長輸管道安裝焊接方法現(xiàn)狀及展望

尹長華 ，高澤濤，薛振奎

(1.中國石油天然氣管道局，河北 廊坊 065000；2.油氣管道輸送安全國家工程實驗室，河北廊坊 065000)

0 前言

世界管道工程近十年來飛速發(fā)展，管道敷設(shè)從平川走向高山、沙漠和大海；從溫帶、熱帶走向極地；輸送壓力從4 MPa以下提高到10 MPa以上；管徑從低壓小管輸送到高壓大直徑輸送；管道用管材從A、B級的碳素鋼、C-Mn鋼發(fā)展到高強度級別的X80、X100和X120微合金化控軋鋼、調(diào)質(zhì)鋼；輸送介質(zhì)從甜氣到帶有腐蝕性混合物（H2S、CO2）的介質(zhì)等。管道建設(shè)的飛速發(fā)展帶動了管道焊接技術(shù)的快速進步。長輸管線安裝焊接方法經(jīng)歷了傳統(tǒng)藥皮焊條和手工鎢極氬弧上向焊→單焊炬熔化極活性氣體保護半自動下向焊和單焊炬埋弧自動焊→高纖維素型和鐵粉低氫型焊條下向焊→自保護藥芯焊絲半自動下向焊和熔化極活性氣體保護單焊炬下向或上向自動焊、閃光對焊→熔化極活性氣體保護多焊炬下向自動焊（如雙焊炬自動外焊機、8焊炬自動內(nèi)焊機等）和多焊炬埋弧自動焊（如雙絲埋弧焊）的進展歷程。相信不久的將來，野外移動式高效多聯(lián)管工作站、單弧多絲氣保護自動焊、激光復(fù)合自動焊、電子束焊、窄間隙氣體保護自動焊、弧焊機器人等高新技術(shù)也會逐步應(yīng)用到長輸管道領(lǐng)域當(dāng)中，實現(xiàn)長輸管道焊接技術(shù)的重大變革。

1 長輸管道安裝焊接方法現(xiàn)狀

目前，長輸管道安裝焊接方法主要有以纖維素焊條下向焊和鐵粉低氫型焊條下向焊為代表的焊條電弧焊，以STT(Surface Tension TransferTM)技術(shù)氣體保護實心焊絲半自動焊和自保護藥芯焊絲半自動焊為代表的半自動焊，以及以單(雙)焊炬熔化極活性氣體保護全位置自動焊和多焊炬熔化極活性氣體保護全位置內(nèi)焊機根焊為代表的自動焊三大類。

1.1 手工電弧焊

手工電弧焊主要包括藥皮焊條電弧焊和手工鎢極氬弧焊。

1.1.1 藥皮焊條電弧焊

目前國內(nèi)外長輸管道常用藥皮焊條電弧焊有傳統(tǒng)低氫型焊條上向電弧焊、高纖維素焊條上向電弧焊、高纖維素焊條下向電弧焊和鐵粉低氫型焊條下向電弧焊。

傳統(tǒng)低氫型焊條上向電弧焊，具有操作簡單、脫渣容易、焊縫韌性高、缺欠幾率低等特點，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于長輸管道的返修焊接和根焊當(dāng)中，特別是日本神鋼開發(fā)的代表性低氫型焊條KOBE LB52U φ3.2 mm/LB62Uφ3.2 mm，其單面焊雙面成形效果良好，廣泛應(yīng)用于西氣東輸二線管道工程根焊中。

高纖維素焊條下向電弧焊，因其焊條具有焊接工藝性能好、熔渣量少、吹力較大、熔透能力良好、熔敷速度快、能夠有效防止熔渣和鐵水下淌、各位置單面焊雙面成型效果好等優(yōu)點，而被廣泛用于長輸管道環(huán)焊縫的根焊和熱焊當(dāng)中。有代表性的焊條如奧地利伯樂公司生產(chǎn)的BOHLER FOX CEL（AWS A5.1-91 E6010）和BOHLER FOX CEL 85（AWS A5.5-96 E8010—P1）焊條，中船重工七二五所研制生產(chǎn)的SRE425G（AWS A5.1-91 E6010）、SRE505（AWSA5.5-96 E7010—G）和SRE555（AWSA5.5-96 E8010—G）焊條等。纖維素焊條上向根焊，則主要應(yīng)用在管道連頭焊接當(dāng)中。

