自動焊技術在石油化工管道施工中的應用與發展前景

王魯君

1. 概述

自動焊技術具有效率高、質量穩定、對操作人員要求低的特點，在歐美發達國家得到了廣泛應用。而在我國各類石油化工管道工程中，自動焊應用的比例相對較低，長輸管道焊接目前主要以手工半自動焊為主。針對煉油化工裝置的管道焊接，一些大的施工企業近年來盡管采用了工廠化管道預制技術，但自動焊的應用比例也只有40%左右。總體上看，我國的石油化工管道焊接仍以手工焊為主。

近年來，隨著我國人口紅利的逐漸消失，人工費用快速上長；同時，我國的建筑業也在從注重大規模、高速度和低成本的粗放發展模式向高質量和高效益方向轉型，因此，自動焊技術在石油化工工程建設領域中的應用受到越來越多的重視。

2. 管道自動焊技術長輸管道建設工程中的應用

由于長輸管道的焊口處于固定狀態，所以目前主要采用手工半自動焊和全位置自動焊技術。

（1）半自動焊技術 第一，STT表面張力過渡焊。這是美國林肯公司專用于根焊的半自動實芯焊絲氣體保護焊技術，它對熔滴向熔池過渡分幾個階段進行精確控制，從而實現焊縫根部的良好成形。

第二，RMD (Regulated Metal Deposition) 熔滴精確過渡技術。這是由美國米勒公司研發的一種熔化極氣體保護焊技術，通過檢測短路電流發生時間來改變焊接電壓和電流的一種動態控制技術，可以實現較好的根部成形和較高的工效。

第三，自保護藥芯焊絲半自動焊技術。這種焊接技術是利用焊絲藥芯產生的氣體對熔池進行保護，無需外加保護氣體，非常適用于野外作業，用于焊縫的填充和蓋面，是目前國內長輸管道焊接的主要方法。但這種工藝存在著一個較大的缺點，即焊縫沖擊值的離散性較大，致使焊接質量穩定性較差。

（2）長輸全位置自動焊技術 在我國，長輸管道全位置自動焊技術主要用于機械化流水作業模式。

長輸管道全位置自動焊的主要設備如下：

第一，內焊機。將多臺焊槍安裝在管道內對口器上，形成組對和焊接一體化的焊接設備。根焊質量好，工效極高。8焊炬內焊機完成一道φ1 422mm焊縫的根焊只用90s。

第二，外焊機。單焊炬外焊機：由兩臺各裝一支焊槍的焊接小車沿環形軌道，從管道的頂部分別相向向下焊接，焊接過程中的參數全部預設在控制系統中，焊接過程由焊接小車自動完成。分根焊機和填充蓋面焊機兩種型式。

雙焊炬外焊機：由兩臺各裝兩支焊槍的焊接小車沿環形軌道，從管道的頂部分別相向向下焊接，主要用于焊縫的填充和蓋面，工效較單焊炬外焊機更高，是目前主流機型。

管道全位置自動焊的典型工藝是多焊炬內焊機+雙焊炬外焊機工藝，該工藝適用于地勢較為平坦的地區，工效很高，由1臺多焊炬內焊機+5套雙焊炬外焊機（每套兩臺）組成的焊接機組，每天可焊接約60道、規格為φ1 219mm×18mm的焊口。

近十多年來，由于成本較高，管道全位置自動焊技術國內僅在為數不多的長輸管道建設工程中得到了應用。

3. 管道自動焊技術在煉油化工裝置建設工程的應用

20世紀90年代中期，我國的一些煉油化工施工企業開始著力于自動焊的規模化應用，管道預制工廠化技術應運而生。實現了管道除銹、防腐底漆涂刷、坡口加工和自動焊接的流水作業。采用各個焊接工位的管道旋轉和變位裝置，應用埋弧焊、氣體保護焊等技術，使焊口在水平旋轉狀態下完成焊接，完成的焊接工作量可占總工程量的40%左右，大大提高了施工效率和質量（見圖1和圖2）。

為了適應流動性強的作業環境，還可以做成由若干集裝箱組成的模塊化預制生產線。

目前，多數管道預制廠的自動焊應用只限于轉動焊口的焊接，固定焊口焊接仍由手工完成，這是影響生產效率和質量的一個重要環節，也是自動焊將來要解決的一個關鍵問題。

4. 我國管道自動焊技術應用存在的問題與不足

目前，歐美發達國家，管道自動焊的應用非常普遍，應用比例約占焊接工程量的80%，從事焊接自動設備制造的企業也非常多。而我國管道自動焊的應用比例則要低得多，長輸管道自動焊的應用比例不足10%；煉油化工裝置管道自動焊的比例也在

