長輸管道自動焊工藝關鍵技術探討

蔡 亮

（中航油京津冀物流有限公司，天津 300300）

0 引言

隨著我國長輸管道建設發展，鋼級、管徑和設計壓力不斷提高，對管道焊接技術和質量提出更高要求[1]。管道自動焊技術在保證焊縫強度、韌性基礎上，消除人為因素影響，提升焊接效率。近年來，自動焊在我國管道建設中應用范圍不斷擴大，但在組織管理、焊接效率、設備升級、焊材標準化等方面與國外存在差距。分析了國外管道自動焊技術在設備研制、工程應用以及管理理念等方面的先進經驗。結合我國管道自動焊技術現狀和瓶頸問題，提出了我國管道應用和提升自動焊技術的建議。

1 管道自動焊技術發展歷程

從20世紀70～80年代國外自動焊技術發展，已成為高鋼級、大口徑、高壓力管道建設首選技術。應用自動焊技術建成的管道超過50000km，約占總里程80%。代表性技術是熔化極氣保護自動焊（GMAW），代表性自動焊設備是美國CRC-Evans系統，預計建成管道長度超過34000km。20世紀70年代我國管道建設采用手工焊（SMAW），80年代采用低氫/纖維素焊條手工下向焊，90年代采用自保護藥芯焊絲半自動焊接技術（FCAW-S）。21世紀以西氣東輸管道建設為契機，自動焊在管道建設中占比不斷提高，并引入熔化極氣保護自動焊。近年來則研制雙焊炬脈沖自動焊技術（PGMAW）。西氣東輸三線、陜京四線、中俄原油管道二線，中俄東線干線均采用自動焊工藝。

2 我國管道自動焊技術現狀

2.1 管道自動焊設備類型

我國先后引進管道自動焊設備意大利PWT公司、加拿大RMS公司外焊機，英國Noreast公司、美國CRC-Evans公司內/外焊機。意大利PWT根焊外焊機配套RMS、Noreast、PAW2000外焊機實施填充、蓋面焊接，根焊是單面焊雙面成型，對坡口組對參數（鈍邊量、間隙、錯邊量）嚴格限定，應用中多次產生未焊透、氣孔等缺陷。

根焊內焊機有Noreast和CRC產品，填充蓋面焊接配套Noreast、RMS、CRC M300/P600國外外焊機，PAW2000和PAW30000國內外焊機。內焊機對對坡口組對參數嚴格限定，內焊機鈍邊厚度、組對間隙、錯邊量等坡口組對參數要求非常嚴格，根焊缺陷率優于PWT根焊外焊機。內焊機是管道自動焊主流方式。

最先進的自動焊設備是CRC P600和PAW3000雙焊炬外焊機，采用直流脈沖噴射技術，焊接效率比單焊炬外焊機提高50%。PGMAW對坡口組對參數嚴格限定，如坡口組對精度誤差導致在填充焊縫中產生未熔合缺陷。PAW2000、CRC M300、RMS和Noreast是單焊炬外焊機，對坡口組對參數不如雙焊炬高，如坡口組對精度誤差導致在熱焊層和最后一道填充焊縫產生未熔合缺陷。

2.2 管道自動焊設備配置

我國生產管道自動焊設備組成是坡口機（型號PFM）、內對口器（型號CLAMP）與內焊機（型號PIW）一體化系統和外焊機（型號PAW3000）。在西氣東輸工程使用的PAW3000機組和CRC P600自動焊機組，焊接方式為內焊機實施根焊，雙焊炬外焊機實施填充和蓋面焊。除配備內焊機、外焊機、爬坡運行軌道，還包括吊管機和坡口機。人員配置包括加工坡口、焊縫修整、機械工和車床工。

2.3 焊接材料

我國管道自動焊采用的焊材類型是金屬實芯焊絲和氣保護藥芯焊絲，其中金屬實心焊絲應用最廣泛。焊絲產品性能參數和質量穩定性直接影響送絲過程和焊接電弧穩定性，例如焊絲直徑差異、拔絲強度、焊絲直線度、繞盤及鍍銅工藝等。

