探討石油、天然氣管道焊接工藝現狀及展望

吳建宏

（四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川 成都 610000）

0 引言

我國的石油、天然氣管道最初使用低碳鋼等材料，管道設計壓力、口徑較小，管道輸送效率不高。隨著石油化工科技的發展，油氣管道得到持續改良，管道設計壓力、口徑越來越大，需要使用高鋼級材料，并做好油氣管道的焊接作業[1]。經過長期的發展，油氣管道焊接工藝十分豐富，涵蓋各種手工焊接、半自動焊接、全自動焊接技術，焊接工藝的自動化水平越來越高，各種全自動焊接技術包括焊接機器人逐漸得到廣泛應用，大幅提高了油氣管道焊接效率和質量，降低工作人員的勞動強度。油氣管道焊接工藝的發展，是一個循序漸進的漫長過程，各種焊接工藝技術都在其中發揮了積極的作用，了解油氣管道焊接工藝現狀，并對油氣管道焊接工藝發展前景進行展望分析，對于油氣管道焊接工藝的健康可持續發展具有重要意義。

1 油氣管道焊接工藝的發展現狀

在油氣管道焊接工作中，焊接作業及驗收需嚴格執行相關規范和標準，規范落實焊接工藝要求，并對管道焊縫進行無損探傷檢查[2]。油氣管道焊接工藝可以根據母材是否熔化，是否施加壓力分為熔化焊、壓力焊等類別，下文將進行詳細闡述。

1.1 熔化焊工藝的發展現狀

熔化焊是油氣管道焊接的主要工藝形式，包括藥皮焊條電弧焊、熔化極氣體保護焊、埋弧焊等，從發展歷程來看從焊條電弧焊、半自動焊到自動焊[3]。焊條電弧焊是油氣管道焊接的常用工藝方法，分為向上立焊和向下立焊兩種，焊條電弧向上立焊的焊接電弧由下向上移動，采用高纖維素焊條、低氫型焊條，管口組對間隙大，采用熄弧操作法完成焊接，焊層厚度較大；向下立焊的焊接電弧向下移動，使用焊條同向上立焊，但焊層厚度較薄，管口組對間隙小，使用大電流、多層、快速焊接方法，技術簡單易掌握，焊接效率更高[4]。

半自動焊借助設備輔助手工焊接，焊接設備只負責填充金屬，由焊工控制焊接操作和速度，常用的半自動焊焊接工藝包括自保護藥芯焊絲向下立焊等方法[5]。自動焊是完全依賴設備進行焊接作業，需要使用自動化焊接設備對焊接作業進行全過程控制，焊工起到引導作用。隨著油氣管道鋼管強度等級、管徑、壁厚提升，自動焊工藝得到愈加廣泛的應用，常見的有實心焊絲氣體保護自動焊、藥芯焊絲自動焊等。其中，前者是常見的熔化極氣體保護焊工藝，采用表面張力熔滴過渡控制焊縫熔深，避免出現未熔合等焊接質量缺陷；后者使用藥芯焊絲，原理和前者相似。

自動焊工藝的發展，關鍵在于自動焊設備的研發與應用。目前國內外自動焊技術和自動焊設備得到十分廣泛的應用，投入大量資金和精力研發全自動化焊接設備。目前國內自主研發的自動焊工藝及配套設備在油氣管道工程中已經得到普及應用，有的設備采用自動焊內焊帶、外部單焊柜的模式，用多個焊接機頭在內部完成根焊，由單焊柜完成其余焊道的焊接作業[6]。

1.2 壓力焊工藝的發展現狀

壓力焊是對焊件施加一定壓力，使接合面緊密接觸產生塑性變形而完成焊接。閃光對焊是一種較為常見的壓力焊方法，利用低電壓、強交流電作用熔化管端，借助外加壓力使熔化管端形成連接接頭，需要使用閃光對接焊機、焊縫清理機、移動電站等設備組成的機組，適用于油氣管道現場和基地施工[7]。爆炸焊利用炸藥爆炸的沖擊力實現焊接，應用于油氣管道焊接時需在外面加管套，該工藝使用設備少、方便現場焊接，但難以選擇適合方法對接頭缺陷進行檢測，且存在安全和噪聲等問題，應用越來越少。

