山區(qū)長輸管道自動焊施工工藝研究

朱洪亮，張文強，張鵬飛，劉銳，胡榮，白圣，廖凱

1.四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川 成都 610213

2.國家管網集團西南管道有限責任公司，四川 成都 610213

0 前言

我國地形復雜多樣，山區(qū)面積約占全國總面積的2/3。長輸管道所經山區(qū)的地質結構復雜，主要以丘陵和山地地形為主，地勢陡峭，河流沖溝密布，管道途經地區(qū)山脈縱橫，溝壑叢生，地勢起伏較大，而且部分地區(qū)氣候潮濕，植被較密，土層較薄，管線沿溝谷敷設時，溝谷走向變化較大，谷底地質條件復雜。管線沿山脊敷設時，絕大多數(shù)山坡坡度較陡，地形復雜是長輸管道施工中的一大難點［1-11］。

自動焊施工工藝技術在平原、丘陵地段已較為成熟，而山區(qū)地段由于自動焊施工技術本身的限制，還未能應用于山區(qū)管道施工，因此，本文對山區(qū)管道的自動焊施工技術進行了深入研究和思考。

1 山區(qū)長輸管道焊接施工特點

山區(qū)地形的特點導致長輸管道施工的難點在于：一是地形復雜，彎頭多，平均每公里熱煨彎管6～15個不等，冷彎彎管8～18個不等；二是坡度陡，某些工程施工坡度最大達到了80°（見圖1），大部分坡度在25°以下；三是大型機具設備使用受限，機械化流水作業(yè)困難，作業(yè)效率低，成本高；四是復雜地形全位置焊接對焊工技能水平要求較高（見圖2）。

圖1 某工程陡坡段Fig.1 Steep slope section of a certain project

圖2 陡坡焊接Fig.2 Steep slope welding

山區(qū)的地形特點決定了要在山區(qū)采用自動焊施工，必須滿足的技術要求有：（1）設備輕便，便于挪移使用；（2）自動焊能滿足熱煨彎管等不等壁厚的焊接；（3）自動焊技術能適應復雜地形特別是坡道上的全位置焊接；（4）焊接質量能夠得到保證，避免坡道上割口，從而增加施工難度。

2 管道自動焊焊接工藝

石油天然氣地面建設工程采用的鋼級及管徑均向大口徑、高鋼級方向發(fā)展，這樣有利于提高管道輸送能力，同時減少鋼材用量，降低成本。近幾十年來，在國外管道全自動焊接已成為一項比較成熟的管道施工技術，已初步形成技術和設備的系列化。國內從2002年開始引進全自動焊施工技術，并先后在西氣東輸、陜京線等工程中應用，在施工中積累了一定的經驗。2018年在中俄東線開始大規(guī)模推廣應用自動焊施工技術。

目前國內應用的全自動焊技術主要分為根焊技術和填蓋技術兩類。根焊技術包括內焊機根焊、外焊機根焊和帶銅襯墊的外焊機根焊；填蓋技術主要包括單焊炬自動焊、雙焊炬自動焊等。與半自動焊相比，全自動焊具有焊接質量穩(wěn)定、焊接效率高、勞動強度小、焊工操作簡便等優(yōu)勢，劣勢在于設備投入大、輔助施工技術要求較高（檢測要求、坡口加工要求、管材質量要求等）、地形適應能力較差等。

2.1 內焊機根焊+雙焊炬填蓋

該工藝采用內根焊技術，填蓋采用雙焊炬設備自動焊技術。目前應用較為成熟，主要用于平原，丘陵地段施工。

優(yōu)點是根焊質量穩(wěn)定，填蓋一次成型兩層，效率高，采用小尺寸坡口，焊材用量小，自動跟蹤系統(tǒng)的使用降低了焊接操作難度。

缺點是根焊一種管徑對應一套相應規(guī)格的內焊機（見圖3），設備通用性差，增加成本，不能通過熱彎，不等壁厚需要將厚壁內鏜成等壁厚后才能焊接，雙焊炬設備配套設備多（見圖4），重量重（一套約400 kg），移動靈活性能差。

