天然氣壓縮機管道自動焊的可行性研究

盧意

中石化石油機械股份有限公司三機分公司 湖北武漢 430040

1 序言

天然氣壓縮機組主要用于輸氣過程中的增壓，因不同機組進口壓力、出口壓力和排量等工況條件不一樣，基本上每臺機組都是定制化產品，導致機組型號越來越多，其所用管道規格、材質也越來越多。目前，在制造工廠管道均采用人工焊接，因人力成本逐年升高，市場對天然氣壓縮機組的需求也逐年旺盛，所以工廠就更傾向采用自動焊接設備。但是，由于機組管道直徑、壁厚、形狀多種多樣，且為多件小批量產品，實現自動焊較為困難，因此在選擇自動焊設備時首要考慮以下3點：焊接效率高、焊接質量好、易于實現。

2 技術調研

2.1 管道情況

天然氣壓縮機組的管道大部分為壓力管道，設計壓力高，工作介質為天然氣，屬易燃易爆物，對焊接質量要求較高。管道直徑為34～407mm，壁厚為5～25mm，材質大部分為低碳鋼和低合金鋼，如20、L415Q，小部分為奧氏體不銹鋼，如304、316L。管道由無縫鋼管與法蘭、管件（三通、彎頭、大小頭等）等焊接而成，管道布置走向無規律，形狀復雜。管道中直管段長度為0.1～10m，以法蘭為界，一條管道長0.2～12m，寬最大可達3m。

制造廠內主要采用兩種手工焊接方法：氬弧焊（TIG）和焊條電弧焊（SMAW）。TIG一般用來打底，SMAW則用來填充和蓋面。

2.2 自動焊形式

目前，較成熟的管道自動焊形式大致可分為3類：機頭固定-管道旋轉類、管道固定-機頭旋轉類、管道機頭均可移動類。

1）機頭固定-管道旋轉類的焊接位置始終為1G，每層均可設置一種較大、不變的焊接電流，其他焊接參數設置相對也較簡單。這類自動焊設備不僅有較高的焊接效率，還有較好的焊接質量。其劣勢主要是占地面積大，對操作人員要求相對較高[1]，整機成本也相對較高，且無法焊接形狀復雜或轉動不便的管道。

2）管道固定-機頭旋轉類屬于全位置焊接，適用于管道形狀復雜、旋轉不方便的管道，且成本相對較低。但是，其類似外卡式的全位置自動焊設備，一臺設備能夠適應的管道直徑范圍相對較窄，一般需要配置多臺設備，成本相對無太大優勢。這類自動焊設備在焊接過程中，機頭的位置會不斷變化，液態金屬熔池的受力狀況也隨之發生變化，焊縫成形就會受到影響，需要分段程序控制各焊接參數[2，3]，一般將整個管道焊接的過程分為6個程序段，如圖1所示。每個程序段設置獨立的參數[4，5]。相對來說，這類自動焊的工藝更為復雜，效率相對也會更低，質量也較難保證。

圖1 管道分段焊接參數設置

3）管道機頭均可移動類的一個代表就是焊接機器人，其將焊接機頭集成在工業機器人上，配合變位機，具有焊接效率高、靈活、自動化程度高等優勢，適合用來焊支管角焊縫和平焊法蘭角焊縫，相對來說不太適合焊接對接環焊縫。另外，其設備成本相對較高，不太適合多件小批量生產。

表1列出了以上3種自動焊形式在成本、效率等方面的對比，其配置考慮滿足φ60～φ356mm管道的焊接，焊接效率估算以φ168mm×16mm的L415Q鋼為例。

表1 自動焊形式對比

從自動焊形式對比來看，首先排除管道固定-機頭旋轉類，剩下兩種均在考慮范圍之內，根據接下來的調研情況再進行選擇。

2.3 焊接方法

相對較大規模用于管道自動焊的焊接方法大致有3類：TIG焊、埋弧焊（SAW）和熔化極氣體保護焊（GMAW）。

（1）TIG焊 焊接質量好，能較好地實現單面焊雙面成形，但焊接效率較低，多用于管道焊縫的打底工作。為了提高效率，還發展出了熱絲TIG焊，其原理是填充焊絲在進入熔池前，用專用電源產生電阻熱將焊絲加熱至預定溫度，熔敷速度可大幅提高，焊接效率也就得到了顯著提升，并且保持了TIG焊高質量的特點。

