南方復(fù)雜地形條件下長輸管道工程自動焊工藝優(yōu)化與應(yīng)用

吳紹偉

國家管網(wǎng)集團(tuán)新疆煤制天然氣外輸管道有限責(zé)任公司 北京 100020

國內(nèi)自中俄東線天然氣管道項(xiàng)目開始全面推廣應(yīng)用自動焊接技術(shù)，該焊接工藝具有焊接接頭綜合性能好、質(zhì)量穩(wěn)定、焊接效率高、焊接作業(yè)焊工勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司DEC 文件對于X70及以上鋼級管道，明確要求在滿足條件的情況下使用自動焊對環(huán)焊縫進(jìn)行焊接。自動焊工藝質(zhì)量和效率的提升是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，結(jié)合新疆煤制氣外輸管道廣西支干線工程（以下簡稱廣西支干線工程）自動焊施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從設(shè)計、工藝、管材、無損檢測、施工組織等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出改進(jìn)、優(yōu)化措施，以期為后續(xù)類似工程提供借鑒。

1 工程概況

廣西支干線工程起自湖南省衡陽市衡南縣洪山鎮(zhèn)衡陽分輸清管站，止于桂林市臨桂區(qū)四塘鄉(xiāng)桂林分輸壓氣站，途經(jīng)湖南、廣西等2 省區(qū)3 市9 縣，線路總長463km，管徑為Φ813，設(shè)計壓力10MPa，管材采用X70 鋼級。全線設(shè)工藝站場3 座，線路截斷閥室23 座，穿越大中型水域27 處、山嶺隧道2 處、鐵路20 處、高速17 處、國省道21處。沿線主要為分布有山區(qū)、丘陵、平原、河谷的湘中盆地和巖溶較發(fā)育的桂林-陽朔溶盆地，總體上地貌類型多，地形復(fù)雜。湖南主要為侵蝕堆積、紅層丘陵、碎屑巖丘陵、溶蝕地貌，廣西主要為巖溶緩丘、河谷階地、中低山、緩丘平原地貌。

2 設(shè)計優(yōu)化

天然氣管道安全失效事件，尤其近10 年來因管道環(huán)焊縫失效導(dǎo)致的安全事故屢見不鮮。2000 年以來中國X80 管道環(huán)焊縫失效案例原因分析見表1。

表1 2000 年以來中國X80 管道環(huán)焊縫失效案例原因分析表

在上述7 起X80 高鋼級管道失效案例中，失效誘發(fā)因素包括韌性不合格、拉伸性能不合格、根焊超差缺陷、不等壁厚管道應(yīng)力集中、組裝應(yīng)力及外部荷載等，主要集中在連頭、彎管處。同時，天然氣管道工程途經(jīng)地區(qū)地貌復(fù)雜多變，運(yùn)行期發(fā)生的滑坡、泥石流及采空區(qū)地面沉陷等均會給管道帶來額外的附加荷載，從而使其超出設(shè)計荷載。因此，需要開展優(yōu)化設(shè)計，盡量采用彈性敷設(shè)、推高填低方案，減少施工斷點(diǎn)，減少熱煨彎頭和冷彎彎管的用量。

2.1 路由優(yōu)化

在管道自動焊焊接施工作業(yè)中，最大程度地減少“兩點(diǎn)”（即熱煨彎頭點(diǎn)、連頭點(diǎn)）是提高自動焊連續(xù)施工能力及焊接效率的關(guān)鍵因素之一。管道每一處轉(zhuǎn)向或穿越使用的熱煨彎頭能否采用冷彎管和彈性敷設(shè)的方式來代替，傳統(tǒng)的設(shè)計很難解決該問題。這需要將設(shè)計工作前移，在施工階段組織經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計人員到施工現(xiàn)場開展設(shè)計工作，與施工單位共同對每一處平面轉(zhuǎn)向點(diǎn)、縱向彎、穿越點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場勘查，通過采取多個冷彎管、彈性敷設(shè)、削方降坡等措施，減少熱煨彎頭的使用量，為自動焊機(jī)組創(chuàng)造連續(xù)焊接的有利條件。路由選擇時，在滿足規(guī)劃、評價的前提下，優(yōu)先選擇了路由相對順直、坡面較緩并盡量避開陡崖的地段，對于坡度大的山體采用隧道或頂管方式通過。平面轉(zhuǎn)向布置時，考慮減少轉(zhuǎn)向點(diǎn)從而減少熱煨彎管，以及采用小轉(zhuǎn)角以便實(shí)現(xiàn)冷彎管組合轉(zhuǎn)向方式。