圖3 內焊機Fig.3 Internal welding machine

圖4 雙焊炬設備連接示意Fig.4 Connection diagram of dual welding torch equipment

2.2 單焊炬自動焊

單焊炬自動焊根焊工藝有單面焊雙面成形工藝、單焊炬設備+銅襯墊的根焊強制成形工藝，近年也正在開發(fā)氬弧自動焊根焊工藝。填蓋有上向焊工藝（氣保藥芯焊絲）、下向焊工藝（氣保藥芯焊絲、實心焊絲）。

氣保焊的單面焊雙面成形工藝對錯邊敏感，易出現(xiàn)燒穿、內凹和未焊透缺陷（見圖5），根焊質量不高。單焊炬設備+銅襯墊的根焊強制成型工藝，對錯邊敏感，根焊成形不好，有粘銅情況，不利于射線評判，國內使用存在爭議。氬弧自動焊根焊（見圖6）是近年開發(fā)的用于油氣長輸管道焊接的新工藝，焊縫成形好，電弧穩(wěn)定易控制，但是對組對錯邊要求較高，超過1.5 mm的錯邊，易出現(xiàn)未熔合等缺陷，目前還處于試驗和現(xiàn)場驗證階段。

圖5 未焊透Fig.5 lack of penetration

圖6 氬弧自動焊Fig.6 Automatic argon arc welding

上向焊填蓋工藝（氣保藥芯焊絲）要求坡口角度不能小于22.5°，坡口度數(shù)太小，焊縫成形易出現(xiàn)中間高、兩邊低的情況，坡口熔合不好，不利于質量控制，焊接效率低，完成一道1 219×22 mm的管道需要4～6 h。下向焊工藝可采用小坡口焊接，增加跟蹤功能，可以有效降低焊接操作難度。

2.3 手工焊/半自動焊（STT、RMD）根焊+單焊炬填蓋

該工藝也簡稱組合自動焊工藝，主要針對一些特殊地段，如連頭、山區(qū)溝下焊等地段使用，是對內焊機設備根焊+雙焊炬設備填蓋工藝的有效補充。

該工藝的特點是采用手工或半自動焊根焊，適用于連頭等特殊地段焊接。在溝下或山區(qū)管道焊接中，半自動焊技術對焊工的操作技能水平要求較高，根焊質量不易在焊接過程中直觀判斷，采用AUT或PAUT檢測方式，易檢出RMD或STT的接頭未熔合。手工焊條電弧焊焊接完成后，背面的脫落的熔渣易影響射線檢測評判。因此，手工鎢極氬弧焊工藝，因背面無渣，焊接工藝成熟，成為組合自動焊根焊的首選，但受手工鎢極氬弧焊操作要求和噴嘴尺寸的影響，坡口度數(shù)要求較大，一般不小于22.5°，使后續(xù)自動焊填蓋的焊接效率降低。

3 山區(qū)管道的自動焊施工方法

對于山區(qū)管道采用自動焊施工方法，根據(jù)目前的工藝技術及研究，結合山區(qū)采用自動焊必須滿足的技術要求，目前階段，有以下的兩個發(fā)展方向可以考慮深入研究：一是內焊機設備根焊+外焊機設備填蓋工藝技術；二是氬弧焊自動焊根焊+外焊機設備填蓋工藝技術。

3.1 內焊機設備根焊+外焊機設備填蓋工藝技術

根據(jù)前文所述，內焊機設備根焊+外焊機設備填蓋工藝由于設備技術限制，目前僅適用于平原及淺丘地形的管道焊接。但內根焊優(yōu)秀的根焊成形、質量控制能和焊接效率（一道根焊僅需2～3 min），在長輸管道焊接施工上來說，是最優(yōu)的根焊方式。單焊炬或雙焊炬設備填蓋工藝技術，具備的自動跟蹤技術也是一種優(yōu)秀的保證質量的管道焊接自動焊技術，尤其是雙焊炬設備焊接技術具備翻倍的填充效率，優(yōu)勢明顯。用于山區(qū)管道施工，能夠提高山區(qū)管道施工質量，提高焊接效率。但如要用于山區(qū)地形施工，需要進行技術改進和革新。