（2）SAW 在壓力容器上有較多的應用，其生產效率高，焊接質量好，且弧光不外露，對操作人員友好。但廠內管道的直徑與壁厚相對壓力容器來說都小得多。在直徑較小、壁厚較薄的管道上焊接時，一方面因焊劑難以保持在焊道上而降低保護效果，從而影響焊縫質量，另一方面由于SAW使用電流較大，電弧的電場強度高，也易造成打底層被焊穿的現象[6]，因此考慮采用細絲SAW。SAW焊絲一般是φ3.2～φ6.0mm，細絲SAW焊絲直徑一般是φ1.2～φ2.0mm。相對粗絲SAW，細絲SAW可使用相對較小的電流，不僅熔化系數大、可節約電能，而且焊接質量也更好[7]。

（3）GMAW 又可以分為MIG焊、MAG焊和CO2焊等。GMAW焊接效率高，可進行全位置焊接，并且非常適合集成在自動焊和機器人焊接設備上。但是，GMAW能否用在承壓設備上，目前還有比較多的爭議。一方面是行業內人士普遍擔心其力學性能和彎曲性能不穩定，易造成合金元素燒損、焊縫成形欠佳，以及難以實現噴射過渡等問題，另一方面又有很多的成功案例[8，9]。

為求穩定，綜合來看選用了熱絲TIG焊和細絲SAW這兩種焊接方法。TIG焊用來打底，對于直徑較小或壁厚較薄的管道來說，TIG焊還可以用來填充和蓋面。細絲SAW則用來對直徑較大且壁厚較厚的管道進行填充和蓋面。

考慮到使用TIG焊和SAW時，焊接機器人難以發揮其優勢，因此在自動焊形式上，最終只能選擇機頭固定-管道旋轉類。對于形狀復雜且不便轉動的管道，可將其拆解成簡單的管+法蘭、管+管件的對焊形式，從而可以方便管道旋轉。

2.4 裝夾方式

針對機頭固定-管道旋轉類的自動焊設備，主要有3種裝夾回轉方式：開口卡盤式、封閉卡盤式和壓輥式，如圖2所示。

圖2 裝夾回轉方式示意

（1）開口卡盤（或稱U形卡盤）最大優勢是管道可以從上而下直接放入，相對更加方便。由于可讓焊縫位置始終靠近卡盤，因此就能很好地解決管道在旋轉過程中易出現徑向跳動的問題[10]，并且可以采用自動夾緊方式，減輕了操作人員的勞動強度。但是，目前生產這類卡盤的廠家較少，價格相對其他兩種較高。

（2）封閉卡盤 在普通車床上很常見，價格相對較低，一般用來夾持管道一端，大部分情況下焊縫會距離卡盤較遠，容易出現徑向跳動問題。對于形狀稍復雜（比如彎頭+管子+彎頭形式）或長管道，則無法夾持，或不便從中穿過。

（3）壓輥式 優勢也是價格較低，且方便管道放入，即焊縫可以設置在裝夾處附近。但其缺點也比較明顯，就是對于偏心管道夾持回旋時易產生竄動，會影響焊接質量。另外，其夾持段相對也較長，對于較短的管道則不太適用。

綜上所述，選擇開口卡盤裝夾回轉方式。

經過聯系，找到了一個可滿足以上幾個選擇的廠家，其有現成可用的自動焊設備，因此攜帶試件前往該廠家進行焊接試驗，以驗證該種自動焊設備能否滿足廠內管道的焊接要求。

3 自動焊工藝試驗

3.1 焊前準備

選擇幾種廠內常用規格和材質的管子進行試驗，具體情況見表2。單根管子長150mm，開單邊37.5°坡口，不留鈍邊，然后將坡口及周邊鐵銹、油污、毛刺等清理干凈。一個試件由兩根管子對焊而成，焊接前先進行組對工作并通過定位焊固定。