2.2 水工保護(hù)和水土保持動態(tài)設(shè)計

為滿足自動焊施工對坡度的要求，山區(qū)段不可避免的需要削方降坡，運(yùn)行期的地質(zhì)災(zāi)害也會給管道帶來額外的附加荷載，因此山區(qū)段水工保護(hù)設(shè)計和地貌恢復(fù)尤為重要。

（1）水工保護(hù)動態(tài)設(shè)計：管溝開挖完成或連頭點(diǎn)管道就位后，組織參建單位現(xiàn)場踏勘進(jìn)行水工保護(hù)設(shè)計復(fù)核。施工前后原地貌發(fā)生改變，且現(xiàn)階段具備水工保護(hù)施工條件（即現(xiàn)場根據(jù)地形可以做出判斷的）的，作為首先優(yōu)化地段；并適當(dāng)考慮當(dāng)?shù)卮迕褚庠福员ＷC后期地貌恢復(fù)、交地的順利進(jìn)行。

（2）水土保持動態(tài)設(shè)計：水土保持工程實(shí)施過程中，做到水土保持、水工保護(hù)與主體工程同時設(shè)計、施工和竣工，確保水土保持臨時措施、工程措施、植物措施的有效銜接；妥善處理所產(chǎn)生的棄土棄渣，及時恢復(fù)施工擾動植被和耕地。加強(qiáng)山區(qū)爬坡施工過程的管理，嚴(yán)格按設(shè)計施工，不得隨意采取降坡措施進(jìn)行施工，加強(qiáng)爬坡段的各項(xiàng)攔擋、排水、植被恢復(fù)等水土保持措施管理。

3 焊接工藝選用

廣西支干線工程組合自動焊方式采取STT/ RMD/氬弧焊根焊+單槍外焊機(jī)自動焊填充蓋面，全自動焊采取內(nèi)焊機(jī)根焊+雙槍外焊機(jī)自動焊填充蓋面和氬弧自動焊外焊機(jī)根焊+單槍外焊機(jī)自動焊填充蓋面。共進(jìn)行了19 項(xiàng)線路焊接工藝評定，形成了40 項(xiàng)焊接工藝規(guī)程。全自動焊接工藝具有焊接接頭綜合性能好、質(zhì)量穩(wěn)定、焊接效率高、勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是對施工地段的地形要求較高（一般坡度小于15°）、施工作業(yè)帶寬度要求高、設(shè)備投資高，以及需要連續(xù)流水焊接施工作業(yè)方能發(fā)揮焊接效率等。組合自動焊焊接效率和焊接質(zhì)量較高，地形適應(yīng)性強(qiáng)，施工作業(yè)帶寬度要求低，在山區(qū)丘陵、水網(wǎng)條件下具有較高的費(fèi)效比。

每種焊接工藝都有其自身的優(yōu)勢和局限性，綜合考慮地形地貌、環(huán)焊接頭力學(xué)性能、作業(yè)帶寬度限制、費(fèi)效比等因素，選擇合適的焊接工藝在施工進(jìn)度和成本控制中也尤為重要。

3.1 山地丘陵地形

（1）對于坡度較緩（15°以下）的地段，采用全自動焊小機(jī)組溝下焊接或溝上焊接的作業(yè)方案，作業(yè)帶布管方式與平原地段基本相同。機(jī)組配置可根據(jù)作業(yè)面長度靈活選擇2—3 站全自動焊接站的配置。對于坡度在12°～15°之間但地形起伏變化頻繁段，內(nèi)焊機(jī)根焊不能連續(xù)流水作業(yè)等地段，采用組合自動焊的焊接方式。

（2）為滿足全自動焊接要求，對于山體坡度為15°～25°的地段，采用削方降坡方式。作業(yè)帶清理或削方降坡后，滿足全自動焊接設(shè)備通行，采用小機(jī)組溝下焊接方案或者組合自動焊溝下焊接的方案。對于坡度超過25°，采用削方降坡方式進(jìn)行組合自動焊，或者采取卷揚(yáng)機(jī)+運(yùn)管小車進(jìn)行溝下布管，或是預(yù)制聯(lián)管布管。

（3）對于地形起伏較大（指地形坡度普遍大于15°），局部大于30°，地形起伏頻繁地段，宜采用組合自動焊的焊接方式。隧道穿越段，可采用全自動焊。焊接方式的選用見表2。

表2 山地焊接方式選用推薦表

3.2 水網(wǎng)地形

（1）對于一般旱地、地耐力較好的水稻田及排水后地耐力較好的連片魚塘等，通過排水、晾曬和干土鋪墊等方式能滿足全自動焊機(jī)組設(shè)備通行和作業(yè)需要的地段，且連續(xù)作業(yè)面長度滿足大機(jī)組3d 以上的作業(yè)面，采取修筑施工便道、全自動焊大機(jī)組溝上焊接、沉管下溝的施工組織方案。