2.4 工程應用

焊接機車和吊管機最大適應管道縱向坡度不超過26°。內焊機在管道內進行管口組對和根焊，內焊機爬坡角度和剎車性能代表了自動焊技術水平。國內管道內焊機最大適應管道縱向坡度15°。國外自動焊內焊機最大適應管道縱向坡度與吊管機性能一致，最大滿足26～30°。針對西氣東輸管徑1219mm，國內自動焊每日可完成焊接量40～100道焊口，如管段坡度大、彎管和變壁厚，焊接量略有下降。國外自動焊每日可完成焊接量80～120道焊口。

3 我國管道自動焊工藝存在問題

我國管道自動焊執行國家標準GB 50369-2014《油氣長輸管道工程施工及驗收規范》、GB/T 31032-2014《鋼質管道焊接及驗收》，上述標準在針對自動焊工藝特點與管道設計、施工技術配套協調方面還需改進。

3.1 組織管理

管道施工預算參考半自動焊，因土方施工量大、設備投資貴，自動焊工藝不能成為首選方案。超聲波檢測和射線檢測在自動焊完成3～5d后進行，不能實施反饋焊接質量信息，管道自動焊焊接效率和質量不能達到預期目標。國外施工作業區進行硬質處理，設計鋼管支撐構件，預防鋼管位移造成焊接坡口尺寸變化。超聲波檢測站距離自動焊設備不超過100m，及時反饋焊接質量信息。建議制定科學施工預算，為應用自動焊保證利益空間。管道設計選線采用有效降坡、取直手段，保證自動焊順利實施。

3.2 設備升級

我國引進自動焊設備如意大利PWT根焊外焊機缺陷較高，焊接效率較半自動焊提升不明顯，在陜京二線應用后已淘汰。英國Noreast、加拿大RMS外焊機維持在2001年水平，設備老化嚴重、故障率高。美國CRC自動焊機專配1名技術人員，焊接問題及時反饋至公司總部。英國Noreast自動焊設備技術服務于沙特、俄羅斯天然氣管道，普遍采用雙焊炬技術。我國引進自動焊設備在產品保質期之后，國外生產商僅提供付費技術服務，導致我國早期自動焊設備技術老化落后。

3.3 焊接材料

我國管道自動焊使用的焊材系列、種類、型號多樣化，近十幾種類型焊材，產品配件、焊絲直徑、制造質量存在差異，對采購、管理和維護造成不便，極大制約管道自動焊技術發展，對焊接質量也造成隱患。國外管道自動焊固定使用同一品牌焊材，例如為保證焊接質量，CRC只使用與其自動焊設備配套的專用焊材。

3.4 施工效率

國內管道自動焊僅根焊是批次作業，填充和蓋面焊是單機作業。國外管道自動焊全部是批次作業。對標國外管道自動焊施工效率，在根焊、填充焊、蓋面焊的施工時間基本相同，國外自動焊在管口組對、預熱、焊接操作工銜接等更為高效順暢，施工效率高于國內。

4 結語

隨著智能控制技術、電弧追蹤技術進步，以及焊接設備模塊化、配件標準化趨勢，管道自動焊焊接質量和經濟效益會逐步體現，注定成為長輸管道建設施工的首選方式。我國管道自動焊焊接技術應進一步提升焊接效率和焊接質量，建議如下：

（1）管道勘察設計應考慮地形與焊接技術的協調配套，采取降坡、取直設計思想，充分考慮自動焊可適應的管道縱向坡度。研發適用于較大管道縱向坡度的自動焊焊接方法，實現山區管道自動焊施工；

（2）鋼管制造嚴格限定管端橢圓度、周長偏差等參數，減少對焊口組對精度影響；

（3）吊管保證施工作業地面承載力和鋼管支撐，預防焊口位移影響焊縫性能；

（4）管道清管應考慮內焊機可順利通過的彎管角度、曲率半徑以及變壁厚等問題；

（5）減少檢測站和自動焊工作站距離，保證無損檢測能夠及時反饋焊接質量信息；

（6）研發管道自動焊配套專用焊材，保證焊材質量穩定性，保證焊接電弧和送絲過程穩定性；

（7）持續跟蹤國外自動焊技術和設備發展趨勢，持續推進管道自動焊技術應用推廣。