表2 自動焊工藝試驗選材

（1）焊接方法選擇 1#試件因管徑較小、壁厚較薄，所以選擇全部使用TIG焊進行焊接。2#和3#試件材質規格一致，一組采用SAW填充、蓋面，另一組采用TIG焊填充、蓋面。SAW一般適用于直徑≥219mm的管道，此次用較小的φ168mm管道進行SAW試驗，以驗證實際可行性，并同時使用TIG焊進行對比。由于奧氏體不銹鋼管道用量相對較小，且壁厚均較薄，因此只使用TIG焊。

（2）焊接材料選擇 20鋼（GB/T 6479—2013《高壓化肥設備用無縫鋼管》）屬于低碳鋼，其最低抗拉強度為410MPa，L415Q（GB/T 9711—2017《石油天然氣工業 管線輸送系統用鋼管》）屬于低合金鋼，其最低抗拉強度為520MPa，這兩種材料都可選擇采用最低抗拉強度為500MPa的ER50-6焊絲（NB/T 47018.3—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件 第3部分：氣體保護電弧焊絲和填充絲》）進行焊接，SAW也可選用這種焊絲，SAW焊劑則選用SJ101（NB/T 47018.4—2017《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件 第4部分：埋弧焊鋼焊絲和焊劑》）。316L（GB/T 14976—2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》）屬于奧氏體不銹鋼，可直接選用ER316L焊絲（符合NB/T 47018.3—2017中H03Cr19Ni12Mo2Si）進行焊接。

（3）焊絲直徑選擇 熱絲TIG焊時，焊絲選擇不能太粗。如果過粗、電阻小，則需要增加加熱電流，對防止磁偏吹不利，其最大直徑為1.2mm。細絲SAW時，可選擇焊絲規格為φ1.2～2.0mm，為了減少焊絲種類，因此SAW也選擇φ1.2mm焊絲。

3.2 試件焊接

（1）1#試件焊接 試件組對時不留間隙，放入開口卡盤中，可以自動夾緊。焊接使用10號噴嘴，φ3.2mm鈰鎢極，氬氣流量18～20L/min。打底時為保證背面成形，采用冷絲焊，后填充蓋面時均采用熱絲焊，以提升焊接速度。因為打底層較窄，所以槍頭不擺動，而填充蓋面層較寬，故槍頭需要擺動。槍頭的擺動是通過一個擺動機構實現的，并且擺動到兩邊時可以設置停留時間。試驗時使用的焊接參數見表3。

表3 1#試件焊接參數

由表3可看出，采用熱絲后，能使用更大的焊接電流與焊接速度，焊接熱輸入則沒有太大的變化，對焊接質量基本沒有影響。焊接完成后，焊縫背面與正面的外觀如圖3所示。由圖3可看出，背面與正面均成形良好、均勻美觀。

圖3 1#試件焊縫背面與正面外觀

（2）2#試件焊接 試件組對時根據情況預留1.5～2mm的間隙。為保證打底焊縫不會被SAW焊穿，用TIG焊打底一層后，再用其填充一層。SAW時使用電弧電壓相對較大，有較大的熔寬，不需要擺動。試驗時使用的焊接參數見表4。

表4 2#試件焊接參數

由表4可看出，S AW的焊接速度提升了1～2倍。經計算，其焊接熱輸入為12～19kJ/cm，相對也不大。另外，當時沒有準備φ1.6mm焊絲，如果使用該規格焊絲，則焊接電流和焊接速度可以更大，效率也就更高。SAW焊接過程如圖4a所示，存在一定焊劑掉落現象，會影響保護效果，因此在實際焊接時需要采用小工具對焊劑進行阻擋，以防止掉落。焊接完成后正面外觀如圖4b所示，成形相對TIG焊來說較差。