壓力焊的工藝形式眾多，除上述工藝方法外，還有摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊等形式。對于大直徑的油氣管道來說，需要確定合適的焊接工藝參數，并對焊接缺陷特征、形成機理、檢測方法等有成熟的研究，開發適合的焊接材料。

1.3 油氣管道焊接新工藝

隨著焊接工藝技術的發展成熟，越來越多新的焊接工藝在油氣管道工程中得到應用。目前，具有廣闊發展前景的主要有高能束焊和摩擦焊工藝。

高能束焊在油氣管道工程中的應用主要有電子束焊和激光焊兩種。電子束焊利用加速和聚焦的電子束轟擊焊接面實現焊工件的熔化焊接，因其不使用焊條、熱變形量小、抗氧化能力強和工藝重復性好等優勢，在油氣管道和航空航天、國防軍工等眾多高精尖領域得到廣泛應用[8]。電子束焊在油氣管道工程中的應用，可以在大直徑、厚壁化管道焊接中保持高質量、快速度的特點，但在如何獲得高功率密度、高真空度和防控X射線等方面仍需要繼續深入研究。激光焊借助聚焦的激光束轟擊焊件完成焊接，由于激光的折射、聚焦等光學性質，適用于可達性差的部位焊接，且具有焊接變形小等優點，但缺點在于設備價格昂貴且電光轉換效率不高。近年來，光纖激光器得到高速發展，具有使用壽命長、效率高、體積小和光纖傳輸等優點，使激光焊在油氣管道工程的廣泛應用具備可行性。目前，單獨的激光焊焊縫沖擊應力低且焊接速度較慢，可以研究激光-電弧等復合焊技術，利用激光焊替代內焊機單獨打底焊，利用電弧焊進行填充焊，簡化焊接程序，提高焊接速度和質量。

摩擦焊在油氣管道工程中的應用主要是徑向和攪拌摩擦焊工藝。其中徑向摩擦焊起源于特種連續驅動摩擦焊，隨著油氣管道鋪設越接越長，常規的軸向摩擦焊機難以滿足軸向加壓頂鍛要求，可以采用徑向連續環旋轉的摩擦焊工藝，該工藝具有連接效率高、可重復性好、焊縫成形質量高等優點，適用于常規手段難以連接的焊接作業。攪拌摩擦焊利用高速旋轉焊具與工件摩擦使焊材局部熔化，在焊具擠壓下形成固相焊縫，適用于輕金屬的焊接。攪拌摩擦焊的優勢在于接頭性能好、焊接環境好，但對于高熔點高強度材料焊接難度較大[9]。為此，近年來對攪拌頭的研究成為熱點，攪拌頭的成功設計有助于應用在高熔點高強度材料和更大厚度的焊接作業，目前已研發出適用于油氣管道全位置焊接的攪拌頭。但仍需要繼續加大在攪拌頭設計制造等方面的投入力度，并對攪拌摩擦焊的攪拌頭與夾持機構整體環向運動、加壓焊接等工藝進行研究改進，進一步提升攪拌摩擦焊的適用性，使攪拌摩擦焊在油氣管道工程中逐漸得到廣泛應用。

2 油氣管道焊接工藝的發展前景

油氣管道焊接工藝的發展，并非單純焊接技術的成熟與進步，而依賴于焊接設備、工藝流程、檢測方法等相關方面的共同發展，構建一個更加科學、先進的焊接技術體系，才能拓寬焊接技術在油氣管道工程的應用空間，全面提升油氣管道焊接質量與效率。