鐵粉低氫型焊條下向電弧焊，因該焊條凝固速度快、鐵水流動性和浸潤性好、全位置焊時不易下淌、焊后焊縫金屬韌性好、抗裂性好，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于小口徑長輸管道和特殊地段的環(huán)焊縫填充層和蓋面層焊道的焊接施工當(dāng)中。有代表性的如奧地利伯樂公司生產(chǎn)的BOHLER FOX BVD 85（AWSA5.5-96 E8018-G）焊條、美國林肯公司生產(chǎn)的LINCOLN LH D80（AWSA5.5-96 E8018-G）焊條。

1.1.2 手工鎢極氬弧焊

手工鎢極氬弧焊，具有操作簡單、單面焊雙面成形良好、焊縫質(zhì)量高、焊縫背面不需清渣等特點，目前主要應(yīng)用于長輸管道工程站場各種材料和各種管徑的環(huán)焊縫根焊中，對于薄壁（≤4 mm）、小管徑（0D≤89 mm）鋼管的對接，一般采用手工鎢極氬弧焊完成各層焊道的焊接。在長輸管道干線安裝焊接過程中，因其效率低限制了其有效的推廣。手工鎢極氬弧焊采用的焊絲主要執(zhí)行GB/T 8110 ER49-1/ER50-6標(biāo)準(zhǔn)采用直徑為φ2.0 mm～2.5 mm的焊絲。

1.2 半自動焊

目前在用的半自動焊主要有STT(Surface Tension TransferTM)技術(shù)氣體保護實心焊絲半自動焊、CMT（Cold Metal Transfer）技術(shù)氣保護實心焊絲半自動焊、RMD（REGULATED METAL DEPOSITION）技術(shù)氣保護金屬粉芯焊絲半自動焊和自保護藥芯焊絲半自動焊四種。

1.2.1 STT(Surface Tension TransferTM)技術(shù)氣體保護實心焊絲半自動焊

STT(Surface Tension TransferTM)技術(shù)是美國林肯電氣公司針對根焊成形而開發(fā)研制，其相應(yīng)STT電源輸出波形與常規(guī)的CV、CC工藝不同。STT電源既不是恒流，也不是恒壓，它是一種寬帶、電流控制的設(shè)備，其輸出是根據(jù)瞬間的電弧要求而產(chǎn)生的。在此電源的控制下，熔滴實現(xiàn)表面張力過渡。進行STT焊接時常采用φ（CO2）100%或φ（CO2）（15%～20%）+φ（A r）（85%～80%）作為保護氣，施焊時具有焊接過程穩(wěn)定、焊肉厚、熔敷速度快、焊縫含氫量低、飛濺較少、焊縫成形美觀、熱輸入量小、變形小、合格率較高（95%左右）等特點，特別適于全位置下向焊接，目前廣泛應(yīng)用于管道安裝焊接當(dāng)中。

1.2.2 RMD（Regulated Metal Deposition）技術(shù)氣保護金屬粉芯焊絲半自動焊

RMD是指短弧控制技術(shù)，它是美國米勒公司開發(fā)的一種技術(shù)，可實現(xiàn)管道焊接所有工藝，且極為適合野外環(huán)境下的施工作業(yè)。RMD技術(shù)由軟件控制的，能夠?qū)Χ搪愤^渡作出精確控制。在焊接過程中，通過對焊絲短路過程的檢測，控制短路過程中各個階段的電流波形，從而控制多余的電弧熱量，提高電弧推力，因而能夠在根部產(chǎn)生高質(zhì)量的熔深。RMD軟件集成了強大的專家系統(tǒng)，每個程序各個階段的電流波形根據(jù)電流大小自動優(yōu)化到最佳的電弧特性，具有規(guī)范適應(yīng)性強、電弧穿透性強、過渡頻率快、焊接效率高、飛濺小、熱影響區(qū)小、熔池穩(wěn)定、容易控制、焊縫兩端熔合好，焊縫質(zhì)量高，而且對大小間隙和錯邊適應(yīng)性強，焊道成形更加美觀等特點，目前在西氣東輸二線工程現(xiàn)場焊接根焊當(dāng)中，應(yīng)用了RMD技術(shù)氣保護金屬粉芯焊絲半自動焊方法，采用的保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%。