3.1.1 內焊機改進

為滿足山區(qū)復雜地形施工的特點，內焊機在不減弱現(xiàn)有功能及焊接能力的情況下，必須考慮以下改進：（1）過彎能力。內焊機必須克服目前只能通過冷彎，無法通過熱彎的功能不足，適應山區(qū)復雜地形特點。（2）爬坡能力。通過測試，現(xiàn)有內焊機爬坡能力僅達到15°，對于山區(qū)地形普遍15～25°左右的地形特點，需要增加爬坡技術能力。（3）安全控制能力。內焊機較重，特別是下坡，控制不好，極易造成安全事故，必須考慮內焊機的安全控制能力。

3.1.2 自動焊填蓋工藝

自動焊填蓋可以采用單焊炬設備或雙焊炬設備，單焊炬自動焊填蓋工藝已非常成熟，可以采用具備跟蹤功能的單焊炬設備+實心焊絲填蓋，也可以采用單焊炬設備+氣保藥芯焊絲下向焊填蓋。雙焊炬設備自動焊技術因附屬設備太多，重量重，不便于較大坡道及溝下的搬遷、移動，因此根據(jù)山區(qū)地形的特點，可以考慮在25°以內的小坡度范圍下使用。

3.2 氬弧焊自動焊根焊+自動焊填蓋工藝技術

氬弧焊具有成形好，電弧穩(wěn)定的特點。氬弧自動焊在管板焊接，219以下的小管，采用卡盤式的自動焊設備在換熱器、核電等不銹鋼、有色金屬的焊接上應用較多，在長輸管道中，基本沒有應用。近年來，開發(fā)了用于長輸管道的氬弧自動焊設備，主要以目前的單焊炬設備為基礎，更換電源、焊槍以及控制系統(tǒng)，實現(xiàn)長輸管道氬弧自動焊焊接。

根據(jù)目前的研究，該工藝采用U形坡口（見圖7），組對間隙為0間隙（0～0.5 mm），實驗室焊接及少量工程現(xiàn)場焊接表明，在錯邊控制較好（＜1.5 mm）的情況下，氬弧自動焊根焊焊接過程相對穩(wěn)定，焊縫背面成形較好，焊道背面無內凹，局部與母材齊平。填充采用實心焊絲（采用自動跟蹤功能）或氣保藥芯焊絲下向焊，因U形坡口開口寬度較窄，不采用排焊，每層焊道可一次成形，減少了層道數(shù)和熔敷量，較單V坡口，提高了至少1倍的焊接工效，且節(jié)約了焊材成本。

圖7 U形坡口Fig.7 U-shaped groove

目前研究的氬弧焊自動焊根焊焊接方向為上向焊，焊接速度較慢，在工程中僅少量應用，針對該工藝用于山區(qū)管道施工，目前看還需加強錯邊適應性優(yōu)化研究以及大量現(xiàn)場應用研究。

目前該工藝實驗室能焊接的錯邊范圍是小于1.5 mm，山區(qū)施工中因下料短節(jié)、熱彎、冷彎的大量使用，目前階段，組對錯邊較大是常見現(xiàn)象，在現(xiàn)場復雜環(huán)境下，錯邊適應性范圍大小還需大量工程驗證。但該技術還可以通過電源電弧性能控制、坡口控制、焊接技術措施等方面改進，提高鎢極電弧熱源的熔透性，使之適應至少2.5 mm以下的錯邊量焊接，確保根焊焊接穩(wěn)定性和質量。

填充蓋面采用成熟的具備跟蹤功能的雙焊炬或單焊炬設備+實心焊絲下向焊自動焊技術是該工藝較好的選擇；采用雙焊炬設備雖然焊接施工效率高，但所需設備多（包括4臺電源、4個送絲機、2個冷卻水箱、2個機頭、2個控制單元等）、重約400 kg，而單焊炬設備相對輕便，更適合山區(qū)復雜地形使用。也可考慮單焊炬設備+氣保藥芯焊絲（堿性）下向焊自動焊工藝，該工藝采用氣渣聯(lián)合保護，相較實心焊絲工藝具有較強的抗風效果，在山區(qū)等復雜地段，特別適用于防風效果不好的場景，減少氣孔缺陷。

