管道自動環焊技術的發展

王 銳，郭瑞杰

(1.長慶油田分公司 長南氣田開發項目部，陜西 定邊 718600；2.中國石油天然氣管道科學研究院，河北 廊坊 065000)

管道自動環焊技術的發展

王 銳1，郭瑞杰2

(1.長慶油田分公司 長南氣田開發項目部，陜西 定邊 718600；2.中國石油天然氣管道科學研究院，河北 廊坊 065000)

隨著焊接技術的發展，管道自動化焊接技術經過不斷的開發和改進，在實現了高效焊接的同時獲得了優質的焊縫，且國內外很多管道設備供應商可以提供此類焊接系統。總結了管道自動環焊的發展歷程和有關技術的最新進展情況，對我國管道焊接技術的發展提供一些借鑒。

管道；自動焊；鍛焊；激光-電弧復合焊

0 前言

20世紀60年代，美國CRC公司開發了自動化熔化極氣體保護焊(GMAW)用于管道的焊接，從最初的40°坡口，焊槍沿直線行走，發展到窄間隙坡口，焊槍可以擺動，保證了坡口側壁的熔合。該自動焊機沿一個固定在管道上的簡單導軌移動，管道兩側各有一臺焊機，同時進行下向(從12點到6點的位置)焊接。隨著焊接技術的發展，管道自動焊接技術得到不斷的發展和完善，在實現高效焊接的同時獲得了優質的焊縫，目前國內外很多管道設備供應商都可以提供此類焊接系統[1]，如德國VIEFZ公司、法國SERIMERDASA公司、意大利PWT、加拿大RMS，國內的中國石油管道局研究院和中國石油工程技術研究院等也有類似產品。

1 根焊

根焊速度直接影響整個管線焊接施工的效率，是制約施工進度的瓶頸，其技術發展主要經歷了以下幾個階段[1-2]：(1)20世紀70年代——內焊機，裝備的3～5把焊槍可同時焊接；(2)20世紀80年代——外部根焊，輔助內銅襯墊；(3)20世紀90年代——外部根焊無需襯墊，采用短路過渡GMAW；(4)2000以后——內焊機，裝備的8～12把焊槍可同時焊接。

目前陸地管道的自動根焊基本完全采用內焊機，部分采用不帶銅襯墊的GMAW自動外焊，帶銅襯墊的自動外焊則主要應用于海洋管道的焊接。實驗室正在研發的管道激光-電弧復合焊接技術可以將根焊效率提高3～5倍，有望應用于管道施工。

內焊機主要是集內對口器和焊槍為一體，內部設置多個焊槍控制系統，從管子內部實現焊接，焊接效率高，勞動強度低，焊接過程受人為干擾影響小。而外根焊則是對口器與焊槍分離，操作工藝可通過自動外焊工藝和半自動焊工藝來實現。對于小口徑管道和大口徑管道“連頭”、彎頭無法采用內焊機焊接，必須采用從外部焊接的單面焊雙面成形技術。應用具有控制金屬熔滴過渡的能力焊接電源才能實現外部根焊，該工藝無需銅襯墊就能有效消除因管口變形、坡口角度差異所引起的根部未熔合和未焊透缺陷，例如：美國林肯電氣公司的表面張力過渡(STT)焊接電源，在焊接過程中通過檢測短路以及早期的熔滴爆裂，調整焊接電流，從而在低熱輸量下實現穩定的熔滴過渡，很少或沒有飛濺，但對于長距離管道連頭中產生的“穿堂風”影響較大，易產生密集氣孔；美國米勒公司的RMD焊接電源采用另一種短路精確控制技術，能有效消除以上焊接缺陷，但對操作人員要求高。以上兩種焊接電源已在國內外油氣管道工程中得到了廣泛應用。目前新引進的外根焊技術有奧地利Fronius公司的冷金屬過渡(CMT)技術，將焊絲的運動同熔滴的過渡相結合，降低焊接熱輸入，飛濺小。芬蘭的Kemppi公司研制的FastROOT技術也是通過控制熔滴過渡的技術來實現快速根焊。

