè)的前提，對(duì)于上坡施工可采取的安全保障措施較多，但對(duì)于連續(xù)作業(yè)的下坡施工安全性保障甚少，只能依靠提升設(shè)備自身安全性解決下坡安全施工問題。如何實(shí)現(xiàn)管道連續(xù)性、安全性作業(yè)逐漸成為坡地管道施工亟待解決的難題。為此，研制了具有曲率半徑≥6D熱煨彎管通過能力及30°縱向坡度爬升能力的CPP900-FIW48新型內(nèi)焊機(jī)（以下簡(jiǎn)稱新型內(nèi)焊機(jī)），并通過確定坡口形式與尺寸參數(shù)、焊接參數(shù)、工藝試驗(yàn)、焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)等，制定了適用于15°～30°縱向坡度范圍的“新型內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬自動(dòng)煤機(jī)外焊（熱焊、填充焊與蓋面焊）”的全自動(dòng)焊接工藝，以期為坡地管道自動(dòng)焊作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 坡地新型內(nèi)焊機(jī)

1.1 結(jié)構(gòu)

新型內(nèi)焊機(jī)的機(jī)械部分主要由前機(jī)籠、焊炬同步定位機(jī)構(gòu)、漲緊機(jī)構(gòu)、焊炬同步焊接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊接單元、自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)、力控行走及制動(dòng)機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)氣罐等組成，如圖1所示。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

適應(yīng)管徑系列508～1 422 mm（20～56 in），最小曲率半徑/彎管直管段最小長(zhǎng)度5D/0.5 m，最大安全施工坡度30°，最大水平行走速度25 m/min，管口組對(duì)間隙0～0.5 mm，內(nèi)根焊焊接速度0～1.5 m/min，控制系統(tǒng)電壓24 V，無線遙控距離≤50 m，下坡速度智能控制范圍≤3 m/min。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 自動(dòng)對(duì)中定位技術(shù)

對(duì)上坡與下坡管道及彎管焊接施工時(shí)，新型內(nèi)焊機(jī)機(jī)頭部分會(huì)因重力、彎管軸線軌跡等因素影響而出現(xiàn)不同方向的偏轉(zhuǎn)，焊炬準(zhǔn)確定位難度極大（尤其是內(nèi)焊機(jī)出彎管時(shí)的焊炬定位），嚴(yán)重影響后續(xù)的管口組對(duì)與焊接質(zhì)量。為此，開發(fā)了可有效解決坡度管道焊接時(shí)焊炬定位難題的自動(dòng)對(duì)中定位技術(shù)。其借助焊炬同步定位機(jī)構(gòu)與自動(dòng)對(duì)中機(jī)構(gòu)及二者聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)所有焊接單元的焊炬中心面與被焊鋼管的坡口鈍邊端面重合，以達(dá)到焊炬快速、準(zhǔn)確定位的目的，可確保所有焊炬完成的焊道處于同一平面，避免單邊未熔，保證焊接質(zhì)量。自動(dòng)對(duì)中定位控制流程如圖2所示。

1.3.2 坡度速度控制技術(shù)

坡度速度控制采用速度傳感器、角度傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)、算法與控制等方法，借助速度檢測(cè)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及制動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同坡度時(shí)上坡與下坡行走速度的調(diào)節(jié)，以使新型內(nèi)焊機(jī)安全、平穩(wěn)行走。坡度速度控制技術(shù)基于PLC開發(fā)，采用“順序掃描，持續(xù)循環(huán)”的工作方式，即PLC運(yùn)行時(shí)，CPU根據(jù)用戶存儲(chǔ)器中的程序，以指令步序號(hào)（或地址號(hào)）作周期性循環(huán)掃描，且在掃描過程中完成輸入信號(hào)采樣和對(duì)比輸出狀態(tài)刷新。坡度速度控制流程如圖3所示。

1.3.3 一鍵遙控自動(dòng)焊接技術(shù)

一鍵遙控式自動(dòng)焊接技術(shù)采用無線遙控與多點(diǎn)傳感技術(shù)，通過正向與反向焊接起始點(diǎn)、起弧/熄弧位置的識(shí)別與定位及送絲、電源與保護(hù)氣聯(lián)控，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)環(huán)縫全位置的一鍵遙控自動(dòng)焊接，可有效保證焊接質(zhì)量。

一鍵遙控式自動(dòng)焊接技術(shù)的焊接控制流程如圖4所示。

2 全自動(dòng)焊接工藝

15°以內(nèi)坡度范圍的焊接工藝可直接采用平緩段的現(xiàn)有“內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬自動(dòng)外焊機(jī)填蓋焊”焊接工藝［11-17］，無需改變坡口形式及焊接參數(shù)。本文重點(diǎn)研究適用15°～30°范圍的“新型內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬自動(dòng)焊機(jī)外焊”焊接工藝。