1.2.3 自保護藥芯焊絲半自動焊

自保護藥芯焊絲半自動焊是一種發(fā)展較快的管道安裝焊接方法，主要應(yīng)用于管道環(huán)焊縫的填充和蓋面焊等情況。自保護藥芯焊絲半自動焊之所以能夠廣泛應(yīng)用于長輸管道焊接施工當(dāng)中，與其自身的特點是分不開的，主要特點有：

（1）焊接高效高質(zhì)量。和藥皮焊條電弧焊相比熔敷速度快，焊接施工效率可提高33%，焊口合格率較高（可高達(dá)95%以上）。

（2）焊接工藝性能好。與熔化極活性氣體保護焊相比，藥芯中加入了穩(wěn)弧劑，故電弧軟；熔滴過渡形式為細(xì)顆粒過渡和噴射過渡形式，飛濺小，焊接工藝性能好。

（3）野外焊接適應(yīng)性強。自保護藥芯焊絲的藥粉中含有適量的脫氧劑（如Al、Ti、Si）、適量強氮化物形成元素(如Al、Ti)、適量的造氣劑（如大理石、碳酸鋇和螢石）、適量的造渣劑（如金紅石）和適量改善工藝性能的Li的化合物[1]，焊接過程中形成氣渣聯(lián)合保護，使得自保護藥芯焊絲半自動焊抗風(fēng)能力強（在風(fēng)速≤8 m/s時可有效焊接），焊接質(zhì)量高，特別適用于野外管道全位置下向焊焊接。

（4）焊縫低溫韌性好。自保護藥芯焊絲藥芯成分調(diào)整方便，針對管道開發(fā)的焊絲中含有一定量的Ni元素和Al元素，故低溫韌性較好，適用于作業(yè)環(huán)境惡劣的管道焊接。

（5）焊縫成形好。自保護藥芯焊絲半自動焊焊縫形狀好，外觀平坦熔深大，成形美觀。

目前自保護藥芯焊絲半自動焊仍是我國長輸管道建設(shè)的主要焊接方法之一，我國應(yīng)用于管道焊接施工當(dāng)中的具有代表性的自保護藥芯焊絲有執(zhí)行AWSA.29-98標(biāo)準(zhǔn)的E71T8-Ni1、E71T8-K6和E81T8-G型焊絲。這幾種類型焊絲全位置操作性能好、飛濺小、熔敷速度快、成型好、焊接施工綜合成本低、同時焊縫金屬韌性好，被廣泛應(yīng)用于管外徑大于等于406 mm的X52～X80鋼級鋼管環(huán)焊縫的填充焊與蓋面焊焊接施工。

1.3 自動焊

管道全位置自動焊接是指在管道相對固定的情況下，焊接小車帶動焊槍沿軌道圍繞管壁運動，從而實現(xiàn)自動焊接。一般而言，全位置自動焊主要包括焊接小車、行走軌道、焊接電源、送絲機構(gòu)和自動控制系統(tǒng)等部分組成。目前在用的自動焊有單焊炬熔化極活性氣體保護全位置自動焊、雙焊炬熔化極活性氣體保護全位置自動焊、多焊炬熔化極活性氣體保護全位置內(nèi)焊接根焊、埋弧自動焊及閃光對焊等。

1.3.1 單焊炬熔化極活性氣體保護全位置自動焊

隨著長輸管道向著大口徑、厚壁化方向發(fā)展，單焊炬熔化極活性氣體保護全位置自動焊因其具有焊接效率高（和自保護藥芯焊絲半自動焊相比可提高30%以上）、成形十分美觀、焊縫致密性好（無損檢測合格率可高達(dá)97%以上）、焊縫強韌性高、焊工勞動強度低、焊接環(huán)境好等優(yōu)點逐漸成為長輸管道現(xiàn)場焊接的主要焊接方法。

目前在長輸管道上應(yīng)用的單焊炬熔化極活性氣體保護全位置自動下向焊成套設(shè)備有研究院研制生產(chǎn)的PAW2000全位置自動焊成套設(shè)備、英國NOREST全位置自動焊成套設(shè)備、美國CRC M300、CRC P200、CRC P260全位置自動焊成套設(shè)備、加拿大RMSMOW-1全位置自動焊成套設(shè)備、意大利PWT CWS.02NRT全位置自動焊成套設(shè)備。上述設(shè)備中PAW2000全位置自動焊焊槍為平擺方式，其它自動焊焊槍為角擺方式。除意大利PWTCWS.02NRT全位置自動焊用于全位置下向根焊場合外，其它自動焊設(shè)備都應(yīng)用于管道環(huán)焊縫的全位置下向熱焊、填充焊和蓋面焊焊接當(dāng)中。