（2）對于那些地耐力較好，但由于河流溝渠或道路分隔，連續(xù)作業(yè)面長度較短的地段，采取修筑施工便道、全自動焊小機(jī)組或組合自動焊溝上焊接后沉管下溝的作業(yè)方案。機(jī)組配置可根據(jù)作業(yè)面長度靈活選擇1—3 站全自動焊接站的配置。

（3）連片水域段較長時，難以形成作業(yè)帶，可在一端設(shè)置預(yù)制場，另一端設(shè)置牽引設(shè)備，選取全自動焊小機(jī)組預(yù)制穿越段管道，完成檢測、防腐等作業(yè)。管溝成形后，牽引預(yù)制管段就位。

（4）考慮到銅襯墊外根焊工藝具有任意一站可完成根、熱、填、蓋焊縫的焊接，機(jī)組配置靈活，設(shè)備機(jī)頭體積小占用操作空間小，焊接速度快，根熱焊可同步進(jìn)行減少裂紋傾向等特點(diǎn)，可大大降低水網(wǎng)地區(qū)對管道施工帶來的不利影響，水網(wǎng)地區(qū)可以選用帶銅襯內(nèi)對口器外自動焊根焊+單（雙）焊炬外焊機(jī)填充蓋面。

水網(wǎng)焊接方式選用推薦見表3。

表3 水網(wǎng)地形焊接方式選用推薦表

4 管材

4.1 管端橢圓度控制

為了降低管端橢圓度，以降低現(xiàn)場組對難度，減小組對錯邊量，便于現(xiàn)場自動焊接，管材廠家從模具設(shè)計、壓制參數(shù)設(shè)定、成型擴(kuò)徑過程橢圓度變化規(guī)律、防腐對橢圓度影響規(guī)律等方面，開展了一系列工作。在管端橢圓度不高于0.6%D，管體橢圓度不高于1.2%D 標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，廣西支干線工程管材生產(chǎn)廠家采用管端橢圓度不高于0.42%D 的內(nèi)控指標(biāo)。同時，鑒于直縫管管體橢圓度優(yōu)于螺旋管，應(yīng)適當(dāng)考慮增加直縫管采購量用作連頭短節(jié)。

4.2 長短軸標(biāo)識及周長分級

為便于現(xiàn)場級配，降低組對難度，減小組對錯邊量，在鋼管兩端標(biāo)記橢圓度的長短軸位置及周長，其中長軸和短軸分別采用白色、黃色標(biāo)示。為進(jìn)一步便于現(xiàn)場組對焊接，提高現(xiàn)場施工焊接的組對效率與質(zhì)量，按管端周長范圍將鋼管分為3 類（A、B、C），每一類鋼管管端周長差均小于2.2mm，并予以清晰標(biāo)記識別。其中，2549.6mm≤周長＜2551.7mm 為A 類，2551.7mm≤周長≤2553.8mm 為B 類，2553.8mm＜周長≤2556.0mm為C 類，同一根鋼管兩端周長為同一類。

4.3 不等壁厚孔錐形內(nèi)坡口

孔錐形內(nèi)坡口相對于倒角式內(nèi)坡口，可以顯著降低縱向應(yīng)力集中。為了降低變壁厚焊口應(yīng)力集中，提高焊縫質(zhì)量，對于直管-直管及直管-熱煨彎管不等壁厚，DEC-OGP-S-PL-001-2020-1《油氣管道工程用感應(yīng)加熱彎管技術(shù)規(guī)格書》要求采用內(nèi)錐孔形坡口，熱煨彎管內(nèi)錐孔形坡口在彎管廠進(jìn)行預(yù)制。對于孔錐形坡口尺寸的確定，主要考慮了焊縫處的應(yīng)力集中、管道焊接及無損檢測等方面的要求，同時考慮直管與直管不等壁厚孔錐形內(nèi)坡口連接。直管-熱煨彎管不等壁厚錐形內(nèi)坡口示意見圖1。

圖1 直管-熱煨彎管不等壁厚錐形內(nèi)坡口示意圖

5 無損檢測

不同的焊接工藝產(chǎn)生的缺陷類型也不同，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計及缺陷特點(diǎn)分析結(jié)果，自動焊易出現(xiàn)未熔合缺陷。由于不同的無損檢測方法對不同類型缺陷的發(fā)現(xiàn)能力及敏感性不同，因此設(shè)計中對于焊縫無損檢測的要求，在滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，還應(yīng)統(tǒng)籌考慮不同焊口類型及其采用的焊接工藝，結(jié)合不同無損檢測方法的適用性，采用合適的無損檢測方法與評判要求。自動焊工藝無損檢測工藝一般采取RT、AUT、PAUT+TOFD。為提升自動焊接質(zhì)量和效率，無損檢測與焊接應(yīng)緊密結(jié)合，當(dāng)日向焊接機(jī)組反饋發(fā)現(xiàn)的缺陷和缺欠，焊接機(jī)組應(yīng)及時對焊接設(shè)備進(jìn)行維護(hù)，對參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，確保焊接質(zhì)量穩(wěn)定可控。