2.1 設(shè)備與材料

“新型內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬自動(dòng)焊機(jī)外焊”焊接工藝試驗(yàn)所需的材料與設(shè)備主要為：鋼管、焊絲、保護(hù)氣體、新型內(nèi)焊機(jī)、雙焊炬自動(dòng)外焊機(jī)、中頻加熱設(shè)備及坡口機(jī)等，具體型號(hào)與數(shù)量如表1所示。

2.2 坡口形式與尺寸參數(shù)

在保證焊接質(zhì)量的前提下，綜合考慮15°～30°坡度范圍內(nèi)坡口形式通用、提高加工一致性考慮，確定該工藝的坡口形式為雙V形復(fù)合坡口，如圖5所示。其尺寸參數(shù)及確定依據(jù)分別為：δ為鋼管壁厚；綜合考慮不同縱向坡度時(shí)坡口上開口寬度對(duì)熔池和鐵水狀態(tài)的可控性影響、外焊機(jī)施焊時(shí)焊槍所需坡口空間及對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，確定上坡口角度β=4°±0.5°、坡口面角度α=45°±1°；為避免坡度熱焊焊接時(shí)坡口接刀位置出現(xiàn)未熔缺陷及熱焊層表面覆蓋變坡口拐點(diǎn)，確定坡口拐點(diǎn)至鋼管內(nèi)壁的距離H=5.1 mm±0.2 mm；綜合考慮鈍邊熔透性對(duì)焊接質(zhì)量的影響，確定鈍邊寬度p=1.25 mm±0.2 mm；為確保坡度焊接時(shí)管道內(nèi)環(huán)縫的良好成形，確定內(nèi)坡口角度γ=37.5°±0.5°，高度h=1.35 mm±0.15 mm；基于自動(dòng)焊可焊性及焊接質(zhì)量，要求管口組對(duì)間隙b≤0.5 mm、錯(cuò)邊量c≤1.5 mm。

2.3 焊接參數(shù)

工藝試驗(yàn)的焊槍擺動(dòng)采用平擺和角擺2種方式，每臺(tái)焊接小車的前槍角度垂直于焊接方向，后槍角度相比前槍角度前傾3°～5°。在15°～30°坡度范圍內(nèi)以每5°為1組探索焊接參數(shù)的共性，以確定適宜于不同坡度的基礎(chǔ)焊接參數(shù)，進(jìn)行不同坡度環(huán)縫焊接時(shí)只需在基礎(chǔ)焊接參數(shù)上進(jìn)行微調(diào)即可。熔池下墜是影響坡度焊接焊縫成形和產(chǎn)生缺陷的關(guān)鍵因素。焊接過程中，根據(jù)每層坡口寬度、焊層及焊接位置的變化，適時(shí)調(diào)整焊接速度、送絲速度、擺動(dòng)寬度、邊緣停留時(shí)間、焊接電壓及焊接電流等參數(shù)，通過改變?nèi)鄢刂亓Α⒈砻鎻埩?、電弧力及熔池冷卻時(shí)間等控制熔池下墜，確保焊縫成形與焊接質(zhì)量［18］。

由工藝試驗(yàn)得知，15°～30°坡度范圍內(nèi)的環(huán)縫焊接應(yīng)重點(diǎn)控制熱輸入量、焊接電壓、焊接電流等參數(shù)。其中，熱輸入量為3.5～5.1 kJ/cm，避免熱輸入過大造成熔池紊亂；焊接電壓為20～27 V、焊接電流為160～240 A，且焊接電壓、焊接電流沿焊縫周向逐漸減小，以保證整體焊縫的焊接狀態(tài)穩(wěn)定性。具體焊接參數(shù)見表2。

2.4 焊接工藝要求

“新型內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬自動(dòng)焊機(jī)外焊”焊接工藝的施工工序?yàn)椋汉盖皽?zhǔn)備（含加工坡口）→焊前預(yù)熱→根焊→熱焊→填充焊→蓋面焊。具體焊接工藝要求如表3所示。

3 力學(xué)性能試驗(yàn)

針對(duì)15°～30°坡度內(nèi)采用“新型內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬自動(dòng)焊機(jī)外焊”焊接工藝完成的且經(jīng)超聲波和射線雙檢合格的焊口，按照Q/SY GJX 0110—2007標(biāo)準(zhǔn)要求的取樣位置對(duì)焊接接頭取樣并制作成滿足規(guī)格要求的試樣，對(duì)其進(jìn)行了拉伸、刻槽錘斷、側(cè)彎、沖擊、金相、硬度及抗氫致開裂（HIC）等力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度25 ℃、相對(duì)濕度56% RH。

3.1 拉伸試驗(yàn)

依據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，用1 000 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：SHT5106-P）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示?？梢姾附咏宇^的抗拉強(qiáng)度滿足X80管線鋼的焊接要求，斷裂處均位于母材上。

3.2 刻槽錘斷試驗(yàn)