上述自動焊中，PAW2000全位置自動焊使用的焊絲直徑為φ1.0 mm。NOREST全位置自動焊、CRC M300、CRC P200、CRC P260全位置自動焊、RMS MOW-1全位置自動焊使用的焊絲直徑為φ0.9 mm。PWT CWS.02NRT全位置自動焊使用的氣保護實心焊絲直徑為φ1.2 mm。上述自動焊采用的保護氣體一般為φ(Ar)75%～85%+φ(CO2)25%～15%，上述自動焊應(yīng)用在熱焊和填充焊場合時也可以采用在也可以采用100%CO2作為保護氣體。

PAW2000、CRC M300、CRC P200、CRC P260、RMSMOW-1等自動焊應(yīng)用藥芯焊絲進行熱焊、填充焊和蓋面焊時，焊絲直徑φ1.2 mm和φ1.32 mm，保護氣體為φ(Ar)75%+φ(CO2)25%，焊接方向為全位置上向。

值得注意的是，與焊條電弧焊相比，熔化極氣體保護焊系統(tǒng)的投資大，設(shè)備和人員要求高，必須考慮所要求的高級維護，要考慮配件和符合衛(wèi)生要求的氣體的供應(yīng)。另外，氣體保護焊抗風(fēng)能力差（通常小于2 m/s）也需要引起足夠的重視。

1.3.2 雙焊炬活性氣體保護自動焊

目前在國內(nèi)管線上應(yīng)用的雙焊炬活性氣體保護自動焊有兩種產(chǎn)品，一種是美國CRC公司生產(chǎn)的P600雙焊炬全自動焊機，一種是管道科學(xué)研究院自行研制的PAW3000雙焊炬自動焊機。

P600雙焊炬全自動焊機是當(dāng)今為提高生產(chǎn)率和降低成本而應(yīng)用的最先進的外焊機系統(tǒng)。它是新一代外焊機的代表。除了可以調(diào)節(jié)單、雙焊炬進行焊接，同時也提供了電弧跟蹤，智能卡編程，在線數(shù)據(jù)采集和觸摸屏控制等功能。P600采用了對稱的部件設(shè)計以便于相互替換兩邊機頭的部件，并以人體工程學(xué)原理制造，更小更輕，極大地減輕焊工的疲勞度。P600設(shè)備包括行走小車、雙焊炬送絲機構(gòu)、自動控制系統(tǒng)、焊接機頭和焊接電源。P600通過板載微處理器實現(xiàn)了對焊接參數(shù)的精確控制，這些參數(shù)包括：電壓、送絲速度、行走速度、焊炬擺動頻率等。對焊接過程中參數(shù)的交互式的控制，確保在每次焊接過程中焊縫都符合規(guī)范。P600數(shù)據(jù)存儲和輸出功能，確保實時記錄的焊接數(shù)據(jù)能夠被就地打印或是下載到計算機上。

PAW3000雙焊炬自動焊機是管道科學(xué)研究院在PAW2000單焊炬自動焊機的基礎(chǔ)上研發(fā)的新一代高效管道全位置自動焊機。具有獨特的單面焊雙面成型根焊功能，可完成根焊、熱焊、填充、蓋面等工序。兩個焊炬可同時進行雙層疊焊或排焊，所以可大幅度提高焊接效率。自主開發(fā)的DSP(數(shù)字信號處理器)和CPLD(復(fù)雜可編程邏輯芯片)全數(shù)字化運動控制技術(shù)，采用角度傳感器實現(xiàn)焊道空間位置自動識別，實現(xiàn)焊炬任意位置起弧焊接。使用PDA編程器，使得焊接參數(shù)修改方便。整機具有結(jié)構(gòu)緊湊、控制先進、自動化程度高、焊接速度快、操作簡單等特點。與單焊炬相比，焊接效率可提高30%～40%，在技術(shù)上達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平。