圖4 2#試件焊接過程與焊縫正面

（3）3#試件焊接 試件組對時不留間隙。試驗時使用的焊接參數見表5。

表5 3#試件焊接參數

焊縫的擺寬不能太寬，因此采用多層多道焊。實際焊接時，應根據前道焊縫的情況對本道焊縫的參數進行一些微調，這就需要操作人員有一定的手工焊經驗。

焊接完成后焊縫正面的外觀如圖5所示，成形相對SAW焊更好。

圖5 3#試件焊縫正面

（4）4#號試件焊接 試件組對時不留間隙，正面氬氣流量18～20L/min。奧氏體不銹鋼焊接時焊縫背面也需要用氬氣進行防護，以防止焊縫背面金屬被氧化，從而影響焊接質量。在實際操作中，采用錫紙膠帶與高溫膠帶將試件兩端封住，中間留小孔通氣與排氣，如圖6所示。當管道較長時，可采用水溶性紙進行局部封堵，或使用免充氬焊接保護劑等措施來保護焊縫背面金屬[11]。

圖6 不銹鋼焊接時的防護

焊接前管內通氬氣約5min，待空氣排盡再開始施焊。焊接時管內持續通氬氣，流量8L/min。試驗時使用的焊接參數見表6。

表6 4#試件焊接參數

不銹鋼焊接完成后，焊縫背面與正面的外觀如圖7所示，焊縫成形均較為美觀，焊縫背面金屬也保護良好。

圖7 4#試件焊縫背面與正面

（5）小結 此次自動焊設備的易用性良好，無論是試件的裝夾，還是焊接參數的設置都很方便。但是，因為實際情況變化較多，所以要根據情況進行焊接參數的調整，這就需要操作人員有一定的手工焊經驗，并且操作人員在操作設備前也需要進行較長時間的培訓。

另外，此次焊接的試件均為管子與管子對接焊，其錯邊量很小，組對時可不留間隙或留很小的間隙。實際情況一般是管子與彎頭、大小頭、三通、法蘭等對接焊，其錯邊量相對來說會比較大，組對時也就需要留稍大的間隙，然后用打底焊縫進行過渡，這對于打底時的操作要求就比較高，也是容易造成焊縫不合格的項點。因此，待設備采購完成回廠后，還需要進行更多的前期試驗，以積累足夠的經驗，才能用好自動焊設備，充分發揮其優勢。

在焊接過程中，也記錄了焊接時間，并與日常的手工焊耗時進行了對比，數據見表7。

表7 自動焊與手工焊耗時對比

由表7可看出，使用自動TIG焊比手工焊提高效率約30%，使用SAW比手工焊提高效率1倍以上，如果管徑與壁厚更大，SAW的效率會更高。對比φ168mm×16mm的L415Q鋼的兩個試件，SAW又比自動TIG焊提高效率超70%。

此處記錄的是純焊接時間，僅供參考。實際情況下還需要考慮裝夾時間、參數設置時間、焊縫冷卻時間等，效率提升數據會有所不同。

3.3 試件檢測

對4個試件按NB/T 47013.2—2015《承壓設備無損檢測 第2部分：射線檢測》進行100%射線檢測，結果均為Ⅰ級，合格。

然后按NB/T 47014—2011《承壓設備焊接工藝評定》對試件進行線切割，每個試件截取出2個拉伸試樣和4個彎曲試樣，彎曲試樣中除1#試件是2個面彎和2個背彎試樣外，其余試件都是4個側彎試樣。拉伸試樣按GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗方法》進行試驗，其結果見表8，均合格。彎曲試樣按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》進行試驗，彎曲面上均無缺陷，結果合格。

表8 拉伸試驗結果

此處只是進行簡單的拉伸和彎曲試驗來驗證自動焊試件是否滿足最基本的要求，待自動焊設備正式用于產品管道焊接前，還需要重新進行焊接工藝評定。除拉伸和彎曲試驗外，還需要根據管道使用條件來增加其他試驗。比如，當管道應用于低溫環境時，需要增加沖擊試驗；當管道內工作介質為含硫化氫的天然氣時，則需要增加硬度檢測、HIC與SSC試驗等。

4 結束語

使用機頭固定-管道旋轉類形式、熱絲TIG焊和細絲SAW兩種焊接方法、開口卡盤裝夾方式的自動焊設備，可以很方便地用于天然氣壓縮機組管道的焊接，焊接質量良好且比較穩定，相比傳統手工焊可提高效率30%甚至1倍以上。但是，這種設備只能用于管道旋轉方便的對接焊縫形式，如管子+法蘭、管子+彎頭等，還無法覆蓋天然氣壓縮機組上所有管道焊縫的焊接。