白芳 鐘桂香

中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

摘要：全自動(dòng)焊接由于其焊接質(zhì)量好、效率高等顯著優(yōu)勢(shì)，在油氣管道工程建設(shè)中逐步成為焊接施工的主導(dǎo)技術(shù)�？偨Y(jié)了常用的幾種全自動(dòng)焊接工藝，從設(shè)計(jì)、鋼管原材、焊接材料、焊接設(shè)備以及無(wú)損檢測(cè)等方面分析了全自動(dòng)焊接應(yīng)用保障措施。以工程應(yīng)用案例，為推廣全自動(dòng)焊接工藝的普適性應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)焊；焊接工藝；中俄東線(xiàn)；大口徑管道；長(zhǎng)輸管道

手工焊、半自動(dòng)焊因受到焊接速度、焊接質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)能力等因素限制，已無(wú)法滿(mǎn)足管道工程建設(shè)對(duì)質(zhì)量和進(jìn)度不斷提高的需要。最初推廣使用自動(dòng)焊接工藝，主要在地勢(shì)平坦、地形坡度起伏較小的西氣東輸二線(xiàn)西段，以及西氣東輸三線(xiàn)管道設(shè)計(jì)系數(shù)0.8的地段。中靖聯(lián)絡(luò)線(xiàn)和陜京四線(xiàn)開(kāi)始大規(guī)模推廣應(yīng)用自動(dòng)焊接工藝，主要在荒漠、戈壁和平原地段。到中俄原油管道二期工程，自動(dòng)焊接工藝應(yīng)用比例達(dá)到了68.8%。中俄東線(xiàn)天然氣管道工程開(kāi)啟全自動(dòng)焊接工藝應(yīng)用里程碑，其使用比例占90%以上[1-2]。隨著全自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用普及，環(huán)焊縫焊接質(zhì)量得到了極大提升[3]。

1  全自動(dòng)焊接常用技術(shù)

內(nèi)焊機(jī)根焊+外焊機(jī)自動(dòng)焊技術(shù)。采用多焊炬內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行組對(duì)和根焊，外焊機(jī)自動(dòng)焊進(jìn)行熱焊、填充和蓋面焊。自動(dòng)焊機(jī)組整體效率較高，但由于內(nèi)焊機(jī)爬坡能力以及自身可通過(guò)的曲率半徑等受限，僅適用于地形起伏普遍小于15°的平原、戈壁等主線(xiàn)路焊接段的連續(xù)焊接。

銅襯墊內(nèi)對(duì)口器+外焊自動(dòng)焊技術(shù)。采用銅襯墊技術(shù)實(shí)現(xiàn)根焊單面焊接雙面成形。在進(jìn)行單面焊接時(shí)，在焊縫背面貼附一種陶質(zhì)或者銅質(zhì)襯墊，封堵焊件對(duì)接處的坡口縫隙，從而約束焊接熔池形態(tài)，形成良好的焊縫質(zhì)量。

外焊機(jī)自動(dòng)根焊+單焊炬外焊機(jī)填充蓋面技術(shù)。采用外焊機(jī)根焊，單焊炬外焊機(jī)熱焊、填充和蓋面。焊接設(shè)備配置簡(jiǎn)單靈活，便于組織施工，施工成本較低�？捎糜谡系K物較多、不能實(shí)現(xiàn)大流水作業(yè)的一般地段連續(xù)施工，特殊地段預(yù)制或連續(xù)施工，以及連頭段施工。

2  全自動(dòng)焊接應(yīng)用保障措施

2.1  設(shè)計(jì)方面

使用內(nèi)焊機(jī)全自動(dòng)焊接工藝的流水作業(yè)容易受線(xiàn)路斷點(diǎn)的影響，如連頭段、穿跨越段等。需要對(duì)線(xiàn)路走向進(jìn)行優(yōu)化，確定大型河流穿跨越、隧道穿越等重點(diǎn)控制性工程位置。管道轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)可以采用彈性敷設(shè)代替冷彎彎管、多個(gè)冷彎彎管代替熱煨彎管的方式，為全自動(dòng)焊接工藝應(yīng)用提供“便利”。穿越三級(jí)、四級(jí)及以下等級(jí)公路，使用組裝式蓋板涵代替套管；穿越鄉(xiāng)村道路采用提前“下臥預(yù)埋”的敷設(shè)方式 ，以滿(mǎn)足連續(xù)焊接要求[4]。

2.2  鋼管原材方面

（1）鋼管化學(xué)成分。在全自動(dòng)焊接工藝全面推廣之前，我國(guó)高鋼級(jí)管道的成分要求基于API Spec 5L《管線(xiàn)鋼管規(guī)范》，不同廠(chǎng)家制造的鋼板及鋼管合金元素差異較大，對(duì)焊接質(zhì)量影響較為不利。為提高環(huán)焊縫質(zhì)量和環(huán)焊縫質(zhì)量一致性，對(duì)管材合金成分進(jìn)行了嚴(yán)格限定。如要求X80級(jí)鋼管碳含量降低至0.07 %，碳當(dāng)量降低至0.22 %，對(duì)鋼管焊接性能影響較大的Mo、Ni等合金元素的含量波動(dòng)范圍進(jìn)行限定以保證焊接工藝質(zhì)量的穩(wěn)定性。如圖 1所示。