30%～40%。

我國管道自動焊技術應用存在的問題主要有以下幾個方面：

第一，質量意識差，壓工期、壓造價現象嚴重。

第二，進口自動焊設備購置和使用費用高。

第三，國產自動焊設備，特別是全位置自動焊設備，技術水平低，可靠性差。

第四，國產高性能焊接電源和高品質焊接材料研發能力不足。

圖1 管道自動焊預制廠

圖2 水平轉動焊口管道自動焊設備

5. 管道自動焊技術的應用前景及發展方向

（1）應用前景 由于自動焊具有手工焊無法比擬的優勢，所以在石油化工管道工程中的應用前景十分廣泛，將逐漸成為管道焊接的主要方式。

具體理由如下：

第一，國家的宏觀環境對質量的要求不斷提高。控制發展速度，提高發展質量已經成為我國的大政方針。粗放發展帶來的問題越來越多地引起了政府及社會各界的高度關注，工程建設管理將更加規范，在質量方面的投入也必然增加至合理水平。

第二，勞動力成本快速攀升，優秀焊工資源嚴重不足。歐美國家自動焊應用比率高的一個重要原因是勞動力成本高，而我國的勞動力成本近年來也一直快速攀升。相比之下，自動焊的性價比不斷提高，最終將代替大量的手工焊成為我國管道焊接的主角。

第三，高端自動焊設備和材料的自主研發將助推自動焊技術的應用。行業需求的增加和替代進口技術，既可為從事高端自動焊設備和材料的自主研發企業帶來豐厚的利潤，同時也對有效降低自動焊成本發揮重要作用。

（2）發展方向 管道焊口主要有活動焊口和固定焊口兩種形式。活動焊口的自動焊在我國已經普及，下一步，我國管道自動焊的重點是全位置自動焊技術的推廣和應用。

具體思路如下：

第一，加大投入，研發高端焊接電源。目前，由于我國焊接電源生產企業低水平、同質化競爭非常激烈，因此對投入大、研發周期長、技術含量高的高端焊接電源大多望而卻步。而率先突破這一瓶頸的企業，必然獲得豐厚和長遠的回報。

第二，以歐美企業為標桿，研制系列化全位置自動焊裝備。歐美企業在管道全位置自動焊設備制造領域已經形成了規格齊全、用途多樣的系列化自動焊設備，我們不少企業多年前就進行了嘗試，但水平仍處于較低的狀態。我們要避免這樣的誤區：國產化就是技術和元器件的國產化。由于國產元器件在短期內很難與進口件媲美，因此應堅持技術自主研發，元器件國際化的理念，以確保整機性能的可靠性。

第三，立足長遠，自主研發新型全位置自動焊設備。在學習國外先進技術和經驗的基礎上，我們還要爭取在自動焊領域實現新的突破。

研發智能化程度更高的全位置自動焊設備：目前的全位置自動焊設備對坡口的質量和組對精度要求非常高，而現場由于諸多因素的影響，有相當數量的焊口無法滿足自動焊的要求。因此，需要研制智能化程度更高的焊機來滿足這種需要。

研制效率更高的焊機：更高的焊接效率是自動焊技術研發工作的持續追求。中國石油管道局研究院在研制新型自動焊機方面取得了一些實質性進展，值得借鑒：①單弧雙絲全位置自動焊機。這是利用國外單弧雙絲焊機開發的一種全位置自動焊機，具有坡口小，熔敷率高，速度快的優點。②自保護藥芯焊絲全位置自動焊機。該技術利用藥芯焊絲自保護焊抗風能力強的特點，非常適于戶外作業。③激光/電弧復合全位置自動焊機。該技術利用激光一次穿透能力強的特點，利用熔化極氣體保護焊與其結合保證焊縫獲得足夠的熱輸入，實現大厚度管道高效焊接（見圖3）。

第四，研發高端焊接材料。焊接材料的質量和與母材的匹配性，對全位置自動焊質量的影響較大，目前，主要以進口為主，價格十分昂貴。因此我們的焊接材料生產企業在這個領域也可大有作為。

第五，提高配套設備的技術水平。加強高精度、高效率復合坡口加工機械和管道組對等設備的研制。例如，我國目前只有大口徑管道使用了機械式內對口器，而國外公司已經擁有了各種口徑的管道內對口器。

第六，加強對外學習和交流。由于種種原因，國內焊接展會的水平與歐美的展會相比，有較大的差距。僅以管道自動焊設備和元器件為例，2013年德國埃森焊接展覽會要比同年舉辦的北京·埃森焊接展更加精彩、豐富。對我國的企業來說，走出去學習非常必要。

同時，加強不同行業之間的學習和交流也非常必要。如長輸管道的一些焊接技術，特別是打底焊技術也非常適用于煉油化工管道的焊接，與手工氬弧焊打底相比，效率高得多。

圖3 激光/電弧復合焊機

6. 結語

自動焊將毫無爭議地成為今后我國石油化工管道焊接的主要手段，為從事焊接設備、材料生產和焊接工程施工的企業帶來新的機遇和挑戰。投入充分、創新能力強的企業將在新的一輪競爭中獲得優勢，處于行業的領先地位。