雙焊炬活性氣體保護自動焊焊接小車與軌道和起弧焊接過程如圖1所示。

圖1 雙焊炬活性氣體保護自動焊

1.3.3 多焊炬管道環(huán)縫自動內(nèi)焊機根焊

對于管外徑大于等于813 mm的大口徑管道，為進一步提高管道安裝焊接速度，國內(nèi)外還開發(fā)了一種可在管道內(nèi)進行根焊的高效活性氣體保護的內(nèi)焊機根焊，這種焊機進行內(nèi)根焊時，由安裝在液壓內(nèi)對口器上的6或8個內(nèi)部焊槍完成，每個焊槍焊60°或45°，其中3或4個焊槍同時作業(yè)，焊接方向為全位置下向。如英國NOREAST全位置氣體保護自動內(nèi)焊機、美國CRC公司開發(fā)的CRC IWM全位置氣體保護自動內(nèi)焊機和中國石油天然氣管道科學(xué)研究院開發(fā)的PIW 3640型內(nèi)焊機。上述內(nèi)焊機采用直徑為φ1.2 mm實心焊絲，保護氣體一般為φ(Ar)（75%～85%）+φ(CO2)（25%～15%）。對焊接管道環(huán)縫自動內(nèi)焊機如圖2所示。

管道安裝焊接采用流水作業(yè)方式，其效率很大程度上取決于根焊道完成速度。目前所使用的根焊技術(shù)當(dāng)中，以內(nèi)焊機下向根焊速度最快，如對于西氣東輸二線工程用X80管外徑為φ1 219 mm環(huán)焊縫內(nèi)根焊，根焊道的焊接完成約需90 s。

圖2 多焊炬管道環(huán)縫自動內(nèi)焊機根焊

1.3.4 CMT（Cold Metal Transfer）技術(shù)氣保護實心焊絲自動焊

CMT（Cold Metal Transfer）技術(shù)，是一種全新的在MIG/MAG焊接工藝，它由奧地利福尼斯公司最先推出。CMT熔滴過渡方式為冷金屬過渡方式，與傳統(tǒng)焊接工藝相比，過渡熔滴溫度較低，可實現(xiàn)異種金屬連接，焊絲的熔化和過渡兩個過程分別獨立。在CMT焊接方法中，焊絲不僅有向前送絲的運動，而且還有往回抽的動作，這種送絲/回抽運動的平均頻率高達(dá)70 Hz，用回抽運動幫助熔滴脫落，更加靈活地控制焊接線能量（見圖3）；通過精確的弧長控制，CMT過程結(jié)合脈沖電弧，實現(xiàn)了無飛濺焊接和電弧釬焊，大大降低了焊接的熱輸入；通過控制脈沖電弧影響熱輸入量，實現(xiàn)所謂無電流或小電流狀態(tài)下的熔滴過渡；焊縫成形美觀，很好地解決了在零間隙組配外部根焊中4～6點位置的焊縫成形難題；母材熔化時間極短，起弧速度提高了兩倍，熱輸入低，焊接變形小，無飛濺，搭橋能力顯著提高，焊接性能優(yōu)異；和預(yù)留間隙組配的外部根焊相比，具有坡口加工簡單、對口容易、對口精度容忍性好、焊接效果重復(fù)精度高等特點，并且焊接效率要提高60%以上。目前CMT（Cold Metal Transfer）技術(shù)氣保護實心焊絲半自動焊已應(yīng)用于西氣東輸二線管道工程安裝焊接根焊當(dāng)中（見圖4），焊接時采用的保護氣體為100%CO2或(15～20%)CO2+(85～80%)Ar作為保護氣。

圖3 CMT技術(shù)電弧燃燒與熔滴過渡方式

圖4 CMT技術(shù)氣保護實心焊絲自動焊根焊

1.3.5 埋弧自動焊

管子的埋弧自動焊是在為管道專設(shè)的管子焊接站中進行焊接施工的。如果在靠近現(xiàn)場處將兩根管子焊好，可將主干線上的焊縫施工數(shù)量減少40%～50%，極大地縮短了鋪設(shè)作業(yè)的周期。

埋弧自動焊安裝焊接效率高、焊接質(zhì)量高是顯而易見的。尤其對于大直徑、厚壁、長距離管線施工，出于經(jīng)濟上的原因，可考慮采用埋弧自動焊。但是具有一票否決權(quán)的是運輸雙聯(lián)管或三聯(lián)管的道路是否可行，路況是否允許，有無運輸長于25 m雙聯(lián)管的條件，否則埋弧焊的使用將無意義。因此對于直徑為φ406 mm以上，大壁厚的長輸管線在鋼管供貨、運輸以及路況均無問題時，尤其是考慮在低溫環(huán)境下進行管道施工作業(yè)時，以埋弧焊進行雙聯(lián)管或三聯(lián)管的方法是項目承包商的最佳選擇。