3.3 小結

根據(jù)前述分析，山區(qū)管道自動焊施工技術可以從兩個方向開展研究和攻關，一是內焊機設備根焊+自動焊填蓋工藝技術，用于25°以內的山區(qū)地形施工，二是氬弧自動焊根焊+自動焊填蓋工藝技術，用于各種環(huán)境山區(qū)地形施工。此兩種方法，從效率和質量角度考慮，坡口均采用小尺寸坡口，不僅利于山區(qū)長輸管道的焊接施工，更能降低填充量，提高施工效率，滿足山區(qū)長輸管道自動焊施工技術要求。

4 山區(qū)自動焊施工配套研究

針對山區(qū)管道自動焊施工，為提高自動焊施工的效率和質量，除了加強對焊接工藝技術和相應焊接設備的優(yōu)化改進外，還需要對配套技術進行完善和改進，從而更好地提高自動焊的適應性和應用范圍。

4.1 管材橢圓度尺寸控制

山區(qū)管道施工的特點決定了線路上彎頭多，為適應地形，需要在彎頭處加工適應長度的短節(jié)，現(xiàn)有管材標準要求管端不圓度和管體不圓度不一致（如1219，不圓度要求管端是0.5%D，管體是0.8%D），因此，下料出來的短節(jié)與彎頭組對會出現(xiàn)較大的錯邊，影響自動焊焊接質量和效率。因此，有必要加強管材整圓技術的攻關，對管材進行整體整圓，使管端與管體保持一致的不圓度，為管道自動焊施工創(chuàng)造條件。

4.2 熱煨彎管制造優(yōu)化

山區(qū)地形，熱煨彎管用量大，每公里約6～15只熱煨彎管。熱煨彎管與直管對接屬于不等壁厚焊接，無論內根焊或單面焊雙面成型，按照傳統(tǒng)的不等壁厚焊接方法，將厚壁側加工15°左右的內坡，均不利于自動焊內根焊或外焊的單面焊雙面成型，而且，自動焊采用AUT檢測方式也檢測不了該類型的焊口。另外，熱煨彎管的管端直管長度僅500 mm，太短，施工現(xiàn)場的坡口機加工不了熱彎的坡口，熱彎廠家可以加工坡口，但加工后時間較長的存放容易生銹，且加工尺寸與現(xiàn)場可能不一致，導致后續(xù)施工困難。

因此，對熱彎需要進行優(yōu)化制造。一是根據(jù)現(xiàn)場坡口機對直管段長度的要求，增加直管段長度；二是管端進行至少120 mm的內鏜孔（滿足AUT檢測和內焊機設備的要求），減薄壁厚與直管段一致；三是管端不圓度與直管要求一致，控制錯邊量。

5 結論

山區(qū)管道地形的特殊性使得在其施工難度和可采用施工方法受限，為推動在山區(qū)應用自動焊施工技術，可以從內焊機設備根焊+雙焊炬設備填蓋工藝技術和氬弧自動焊根焊+單焊炬設備自動焊填蓋工藝技術的設備和工藝改進上進行研究。

（1）需要研究能夠爬坡及通過熱煨彎管的柔性內焊機，且保證在山區(qū)安全使用。

（2）需要從工藝技術、設備及參數(shù)控制等方面繼續(xù)優(yōu)化研究自動氬弧焊工藝技術，以實現(xiàn)自動焊的單面焊雙面成型，且滿足山區(qū)溝下及坡道上的焊接。

（3）錯邊對自動焊焊接質量影響較大，需要加強研究管材及熱煨彎管等的橢圓度控制技術，以滿足自動焊施工要求。

（4）山區(qū)地形熱煨彎管用量大，為實現(xiàn)現(xiàn)場加工坡口和便于自動焊焊接，需要加長熱煨彎管直管段長度，同時對熱煨彎管管端進行內鏜加工，以滿足自動焊焊接及檢測的要求。