2.1 油氣管道焊接工藝的發展思路

首先，油氣管道焊接技術應形成一個完善的技術體系，著重發展激光焊、電子束焊、徑向摩擦焊等焊接技術，尤其要提高自動焊技術的占比，不斷提升焊接工藝的自動化、智能化水平[10]。這要求科研院所等研究機構加大焊接工藝方面的研發力度，重點研究解決制約激光焊等焊接技術應用的難題，并致力于構建統一化的技術標準。相關部門應建立油氣管道焊接技術標準與規范，以書面文件形式明確焊接工藝的技術要求，為焊接技術應用提供可靠依據。

其次，油氣管道焊接工藝發展需要重視焊接設備方面的研發與應用。焊接設備對提高油氣管道焊接自動化程度具有關鍵性作用，影響焊接工藝的適用性和可行性[11]。應加大設備研發方面的投入，持續改進各種自動焊設備，使自主研發的焊接設備早日達到世界領先水平，形成以國產化設備為主、國外設備為輔的有利局面。同時，應研發更加先進的焊接材料，比如攪拌摩擦焊的攪拌頭，通過提升焊接材料質量來增強焊接材料與焊接設備的適配性，保證焊接質量穩定。

再次，油氣管道焊接工藝發展需要構建科學、有序的工藝流程。油氣管道焊接作業是一項較為復雜的系統工程，不僅要考慮焊接工藝的科學與否，還要關注油氣管道工程的實際情況，需要形成更為有效的管道焊接施工組織方法和工藝流程。焊接工藝流程不僅涵蓋焊接作業的各個工序環節，還要銜接焊接前后的相關工作，合理準備備用設備和備件，加強工序協調，實現流水作業，使焊接、無損檢測等工作順暢、高效，提升焊接工藝對各種復雜環境的適應能力。

最后，油氣管道焊接工藝發展需要探索質量檢測新方法。油氣管道焊接質量檢測主要應用超聲、滲透等無損檢測方法，應進一步研究其他無損檢測技術在油氣管道焊接檢測中的應用，并著重研究自動焊質量檢測與評判的方法，探討各種無損檢測方法在自動焊檢測中應用的可行性，使無損檢測技術可以適應油氣管道焊接工藝發展的要求，提升各種質量檢測方法的適應能力和質量、效率。

2.2 油氣管道焊接工藝的前景展望

目前，國外已經有企業研制出集成激光視覺焊接和檢測技術的管道自動焊接系統，由坡口視覺檢測設備、根焊道視覺檢測設備、視覺清渣設備、視覺外焊機等組件構成，采用激光視覺技術，提高了管道自動焊接的質量與效率。管道焊接機器人是眾多領域先進技術的集合體，可以高精度移動焊槍完成焊接作業，對焊接作業全過程進行自動化控制，實現最佳的焊接參數和運動參數，焊接性能穩定，焊接作業效率高，自動化程度高，可以避免人為因素的干擾，將逐漸成為油氣管道焊接施工的主要方式[12]。目前管道焊接機器人正在向智能化階段發展，通過集成多種傳感器提高對復雜環境變化的適應能力，借助智能化控制系統實現規劃決策，采集管端坡口尺寸等參數信息并自主匹配焊接策略和工藝參數，可以獨立完成復雜的焊接任務，并具備故障診斷、質量監控等功能。管道焊接機器人可以分為管道內焊接與外焊接機器人，管道內焊接機器人負責打底焊接，需要根據不同管徑匹配適用的焊接機器人，這會造成資源的浪費，未來需要研究如何突破管徑定型等因素制約，研究跨管徑的內焊接機器人；由外焊接機器人負責熱焊、蓋面焊接等規模性流水作業，需要具備和人近似的感知能力，并能對焊接機器人的動作實現高精度控制，可以根據空間環境和位置不同調整焊接速度、電流等參數，適應各種復雜環境下的焊接作業。