埋弧焊雙聯(lián)管技術(shù)在西方國家如中東俄羅斯“東西伯利亞-太平洋”管道工程項目中普遍應(yīng)用，大大減少了現(xiàn)場工作量，經(jīng)濟效益十分明顯。

1.3.6 閃光接觸對焊

閃光焊（FBW）也是管道安裝焊接中的應(yīng)用較為廣泛的自動焊接技術(shù)。具有代表性的是由前蘇聯(lián)巴頓電焊研究所和全蘇管道干線鋪設(shè)科學(xué)研究所等單位研制的系列管道振動閃光接觸對焊機及其焊接工藝。該方法在前蘇聯(lián)和歐洲一些國家用的較多，在前蘇聯(lián)累計焊接大口徑管道數(shù)萬公里。其中用于1 420 mm管線焊接的“北方一號”成套設(shè)備，所用K-700焊機的額定焊接電流100 000 A，頂鍛力13.7 MN，設(shè)備質(zhì)量25 t，工作人員11～12人，焊接施工效率為6道口/h。

它效率較高，對環(huán)境的適應(yīng)能力很強，我國于2000年對其在國內(nèi)西氣東輸一線管道工程中的應(yīng)用的可行性作過深入的研究，但是由于存在以下問題沒有進行引進，表現(xiàn)在：（1）設(shè)備龐大，不利搬遷。閃光接觸對焊龐大的供電系統(tǒng)和設(shè)備規(guī)模以及精度較高的控制系統(tǒng)是限制其使用的主要問題，且該設(shè)備僅適合于近乎平直段管線的安裝焊接。（2）焊縫韌性低，難以滿足西氣東輸一線管道工程相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。（3）內(nèi)部毛刺破壞內(nèi)減阻層。采用專用設(shè)備進行內(nèi)毛刺處理可以控制到余高高出母材0.5 mm以下，但由于毛刺除去以后在向外清理時會損壞內(nèi)減阻涂層，無好的解決辦法。

2 未來新型焊接方法展望

2.1 雙絲焊接技術(shù)

一般而言，雙絲焊接就是單雙弧焊，它包括單焊槍雙焊絲和雙焊槍雙焊絲。對于雙弧焊的研究，國內(nèi)外都是從雙絲埋弧焊開始的，該技術(shù)已經(jīng)在生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，后來又在窄間隙焊上得到了應(yīng)用。但是由于埋弧焊熔池不可見，加之只適合于平焊位置而不適合于全位置焊接，因此這種方法多用于工廠焊接。

早期的雙絲焊是將兩根焊絲通過同一個導(dǎo)電嘴施焊。這種方法的特點是兩根焊絲的電位相同，只是送絲速度不同，無法對兩個電弧分別進行控制，焊接參數(shù)難以調(diào)節(jié)。近幾年來對雙絲熔化極焊的研究相對比較多。20世紀(jì)90年代，在長期進行雙絲焊技術(shù)的研究應(yīng)用實踐中，德國CLOOS公司開發(fā)出了TANDEM雙絲焊接技術(shù)。Tandem雙絲焊接技術(shù)是最近發(fā)展起來的GMAW技術(shù)，前后串列兩個焊絲，兩個焊絲穿過同一個焊炬，進入同一個熔池。該技術(shù)已得到現(xiàn)場應(yīng)用，效率明顯提高。目前在管道激光復(fù)合焊接技術(shù)成熟之前，Tandem雙絲焊被認(rèn)為是管道施工最有效的焊接方式。

該技術(shù)將兩根焊絲按一定的角度放在一個特別設(shè)計的焊槍里，兩根焊絲分別由各自的電源供電，相互絕緣，除送絲速度可以不同外，其它所有的參數(shù)都彼此獨立，兩根焊絲的直徑、材質(zhì)甚至用或不用脈沖，都可以不一樣，這樣可以最佳地控制電弧，在保證每個電弧穩(wěn)定燃燒的前提下，將兩個電弧的相互干擾降到最低。