2 填充焊

填充蓋面焊的效率決定了焊接工作站的數量和整體現場施工效率，對整個接頭完成速度有重要影響，其技術發展主要經歷了以下階段[1-3]：

(1)20世紀60年代——窄間隙坡口和單焊槍自動焊機。

(2)20世紀90年代——雙焊槍自動焊機。

(3)2000年——串列雙絲(tandem)自動焊機(一把焊槍兩根焊絲)。

(4)2004年——雙焊槍tandem自動焊機(CAPS焊接系統)。

2007年——激光視覺焊接系統，可以自動控制焊槍位置和計算機數據采集。

目前管道填充蓋面焊大部分采用單焊槍或雙焊槍自動焊，單焊槍或雙焊槍Tandem自動焊在全球已完成了2萬多公里的管道焊接，管道激光視覺焊接系統還未步入推廣使用期。這些技術的發展采用實心焊絲GMAW，通常用CO2氣體或氬氣和CO2的混合氣體保護。自動焊機也可使用藥芯焊絲，采用上向焊接工藝，并使用API 60°焊接坡口，而不是窄間隙坡口。

隨著管道壁厚和管徑的增大，對填充焊接效率的要求越來越高。主要代表有CRC公司設計的自動GMAW焊接系統，采用的是單焊槍和單送絲機構。法國Dasa公司開發的一種雙焊槍(一臺焊機帶兩把焊槍)系統，已廣泛應用于陸上和海洋管道的焊接。英國Cranfield大學開發的Tandem焊接技術進一步提高了管道焊接生產率。Tandem焊接技術采用單焊槍(里面兩個導電嘴)，兩根焊絲形成一個熔池，焊接速度高達1 m／min。兩把Tandem焊槍可安裝在一臺焊機上，進一步縮短焊接時間。

以上技術都是在現有技術的基礎上不斷創新實現的。單槍Tandem焊和雙槍Tandem焊的工程應用表明，焊接效率較單絲焊提高了30%～50%，焊縫質量更優。由以上四種不同的焊接工藝完成的焊縫都具有相似的宏觀組織，傳統的X射線和自動超聲檢測可以用于焊縫的缺陷檢測。

3 鍛焊

多年來，基于鍛焊技術，產生了多種“一站式”焊接方法，試圖實現遠高于GMAW的生產效率。盡管已投入了大量經費，開展了大量的試驗研究，但這些方法迄今還未能應用于管道施工。

各種鍛焊技術的開發都是采用不同的方法加熱管端，然后將兩個管端擠壓在一起，從而形成鍛焊焊縫。在閃光對焊中，電壓分布于管子的圓周方向，然后使兩個管端接觸，瞬間拉開一定間距，從而產生電弧。在俄羅斯和烏克蘭，很多大口徑陸地管道采用了該方法，但在世界的其他地方還沒有應用。閃光對焊必須克服以下問題：(1)對于大口徑管道，設備龐大；(2)頂鍛的程度相當有限；(3)無損檢測通常不能查找出潛在的焊縫缺陷；(4)焊縫的冷卻速度過慢，造成晶粒粗大，焊縫性能下降。這些固有缺點使得該技術很難適用于高強度管線鋼的焊接。

加拿大開發的Spinduction方法，目前正處在研制中，它采用感應加熱，并結合旋轉和頂鍛，試圖提高鍛焊焊縫質量[4]。摩擦焊也是一種有效的鍛焊工藝。英國TWI于1975年注冊了徑向摩擦焊專利，該技術在管內襯有保證管子對中和防止壓塌的心軸，外接頭處套上帶錐面的圓環，該圓環旋轉、頂煅加壓，完成焊接過程，其工作原理如圖1所示。摩擦焊在焊縫接頭處產生相對運動，從而最大限度地減少了產生缺陷的幾率。但是，焊縫的冷卻速度過慢，并且即使對于中等管徑，設備也很龐大。

FRIEX是一種新方法，它將圓環作為填充材料。焊接時，圓環放置在兩個管子之間，并且在管道兩端的軸向壓力作用下使圓環旋轉產生摩擦而產生熱量，如圖2所示。在這些組件接觸之后，圓環和兩個管子末端之間摩擦使接觸部分的溫度急劇升高，在摩擦階段結束后，圓環迅速停止旋轉，并且快速增加軸向的頂煅力，焊接完成后將焊縫多余部分銑掉。FRIEX在沒有心軸的情況下也采用了旋轉圓環，因此從管子的內部和外部必須消除閃光[4]。該技術的開發工作仍在繼續，有可能應用于小口徑、低強度的管道。摩擦攪拌焊(FSW)方法應用于管道焊接，相關的研究也正在積極開展中，其優勢是隨著管徑的增加，設備尺寸的增加并不明顯。