無損檢測單位接到檢測指令后在規(guī)定時間內(nèi)完成檢測，并出具檢測結(jié)果；監(jiān)理單位在規(guī)定時間內(nèi)完成抽檢；第四方復(fù)評單位在規(guī)定時間內(nèi)復(fù)評完成，合格焊口下達(dá)防腐指令，不合格焊口由施工單位在規(guī)定時間內(nèi)完成返修并申請復(fù)檢。此流程較長，如不及時給施工單位反饋檢測結(jié)果，會造成系統(tǒng)性缺陷，導(dǎo)致出現(xiàn)批量相同的焊接質(zhì)量問題，無形中加大了檢測工作量，形成惡性循環(huán)。因此，組織協(xié)調(diào)施工、檢測、監(jiān)理、復(fù)評等單位提升無損檢測及時率、復(fù)評及時率、復(fù)評問題整改及時率、返修及時率，可有效提升自動焊接質(zhì)量和效率。

6 施工組織

6.1 施工總體部署

自動焊施工總體部署需充分考慮自動焊機(jī)組大流水施工的特點(diǎn)，以最大程度地開展自動焊連續(xù)施工作業(yè)為目標(biāo)。

（1）平原、緩坡地區(qū)的全自動焊施工應(yīng)充分重視焊接通道的連續(xù)性，建立滿足全自動焊機(jī)組連續(xù)施工作業(yè)的焊接通道，減少連頭點(diǎn)是施工組織的核心。山地、丘陵、連頭地段采取組合自動焊，該方法操作靈活便捷，地形適應(yīng)性強(qiáng)，重點(diǎn)要做好土建保障，提前做好挖溝、布管等溝下焊準(zhǔn)備工作。

（2）以大中型河流或山體穿越、高等級公路穿越等斷點(diǎn)為依據(jù)劃分為大的施工單位，將類似地形地貌、地質(zhì)條件、焊接機(jī)組能夠連續(xù)作業(yè)作為依據(jù)劃分為小的施工單元。每個施工單位的施工資源、外協(xié)用地及物資供應(yīng)應(yīng)緊密銜接，掃線、布管、焊接、防腐補(bǔ)口、挖溝、下溝回填、水工保護(hù)、三穿、復(fù)貌復(fù)墾復(fù)綠、交地驗(yàn)收等工序有序推進(jìn)，雨季之前重點(diǎn)完成平原段焊接回填、大中型河流開挖等受雨季影響較大的工程，將連頭點(diǎn)留在雨季也能進(jìn)場施工的通道旁邊，確保工程順利推進(jìn)。

6.2 合理調(diào)整自動焊機(jī)組配置

針對Φ813mm×14mm，不同地形條件下各自動焊機(jī)組的工效分析如表4 所示。在不同的地形條件下，同時結(jié)合施工地域的天氣，綜合考慮各種焊接工藝的合格率等因素，選擇合適的焊接工藝和機(jī)組配置，從而發(fā)揮最大工效。

表4 不同地形下自動焊機(jī)組功效分析表

6.3 加強(qiáng)對外協(xié)調(diào)

與半自動焊接不同，當(dāng)自動焊機(jī)組沒有連續(xù)作業(yè)面時，會導(dǎo)致連頭點(diǎn)增加、機(jī)組頻繁轉(zhuǎn)場。每次轉(zhuǎn)場后通常需要3d 來微調(diào)焊接參數(shù)、恢復(fù)設(shè)備狀態(tài)，直接導(dǎo)致焊接一次合格率、工效降低。因此，外協(xié)工作在保證自動焊機(jī)組連續(xù)作業(yè)方面具有至關(guān)重要的作用。

7 結(jié)語

截至2020 年底，我國境內(nèi)建成油氣長輸管道累計達(dá)到14.4 萬km。根據(jù)我國《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》，預(yù)計到2025 年，我國油氣管網(wǎng)總長將達(dá)到24 萬km，因此在未來較長的一段時間，我國管道仍將保持高速發(fā)展。自動焊是目前新建大口徑、高鋼級、高壓力油氣長輸管道工程首選焊接工藝，廣西支干線工程是南方地區(qū)第一條全面采用自動焊工藝的長輸天然氣管道，工藝已經(jīng)成熟，為地處南方復(fù)雜地形條件下、環(huán)境惡劣的自動焊工藝提升提供了借鑒。