雙絲焊的兩臺焊機可設(shè)定為主從模式，采用脈沖電弧以降低兩個電弧對熔滴過渡的影響。焊機內(nèi)置有耦合線路，通過耦合線路實現(xiàn)從主電源控制電源的脈沖波形，從而實現(xiàn)三種模式：（1）同步模式——該種模式的兩個電弧同時達(dá)到最大值，有利于形成較大的熔深，但飛濺較大，一般很少采用；（2）交替模式——其電弧相互作用力只有普通焊接時的1/4，甚至更低，對熔滴過渡的影響較小，特別適合于鋁合金等輕金屬的焊接，能顯著減少焊接飛濺；（3）隨機模式——該種模式能顯著降低電弧的作用力，減少飛濺，又能實現(xiàn)較大的熔深，焊接鋼鐵等較重的金屬時可以獲得更快的焊接速度。

當(dāng)采用單絲焊時，如果焊接速度較高，電弧的熱量沒有充分的向母材擴散，形成的熔池小，周圍的母材溫度梯度大，熔池凝固快，熔化金屬來不及和母材充分熔合，因此，焊縫余高大，容易產(chǎn)生咬邊甚至不成形。TANDEM雙絲焊時，兩根焊絲以一定角度前后排列，前絲焊接電流較大，有利于形成較大的熔深，后絲電流稍小，起到填充蓋面的作用；兩根焊絲互為加熱，充分利用電弧的能量，實現(xiàn)較大的熔敷率，使熔池里有充足的熔融金屬和母材充分熔合，因此焊縫成形美觀；一前一后兩個電弧，大大加長了熔池的尺寸，熔池中的氣體有充足的時間析出，氣孔傾向極低；這種焊接方法雖然電流大，但焊接速度很快，最快可以達(dá)到6 m/min，因此熱輸入量反而小，焊接變形也很小。與其他的焊接技術(shù)相比，熔敷速度快、焊接效率高、焊接質(zhì)量好、飛濺少。

2004年，在加拿大采用單焊炬雙絲焊接技術(shù)（見圖5）焊接了一條管徑610 mm的X80管道，采用雙焊炬雙絲焊接技術(shù)（見圖6）焊接了一條管徑914 mm的X100管道，合格率高達(dá)93%以上。

圖5 單焊炬雙絲焊接試驗

圖6 雙焊炬雙絲焊接試驗

2.2 激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)

縱觀世界管道焊接技術(shù)的發(fā)展，一些知名管道公司正在與眾多權(quán)威焊接機構(gòu)合作，將提高管道焊接技術(shù)研究的重點由常規(guī)電弧焊轉(zhuǎn)向激光焊和激光-電弧復(fù)合焊。大家都想急需找到一種既能提高焊接效率又能提高焊接質(zhì)量的新裝備、新工藝和新技術(shù)，最終把目光停留在激光-電弧復(fù)合上。它與傳統(tǒng)工藝焊接相比，激光復(fù)合焊既利用了激光焊的高焊速、深熔透、無坡口的優(yōu)點，又彌補了電弧焊填充不足的缺陷。具有能量密度高、熱輸入量小、焊縫深寬比大、變形小等優(yōu)點。中國管道事業(yè)要參與國際市場的競爭，焊接技術(shù)必須與國際接軌，才能在國際市場上占有絕對優(yōu)勢。

激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)中，激光的引入提高了電弧的穩(wěn)定性，從而可以獲得更高的速度和更大的熔深。純激光焊應(yīng)用中一個突出難題是工藝上對接頭對口精度要求高。激光焊在電弧的輔助作用下，橋接能力得到提高，使上述難題得到了解決。將激光用于管線鋼焊接的另一個比較突出的問題是其焊縫的微觀結(jié)構(gòu)不僅易碎且其耐沖擊性也很差。激光/電弧復(fù)合焊接技術(shù)可以克服這個問題。電弧具有預(yù)熱作用，同時由于電弧的熱影響區(qū)較大，使復(fù)合焊焊縫的降溫速度低于純激光焊焊縫的降溫速度，從而降低了焊縫硬度，增加了韌性；來自電弧焊的焊絲填充物能控制焊縫金屬的特性，也起到降低熱裂紋敏感性和提高焊縫金屬韌性的作用。激光復(fù)合焊接過程示意如圖7所示。