圖1 管道徑向摩擦焊的工作原理

4 激光焊

美國IPG Photonics公司已開發了光纖激光器，采用小型化設備實現了高功率(達50 kW)。光纖激光器的效率相對較高，其中約20%的電力轉化為激光功率，而且非常耐用，可用于施工現場。

激光-電弧復合焊結合了激光焊和電弧焊兩者的優點。激光焊工作于鎖孔模式時，提供大的熔深和高速焊接，而GMAW則提供了填充焊絲，并增加了對口間隙和錯邊的適應范圍。對于薄壁管道(12 mm以下)，焊縫可通過一個焊道完成，然后再用一道MIG焊進行蓋面，可以實現焊接速度1.5 m／min。目前德國Vietz公司的管道激光焊接系統已經投入商業應用，美國EWI和BMT公司已完成了實驗研究[5]。

5 結論

對于管道施工，GMAW自動焊仍然被認為是最合適的方法。管道環縫自動焊在過去50多年的歷史中，一直在演變和發展，在陸地和海洋都實現了非常高效的焊接系統。

GMAW自動環焊可實現不同管道材料和管徑的焊接，焊縫機械性能優良，可檢驗性好，合格率非常高。其替代方法有鍛焊和激光焊接，但GMAW自動環焊技術及設備在油氣管道施工領域通過多年的應用已獲得了高度的信任，因此引進GMAW的替代方法是非常困難的。

弧焊技術仍在繼續發展，全自動的焊縫質量實時評估有可能進一步應用。應當指出，由于自動焊接設備越來越復雜，需要開發更簡單的焊機，它采用V型坡口和藥芯焊絲電弧焊工藝。這種方法不僅降低了設備成本，而且不需要在現場進行窄間隙坡口的加工，同時燃弧時間長，熔敷速度高。這種方法對于小口徑管道、連頭以及丘陵地區的管道焊接具有明顯的應用優勢。

鍛焊工藝的開發已進行了大量試驗，迄今實際的應用還非常有限。在某些情況下，隨著管徑和壁厚的增加，要求設備的尺寸和成本急劇增加；鍛焊的韌性低，這也是一個應用難題。最新開發的攪拌摩擦焊和FRIEX，都具有應用潛力，但需要進一步驗證其能否獲得所需要的機械性能，尤其是韌性。

圖2 FRIEX工作原理

[1] David Yapp.High productivity pipe girth welding：developments in mechanised arc welding of pipelines[J].Pipelines International，2011，28(3)：21-24.

[2]尹長華，閆 臣，崔相國.國內外長輸管道常用焊接工藝[J].電焊機，2009，39(5)：22-31.

[3]D Yapp，Blackman.Recent Developments in High Productivity Pipeline Welding[G].IIW Document XII-1786-04：89-97.

[4]K Faes，A Dhooge，P De Baets，et al.Influence of deceleration phase on properties of friction welded pipelines using intermediate ring[J].Science and Technology of Welding＆Joining，2008，13(2):136-145.

[5]Claus Thmomy，Thomas Seefeld.Application of Fiber Lasers to Pipeline Girth Welding[J].Welding Journal，2008，26(7)：54-58.

Developments of automatic girth welding technology in pipelines

WANG Rui1，GUO Rui-jie2
(1.South Gas Field Department of Changqing Oilfield Company，Dingbian 718600，China；2.Pipeline Research Institute of CNPC，Langfang 065000，China)

Over the last 50 years，automatic welding technology of pipeline has been continually developed and improved，so that welds can be made with consistent high quality and high productivity，and welding systems are available from many pipeline equipment suppliers.This paper summarizes the development sequence of the automatic girth welding and the progress of associated new technology in pipelines，which will provide a useful reference for the development of pipeline welding technology in china.

pipeline；automatic welding；forging weld；hybrid laser-arc welding

TG409

C

1001-2303(2011)09-0053-03

2011-06-30；

2011-09-12

王 銳(1975—)，男，甘肅慶陽人，工程師，主要從事油氣田產建和長輸管道的焊接工作。