試樣尺寸與刻槽類型：230 mm×25 mm×18.4 mm、三面刻槽；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：SY/T 0452—2021《石油天然氣金屬管道焊接工藝評(píng)定》；試驗(yàn)設(shè)備：1 000 kN微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：SHT5106-P）?？滩坼N斷試驗(yàn)結(jié)果表明斷口斷面處未見缺陷。

3.3 側(cè)彎試驗(yàn)

試樣尺寸：230 mm×13 mm×18.4 mm；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗(yàn)方法》；試驗(yàn)設(shè)備：1 000 kN微機(jī)控制彎曲試驗(yàn)機(jī)（BHT5106），彎頭直徑4T，彎曲角度180°。試驗(yàn)后試樣表面未見缺陷。

3.4 低溫沖擊韌性試驗(yàn)

試樣尺寸：10 mm×10 mm×55 mm；缺口類型：V形；試驗(yàn)溫度：-10 ℃、酒精保溫不少于5 min；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)辦法》；試驗(yàn)設(shè)備：450 J擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)ZBC 2452-C。沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。從表5可見，焊縫及熱影響區(qū)的沖擊功滿足最小沖擊功≥60 J、平均沖擊功≥80 J的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 宏觀組織檢驗(yàn)

取樣位置：點(diǎn)6、點(diǎn)9、點(diǎn)12；試樣尺寸：50 mm×10 mm×18.4 mm；試驗(yàn)類型：5×；試驗(yàn)設(shè)備：金相顯微鏡（XJG-05）。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所有試樣均未見明顯缺陷。

3.6 硬度試驗(yàn)

焊接接頭硬度測(cè)定在宏觀組織檢驗(yàn)試樣上進(jìn)行。試驗(yàn)類型：維氏硬度（HV）；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》；試驗(yàn)設(shè)備：布維硬度計(jì)（HBV-30A）。硬度測(cè)試結(jié)果如表6所示。從表6可知，焊縫及熱影響區(qū)的硬度值均低于300HV10，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.7 抗氫致開裂（HIC）性能試驗(yàn)

試樣尺寸：100 mm×20 mm×18.4 mm；溶液類型：質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%CH3COOH+質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%NaCl；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：NACE-TM0284—2003；試驗(yàn)時(shí)間：96 h；試驗(yàn)類型：100×金相分析。試驗(yàn)后3個(gè)試樣的所有截面均未發(fā)現(xiàn)裂紋，其裂紋敏感率（CSR）、裂紋長(zhǎng)度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）均為0，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

依托搭建的30°試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)新型內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行了上坡與下坡平穩(wěn)行走、安全制動(dòng)、焊炬中心平面與坡口鈍邊平面的自動(dòng)對(duì)中定位、曲率半徑6D熱煨彎管的通過性等性能測(cè)試，及坡度自動(dòng)焊接模擬試驗(yàn)，并在西氣東輸三線中段（中衛(wèi)-吉安）項(xiàng)目棗陽-仙桃段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型內(nèi)焊機(jī)滿足山區(qū)、丘陵等坡地管道上坡與下坡連續(xù)焊接及安全施工要求，制定的焊接工藝可實(shí)現(xiàn)30°縱向坡度范圍內(nèi)的管道全自動(dòng)焊接。

5 結(jié) 論

（1）新型內(nèi)焊機(jī)與配套的全自動(dòng)焊接工藝可在山區(qū)、丘陵等坡地管道上坡與下坡施工中實(shí)現(xiàn)連續(xù)、安全及根焊至蓋面焊全工序的自動(dòng)焊接。

（2）自動(dòng)對(duì)中定位、一鍵遙控自動(dòng)焊接等功能可提高焊炬中心基于管端定位的精度與效率，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)環(huán)縫焊接全過程自動(dòng)化，且操作便捷。

（3）15°～30°坡度范圍內(nèi)管道環(huán)縫焊接應(yīng)重點(diǎn)控制熱輸入量、焊接電壓及焊接電流等，且通過焊接參數(shù)的適時(shí)調(diào)整控制熔池下墜，確保焊縫成形與焊接質(zhì)量。

（4）全自動(dòng)焊接已成為坡地管道焊接施工趨勢(shì)，它可及時(shí)反饋坡地管道施工的焊接質(zhì)量，為避免因焊接缺陷導(dǎo)致返修甚至產(chǎn)生割口，繼而影響施工效率，焊接工序完成后應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)第三方檢測(cè)，且焊接機(jī)組宜配置用于每層焊接質(zhì)量檢測(cè)的設(shè)備及內(nèi)焊縫觀測(cè)系統(tǒng)，以便盡快發(fā)現(xiàn)問題，使自動(dòng)焊機(jī)組及時(shí)調(diào)整焊接工藝參數(shù)。

（5）新型內(nèi)焊機(jī)及全自動(dòng)焊接工藝可用于西氣東輸三線中段、川氣東送二線等管道工程的坡地焊接施工，能提高坡地管道焊接質(zhì)量與施工效率，進(jìn)而保障管道工程安全運(yùn)營(yíng)，延長(zhǎng)管道使用壽命。

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