圖7 激光電弧復(fù)合焊接過程示意圖

目前激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)在汽車、造船工業(yè)領(lǐng)域已被廣泛使用，而在管道焊接方面，國外也有多家科研機構(gòu)正在研發(fā)中。如英國的EWI、TWI焊接研究所，美國的CRC和德國的VIETZ等專業(yè)化管道焊接技術(shù)公司。美國PHMSA投入巨資，擁有龐大的研究機構(gòu)和科研人員，已經(jīng)開發(fā)了實驗室樣機，正在積極將該技術(shù)推向工程施工現(xiàn)場應(yīng)用。國內(nèi)在管道焊接方面，尚未有相關(guān)報道。管道局作為國內(nèi)唯一的管道科研、設(shè)計、施工為一體的專業(yè)化隊伍，正著手研究這一位于管道科技前沿的新技術(shù)。國外管道全位置激光-電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)典型樣機見圖8，激光-電弧復(fù)合焊在長輸管道上的應(yīng)用見圖9。

2.3 多焊炬自動焊外焊技術(shù)

最早研發(fā)多焊炬管道自動焊機的有法國Serimax(即原來的Serimer Dasa)、荷蘭VermaatTechnics公司。多焊炬管道自動焊機采用多頭全自動焊接系統(tǒng)，驅(qū)動多個焊頭同時工作，采用液壓、機械聯(lián)合定位，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，并配備多點焊縫跟蹤系統(tǒng)，實現(xiàn)了真正高效焊接施工。設(shè)備可在流水線上移動，以保證和組對管口準(zhǔn)確定位；焊接部分采用彈性轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，可適應(yīng)不同管徑以及實現(xiàn)高度電弧跟蹤。

法國Dasa公司于2003年研制成功8焊頭焊接系統(tǒng)（見圖10），采用4個焊接小車，適應(yīng)于管徑36"～48"的管道焊接。4個雙焊頭同時工作，每個焊接管圓周的1/4。該8焊炬自動焊機采用往復(fù)旋轉(zhuǎn)定位技術(shù)、焊縫跟蹤等先進技術(shù)，并采用焊接專家系統(tǒng)控制焊接過程和復(fù)雜的焊接工藝參數(shù)，與現(xiàn)有自動焊接技術(shù)相比，可提高焊接效率50%以上。該成果在挪威奧門藍(lán)格氣田—奈漢姆納加工廠—英格蘭藍(lán)格勒的1 200 km海底管線中進行了應(yīng)用，展現(xiàn)了很高的焊接施工效率（6 min/口），發(fā)揮了重要作用。

圖8 國外管道全位置激光/電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)樣機

圖9 激光-電弧復(fù)合焊接在石油管道野外施工應(yīng)用

圖10 法國Dasa公司研制的8焊矩自動外焊系統(tǒng)

韓國現(xiàn)代最近實現(xiàn)的焊接系統(tǒng)，可以裝配6個雙焊頭的焊接小車，帶有激光視覺傳感器和電弧傳感器，用于海洋管道的焊接，其中左側(cè)3個小車，右側(cè)3個小車。

相信不久的將來，考慮到陸上管道建設(shè)的特殊性，多焊炬管道自動焊技術(shù)也會應(yīng)用到陸上管道的建設(shè)當(dāng)中。

3 結(jié)論

對當(dāng)前長輸管道安裝焊接涉及的焊接方法，如焊條電弧焊、手工鎢極氬弧焊、自保護藥芯焊絲電弧焊、STT技術(shù)氣體保護實心焊絲半自動焊、RMD技術(shù)氣保護金屬粉芯焊絲半自動焊、單焊炬熔化極活性氣體保護全位置自動焊、雙焊炬活性氣體保護自動焊、多焊炬管道環(huán)縫自動內(nèi)焊機根焊、CMT技術(shù)氣保護實心焊絲半自動焊根焊、埋弧自動焊、閃光接觸對焊等焊接方法的特點與應(yīng)用場合進行了描述，并對長輸管道未來會應(yīng)用的焊接技術(shù)，如雙絲焊接方法、激光/電弧復(fù)合焊焊接方法、多焊炬自動焊外焊方法進行了簡要的介紹，藉此為廣大從事長輸管道施工技術(shù)人員選用合理經(jīng)濟、高效和高質(zhì)量的安裝焊接方法提供一定的技術(shù)支持和幫助，為從事焊接技術(shù)開發(fā)的科研人員提供參考。

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