高級鋼、大口徑長輸管道全自動焊技術研究

孔令飛

中海油石化工程有限公司 山東濟南 250000

《中長期油氣管網規劃》指出，2020年我國長輸管道為16.9萬公里，到2025年將提升至24萬公里。近年來，隨著長輸管道建設規模不斷擴大，質量事故也隨之增多，其中管道焊接缺陷是引發事故的重要誘因，改進焊接方法、提升焊接質量尤為重要。

1 焊接方法選擇分析

1.1 半自動焊

20世紀90年代，國內管道焊接開始引進自保護藥芯焊絲半自動焊技術(以下簡稱半自動焊)[1]。與傳統焊接方法相比，半自動焊的焊接效率有所提升，且焊道成形效果更好、材料利用率更高。

（1）優點。實踐證明，較大管徑管子采用半自動焊不僅能夠提升工作效率，而且具備根焊效果好、焊接質量穩定、焊絲無需烘烤等優點，與此同時也降低了焊工的勞動強度。

（2）缺點。①該方法無外加氣體保護，氣體是在施焊過程中產生的。在熔池內產生的氣體釋放不均勻，導致金屬熔滴得不到很好保護，空氣中的氮氣無法避免接觸焊接區域，不僅會對焊道的沖擊韌性和延展性產生不良影響，也易造成氣孔和裂紋等缺欠的產生。②焊絲配合比和藥粉質量均對焊接造成影響。在實際的焊絲生產過程，受藥粉特性限制，藥粉填充沒有理論上均勻，可能造成焊接斷續和穩定性差，導致焊縫力學性能產生不良影響。③當高鋼級管道采用半自動焊時，焊道的沖擊韌性受母材成分、焊絲質量、空氣濕度等因素影響，這些因素很難控制。

1.2 全自動焊

全自動焊是在管子相對靜止狀態下，將相關數據錄入焊接設備，通過電弧追蹤和數據處理，實現管道焊速、焊絲、電壓等相關數據的精準控制。全自動焊技術借助設備，對施工人員要求不高，焊工只起輔助作用。全自動焊能確保熱輸入量符合工藝規程要求，進而保證焊道的沖擊韌性和延展性。

某施工單位對不同鋼材供應商和壓力管道供應商組合管道的環向焊縫質量進行統計，試驗溫度為零下10℃，鋼管為X80材質，采用全自動焊、進口和國產半自動焊三種技術，統計結果如下圖所示：

數據表明，全自動焊優于半自動焊，兩種半自動焊技術均未達到合格標準，且離散度大。

1.3 經濟性分析

焊接成本由設備、材料和人工薪酬構成。全自動焊每機組每天的費用約為半自動焊的2.7倍，但焊接質量好、工作效率高，費用分攤至每道焊口約相差5%。研究表明，當管道焊接距離不足194.45公里時，半自動焊更為經濟；當管道焊接總里程超過194.45公里時，選用全自動焊技術更為合理[2]。

2 對口器選擇

大口徑、高級鋼管道作為大型焊接構件，其組對間隙、錯邊量、橢圓度等參數直接影響最終的焊接質量，選擇合適的對口器十分關鍵。

2.1 外對口器

管道外對口器自上世紀70年代開始應用，適用于手工焊和半自動焊，其結構簡單、成本較低，主要有液壓、螺桿和鏈式三種類型。

外對口器的優勢：其一，成本較低、便于攜帶、使用簡單；其二，使用人工操作即可，無需外部能源供應；其三，適用于復雜環境，內對口器無法實用的沼澤、彎頭、彎管、陡坡等地段，外對口器都可使用。但外對口器的矯正精度不高，對于管道錯邊量、組對間隙和橢圓度無法精準控制，且焊工勞動強度高。

2.2 內對口器

內對口器是大口徑、高級鋼長輸管道焊接作業應用較為廣泛的設備，主要有氣動和液壓兩種類型。目前，內對口器漲緊力已超過20MPa，可大幅度降低橢圓度誤差，減少管道錯邊量、提升管道的組對精度，確保焊接參數符合焊接工藝要求，且設備操作方便，大幅降低了焊工的工作強度。

內對口器也有一定的局限性：首先，結構較為復雜，不能在水下等惡劣條件進行作業；其次，在管道“死口”、“彎頭”、“彎管”、“陡坡”、“沼澤”等地段無法使用；最后，內對口器費用較高，且需要外接能源供應，增加了施工成本。

3 全自動超聲波檢測

GB50369-2014指出，當采用全自動焊技術時，優先選用全自動超聲檢測，使用射線檢測進行復核。全自動超聲波檢測和射線檢測對缺陷的判定標準存在差異，造成兩種判定結果時常會出現矛盾。相比之下，全自動超聲檢測對線型焊接缺陷檢出率更高，尤其在快速檢測、缺陷定位、未融合缺陷檢出等方面有明顯優勢，可更好控制全自動焊質量。現階段中國無損檢測資質核準還未覆蓋全自動超聲技術，也無相關機構對該技術進行認證，所以在標準規范中增加使用射線檢測復核全自動超聲檢測結果的規定。

全自動超聲技術的缺欠檢出率和靈敏度均優于射線檢測，且缺陷定位更為準確，對氣孔的檢出率雖低于射線檢測，可通過體積通道和衍射時差法來修正。

4 結語

高鋼級、大口徑管道采用半自動焊技術存在焊縫沖擊韌性差等問題，且很難避免。采用全自動焊準確控制焊接參數，可有效解決該問題，也可提高施工效率。當焊接總里程達到一定量時，全自動焊的效率效果、成本優勢更加明顯。通過全自動超聲檢測替代射線檢測，能更加有效控制管道焊接質量。

外對口器只適用于傳統手工焊和半自動焊施工，且精度交低。內對口器雖然精度等級更高，但受制于環境和能源供應等限制。在管道焊接過程中，應統籌考慮焊接方法、環境等因素，在長距離、大管徑、高壁厚管道焊接過程中，應優先考慮選擇內對口器，在“死口”、“彎頭”、“彎管”、“陡坡”、“沼澤”等地段，應選擇使用外對口器和半自動焊技術作為補充。

現階段全自動超聲檢測需使用射線檢測復驗，相信隨著全自動超聲技術的逐步推廣和認證體系的完善，管道焊縫的全自動超聲檢測可以完全替代射線檢測，管道的全自動焊技術將成為我國高鋼級、大口徑管道焊接的主要方法[3]。