當前較為熱門的管道焊接機器人主要是應用多焊炬、激光-電弧復合焊、串聯雙絲焊、攪拌摩擦焊等技術。多焊炬管道焊接機器人可以實現全自動焊接控制，驅動多個焊炬同時作業，焊接部分采用彈性轉臂結構，焊接操作配備多點焊縫跟蹤系統，適用于油氣管道鋪設。該類型焊接機器人的多焊炬運動控制是研究重點，需要實現高度集成運動控制與焊縫自動跟蹤等功能的高度融合。激光-電弧復合焊機器人兼具激光焊與電弧焊的優點，可以解決電弧焊熔深不足、激光焊適應能力不強等問題，在油氣管道工程中的應用空間很大。串聯雙絲焊是十分成熟的焊接工藝，雙絲管道焊接機器人的兩根焊絲供電、參數獨立，可以降低相互干擾，兩根焊絲互為加熱，焊縫成形美觀，與單絲焊接相比焊接質量和速度有顯著提升。攪拌摩擦焊機器人具有操作簡單、能量效率高、無弧光輻射等優勢，技術突破重點在于攪拌頭的研制，此處不再贅述。

2.3 油氣管道焊接工藝的突破途徑

在油氣管道自動焊接工藝的應用過程中，以焊接機器人為代表的自動焊技術應用仍面臨一些難題需要解決，主要表現在焊接運動軌跡規劃、焊縫跟蹤、焊接質量檢測與預防和自動焊適應能力等方面。因此，油氣管道焊接工藝的發展，應著重從這幾個方面著手，提升自動焊在油氣管道工程的應用能力。

自動焊需要具備焊接運動軌跡規劃能力。油氣管道鋪設施工環境復雜多變，要面臨各種特殊環境的考驗，作業環境惡劣，對焊接設備的穩定性、適應性提出了很高的要求。自動焊在管道現場焊接時，可能因外界溫度變化、裝配不當等原因而產生擠壓變形的情況，焊工可以根據實際情況及時調整焊接工藝，而自動焊需要按照設定好的程序焊接，容易出現對口間隙不一致等偏差，影響焊接質量。同時，自動焊對焊縫的跟蹤能力也提出很高的要求，而焊縫視覺跟蹤必然增加設備體積和重量，電弧跟蹤經濟優勢明顯但容易受磁場變化等多重因素干擾，單純依靠視覺或電弧跟蹤難以取得理想的效果。

為此，應對焊接機器人通過系統學習、深度學習進行訓練，提高自動焊接的智能化水平，有能力根據外部環境變化調整焊接參數，修正焊接軌跡，縮小自動焊與焊工在經驗、適應能力等方面的差距。應研究如何運用視覺、觸覺傳感器對坡口、焊縫進行掃描，精準提取坡口尺寸、焊縫特征點等信息，通過運算分析獲取焊接路徑點，確定各點位置坐標和焊槍姿態、運動路徑等規劃方案，消除管道變形、工況不確定性的不利影響。這需要研究更加輕便、高精度的傳感設備，開發多種自適應PID控制方法，人工神經網絡等智能跟蹤、控制方法。此外，自動焊需要具備一定的焊接質量檢測與缺陷預防、排除能力。以焊接機器人為例，應研發運用傳感器采集的電流、光譜、溫度、聲音等信號進行焊接質量檢測的技術，比如利用光譜信號檢測熔滴過渡，利用電弧信號監測焊接缺陷?？梢砸劳泻附訉＜蚁到y，對焊接機器人進行遠程監控和實時診斷，提高自動焊接工藝的實時監控和故障處理能力。

3 結語

綜上所述，隨著油氣管道工程的不斷發展，管道口徑、壁厚、壓力增大帶來更大的運輸能力，也對管道焊接工藝提出了更高的要求。手工焊接、半自動焊接等傳統方式受人為因素影響大，焊接速度有限，一次焊接合格率不高，且焊工勞動強度大，無法滿足油氣管道工程發展的需求。自動焊技術是油氣管道焊接工藝發展的主流趨勢，電子束焊等一系列先進的焊接技術將擁有更廣闊的發展和應用空間，而自動焊工藝的發展需要加大研發投入，加快推動焊接設備與焊接系統等方面的進步。