圖 1 Mo和Ni合金元素含量波動(dòng)范圍前后對(duì)比情況

（2）強(qiáng)度區(qū)間限定。國(guó)內(nèi)外研究表明，實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫以及熱影響區(qū)與母材屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)匹配，可避免接頭應(yīng)力應(yīng)變集中，是保證接頭完整性、解決高鋼級(jí)管道安全風(fēng)險(xiǎn)的根本途徑[5]。因此，通過(guò)限定鋼管屈服強(qiáng)度上限值、縮窄屈服強(qiáng)度波動(dòng)范圍等手段，實(shí)現(xiàn)環(huán)焊縫與母材高強(qiáng)匹配目的。相關(guān)企業(yè)或工程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鋼管屈服強(qiáng)度區(qū)間限定較為嚴(yán)格，如法國(guó)燃?xì)夂蜌づ�，不同鋼�?jí)鋼管屈服強(qiáng)度統(tǒng)一規(guī)定為120 MPa。統(tǒng)計(jì)制管廠(chǎng)家提供的L555M級(jí)鋼管屈服強(qiáng)度，限定為120 MPa的達(dá)到98%以上。

（3）鋼管管端坡口加工。全自動(dòng)焊接對(duì)坡口尺寸和組對(duì)精度的容錯(cuò)能力較差，容易引發(fā)坡口壁的未熔合。因此，在工程設(shè)計(jì)中對(duì)鋼管管端不圓度和周長(zhǎng)差提高標(biāo)準(zhǔn)要求，便于現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)焊接，控制錯(cuò)邊，提高全自動(dòng)焊接效率和質(zhì)量。經(jīng)統(tǒng)計(jì)3456個(gè)中俄東線(xiàn)（管徑1219 mm×22.0 mm ）L555M級(jí)鋼管，其管端不圓度偏差全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)文件要求的0.5%D；管端周長(zhǎng)差為0～3 mm的占全部統(tǒng)計(jì)試樣的99.8%（圖 2）。同時(shí)為了提高現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)效率和組對(duì)精度，對(duì)鋼管管端周長(zhǎng)差進(jìn)行分級(jí)，環(huán)焊縫兩側(cè)選用同一類(lèi)周長(zhǎng)范圍進(jìn)行極配和鋼管組對(duì)焊接。這些控制要求在國(guó)際上也處于領(lǐng)先水平。

圖 2 中俄東線(xiàn)用鋼管管端尺寸統(tǒng)計(jì)

（4）鋼管管端坡口。不等壁厚對(duì)接焊口是焊接工程質(zhì)量的最薄弱環(huán)節(jié)。為消除其不利影響，從中俄東線(xiàn)北段開(kāi)始，在彎管、管件不等壁厚連接處采用內(nèi)孔錐型坡口，使其成為等壁厚對(duì)接，減小應(yīng)力集中。中俄東線(xiàn)南段首次在直管對(duì)直管不等壁厚對(duì)接處也采用內(nèi)錐孔型坡口。通過(guò)內(nèi)錐孔型坡口加工工藝技術(shù)、嚴(yán)格的坡口表面檢測(cè)和過(guò)程質(zhì)量管控，中俄東線(xiàn)天然氣管道全自動(dòng)焊環(huán)焊縫質(zhì)量得到有效提升[6]。

2.3  焊材方面

焊材也是決定全自動(dòng)焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過(guò)焊接工藝評(píng)定優(yōu)選焊材，并且限定同一工程焊材采購(gòu)廠(chǎng)家。同時(shí)，細(xì)化焊材技術(shù)條件，穩(wěn)定焊材生產(chǎn)水平，提高焊材質(zhì)量管控，以保障全自動(dòng)焊成功應(yīng)用。

2.4  焊接設(shè)備方面

目前，管徑為1219 mm的全自動(dòng)焊接裝備數(shù)量最多。對(duì)于坡度較大地段，內(nèi)焊機(jī)行走過(guò)程中易打滑，容易發(fā)生危險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)內(nèi)焊機(jī)材料和部件的優(yōu)化和更換，以及調(diào)整外焊機(jī)工藝參數(shù)和焊槍傾角等，可以初步實(shí)現(xiàn)坡度30°以下的管道內(nèi)焊機(jī)全自動(dòng)焊接。我國(guó)關(guān)于銅襯墊內(nèi)對(duì)口器的研發(fā)起步較晚，目前設(shè)備可適應(yīng)管徑32 mm～1422 mm，可實(shí)現(xiàn)銅襯間的精準(zhǔn)組圓、快速無(wú)間隙管口組對(duì)及銅襯與鋼管內(nèi)壁的良好貼合，可用于平原、山地、丘陵、水網(wǎng)等不同施工環(huán)境。

2.5  焊接工藝評(píng)定方面

隨著全自動(dòng)焊接工藝的推廣應(yīng)用，焊接工藝評(píng)定要求逐步提高。在性能指標(biāo)上，針對(duì)X70和X80鋼管增加了焊縫金屬裂紋尖端張開(kāi)位移試驗(yàn)（CTOD）和全焊縫縱向拉伸試驗(yàn)，結(jié)合焊接接頭其他力學(xué)性能試驗(yàn)綜合評(píng)定焊接工藝，以保證現(xiàn)場(chǎng)全自動(dòng)焊環(huán)焊縫的優(yōu)良性能和質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.6  無(wú)損檢測(cè)方面

使用氣保護(hù)實(shí)心焊絲的全自動(dòng)焊接環(huán)焊縫缺欠多是未熔合和氣孔，宜選用全自動(dòng)超聲波 (AUT) 檢測(cè)方法。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，部分工程增加5%～20%不等的射線(xiàn)抽檢，保證各類(lèi)缺陷/缺欠檢出。

3  全自動(dòng)焊接工藝推廣應(yīng)用

3.1  大口徑管道工程應(yīng)用

中俄東線(xiàn)天然氣管道工程使用L555M級(jí)管線(xiàn)鋼，主要鋼管規(guī)格有管徑1219 mm/壁厚18.4 mm、22.0 mm、27.5 mm三種，以及管徑1422 mm/壁厚21.4 mm、25.7 mm、30.8 mm三種。中俄東線(xiàn)北段地形平坦且坡度＜10°，主線(xiàn)路采用全自動(dòng)焊接技術(shù)，焊接工藝為內(nèi)焊機(jī)根焊+實(shí)心焊絲雙焊炬自動(dòng)焊，其坡口形式如圖 3所示。隨后，中俄東線(xiàn)中段全線(xiàn)和南段也使用全自動(dòng)焊接工藝，使用范圍在坡度＜12°地段和通過(guò)斷裂帶地區(qū)。

從中俄東線(xiàn)施工經(jīng)驗(yàn)得出，限定實(shí)心焊絲生產(chǎn)廠(chǎng)家數(shù)量，可以保證環(huán)焊縫焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定性。中俄東線(xiàn)北段和中段根焊焊材強(qiáng)度級(jí)別對(duì)標(biāo)GB/T 8110―2008《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》G49A型；南段根焊采用GB/T 8110―2008 G55A實(shí)心焊絲，提高了根焊焊接材料強(qiáng)度級(jí)別，保障了環(huán)焊縫根焊部位的強(qiáng)度。

為了驗(yàn)證現(xiàn)有X80管線(xiàn)鋼焊接工藝評(píng)定的適用性和環(huán)焊縫質(zhì)量，分別從中俄東線(xiàn)北段和中段現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽選全自動(dòng)焊接焊口，開(kāi)展拉伸、彎曲、沖擊、刻槽、金相和硬度等力學(xué)和理化性能試驗(yàn)，結(jié)果全部滿(mǎn)足工程標(biāo)準(zhǔn)要求，為大口徑X80管線(xiàn)鋼全自動(dòng)焊接工藝大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.2  特殊地段工程應(yīng)用

中俄東線(xiàn)南段南通—甪直試驗(yàn)段于2021年開(kāi)工，沿線(xiàn)經(jīng)過(guò)水網(wǎng)地區(qū)，空氣濕度大、地下水位高、地表土質(zhì)承載力低、工程設(shè)備行走困難，加之部分地段施工受限，制約了內(nèi)焊機(jī)根焊全自動(dòng)焊接技術(shù)應(yīng)用。同時(shí)，軟地基條件下設(shè)備沉降及震動(dòng)對(duì)焊接質(zhì)量控制帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。針對(duì)水網(wǎng)地區(qū)進(jìn)行了銅襯墊自動(dòng)焊外根焊（雙焊炬和單焊炬）焊接工藝施工試驗(yàn)及成果驗(yàn)證。

試驗(yàn)管道管徑為1422 mm×32.1 mm，材質(zhì)為 L555M鋼。焊材為GB/T 8110―2008 G55A實(shí)心焊絲。對(duì)抽檢焊口進(jìn)行力學(xué)和理化性能試驗(yàn)，結(jié)果基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但還需對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，以提升其焊縫質(zhì)量穩(wěn)定性。

4  結(jié)語(yǔ)

總結(jié)中俄東線(xiàn)全自動(dòng)焊接技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于西氣東輸三線(xiàn)中段（中衛(wèi)—吉安）等一批新建項(xiàng)目能起到重要指導(dǎo)和借鑒作用，將有力保障和提升管道建設(shè)工程施工質(zhì)量水平。目前，對(duì)于坡度較大的山區(qū)和丘陵等特殊地段，由于焊接設(shè)備使用限制，大規(guī)模推廣使用全自動(dòng)焊接工藝還有一定難度。需要各方共同努力，通過(guò)更多特殊地段施工經(jīng)驗(yàn)積累和相關(guān)科研創(chuàng)新攻關(guān)，使全自動(dòng)焊接工藝更具普適性。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：白芳，1985年生，副教授，畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料物理專(zhuān)業(yè)，博士。主要從事油氣長(zhǎng)輸管道工程管材和焊接設(shè)計(jì)。聯(lián)系方式：17530093895，bf851218@163.com。