白芳 鐘桂香

中國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(zhù)優(yōu)勢，在油氣管道工程建設中逐步成為焊接施工的主導技術(shù)�？偨Y了常用的幾種全自動(dòng)焊接工藝，從設計、鋼管原材、焊接材料、焊接設備以及無(wú)損檢測等方面分析了全自動(dòng)焊接應用保障措施。以工程應用案例，為推廣全自動(dòng)焊接工藝的普適性應用提供經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)焊；焊接工藝；中俄東線(xiàn)；大口徑管道；長(cháng)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)境適應能力等因素限制，已無(wú)法滿(mǎn)足管道工程建設對質(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)管道設計系數0.8的地段。中靖聯(lián)絡(luò )線(xiàn)和陜京四線(xiàn)開(kāi)始大規模推廣應用自動(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)焊接工藝應用比例達到了68.8%。中俄東線(xiàn)天然氣管道工程開(kāi)啟全自動(dòng)焊接工藝應用里程碑，其使用比例占90%以上[1-2]。隨著(zhù)全自動(dòng)焊技術(shù)應用普及，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)

內焊機根焊+外焊機自動(dòng)焊技術(shù)。采用多焊炬內焊機進(jìn)行組對和根焊，外焊機自動(dòng)焊進(jìn)行熱焊、填充和蓋面焊。自動(dòng)焊機組整體效率較高，但由于內焊機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)路焊接段的連續焊接。

銅襯墊內對口器+外焊自動(dòng)焊技術(shù)。采用銅襯墊技術(shù)實(shí)現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。

外焊機自動(dòng)根焊+單焊炬外焊機填充蓋面技術(shù)。采用外焊機根焊，單焊炬外焊機熱焊、填充和蓋面。焊接設備配置簡(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)現大流水作業(yè)的一般地段連續施工，特殊地段預制或連續施工，以及連頭段施工。

2  全自動(dòng)焊接應用保障措施

2.1  設計方面

使用內焊機全自動(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。管道轉向的設計可以采用彈性敷設代替冷彎彎管、多個(gè)冷彎彎管代替熱煨彎管的方式，為全自動(dòng)焊接工藝應用提供“便利”。穿越三級、四級及以下等級公路，使用組裝式蓋板涵代替套管；穿越鄉村道路采用提前“下臥預埋”的敷設方式 ，以滿(mǎn)足連續焊接要求[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，我國高鋼級管道的成分要求基于A(yíng)PI Spec 5L《管線(xiàn)鋼管規范》，不同廠(chǎng)家制造的鋼板及鋼管合金元素差異較大，對焊接質(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，對管材合金成分進(jìn)行了嚴格限定。如要求X80級鋼管碳含量降低至0.07 %，碳當量降低至0.22 %，對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)范圍前后對比情況

（2）強度區間限定。國內外研究表明，實(shí)現環(huán)焊縫以及熱影響區與母材屈服強度的高強匹配，可避免接頭應力應變集中，是保證接頭完整性、解決高鋼級管道安全風(fēng)險的根本途徑[5]。因此，通過(guò)限定鋼管屈服強度上限值、縮窄屈服強度波動(dòng)范圍等手段，實(shí)現環(huán)焊縫與母材高強匹配目的。相關(guān)企業(yè)或工程標準對鋼管屈服強度區間限定較為嚴格，如法國燃氣和殼牌，不同鋼級鋼管屈服強度統一規定為120 MPa。統計制管廠(chǎng)家提供的L555M級鋼管屈服強度，限定為120 MPa的達到98%以上。

（3）鋼管管端坡口加工。全自動(dòng)焊接對坡口尺寸和組對精度的容錯能力較差，容易引發(fā)坡口壁的未熔合。因此，在工程設計中對鋼管管端不圓度和周長(cháng)差提高標準要求，便于現場(chǎng)組對焊接，控制錯邊，提高全自動(dòng)焊接效率和質(zhì)量。經(jīng)統計3456個(gè)中俄東線(xiàn)（管徑1219 mm×22.0 mm ）L555M級鋼管，其管端不圓度偏差全部滿(mǎn)足設計文件要求的0.5%D；管端周長(cháng)差為0～3 mm的占全部統計試樣的99.8%（圖 2）。同時(shí)為了提高現場(chǎng)組對效率和組對精度，對鋼管管端周長(cháng)差進(jìn)行分級，環(huán)焊縫兩側選用同一類(lèi)周長(cháng)范圍進(jìn)行極配和鋼管組對焊接。這些控制要求在國際上也處于領(lǐng)先水平。

圖 2 中俄東線(xiàn)用鋼管管端尺寸統計

（4）鋼管管端坡口。不等壁厚對接焊口是焊接工程質(zhì)量的最薄弱環(huán)節。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孔錐型坡口，使其成為等壁厚對接，減小應力集中。中俄東線(xiàn)南段首次在直管對直管不等壁厚對接處也采用內錐孔型坡口。通過(guò)內錐孔型坡口加工工藝技術(shù)、嚴格的坡口表面檢測和過(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)焊接工藝評定優(yōu)選焊材，并且限定同一工程焊材采購廠(chǎng)家。同時(shí)，細化焊材技術(shù)條件，穩定焊材生產(chǎn)水平，提高焊材質(zhì)量管控，以保障全自動(dòng)焊成功應用。

2.4  焊接設備方面

目前，管徑為1219 mm的全自動(dòng)焊接裝備數量最多。對于坡度較大地段，內焊機行走過(guò)程中易打滑，容易發(fā)生危險。通過(guò)對內焊機材料和部件的優(yōu)化和更換，以及調整外焊機工藝參數和焊槍傾角等，可以初步實(shí)現坡度30°以下的管道內焊機全自動(dòng)焊接。我國關(guān)于銅襯墊內對口器的研發(fā)起步較晚，目前設備可適應管徑32 mm～1422 mm，可實(shí)現銅襯間的精準組圓、快速無(wú)間隙管口組對及銅襯與鋼管內壁的良好貼合，可用于平原、山地、丘陵、水網(wǎng)等不同施工環(huán)境。

2.5  焊接工藝評定方面

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

2.6  無(wú)損檢測方面

使用氣保護實(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) 檢測方法。根據標準規范要求，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)焊接工藝推廣應用

3.1  大口徑管道工程應用

中俄東線(xiàn)天然氣管道工程使用L555M級管線(xiàn)鋼，主要鋼管規格有管徑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)，焊接工藝為內焊機根焊+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。

從中俄東線(xiàn)施工經(jīng)驗得出，限定實(shí)心焊絲生產(chǎn)廠(chǎng)家數量，可以保證環(huán)焊縫焊接接頭質(zhì)量穩定性。中俄東線(xiàn)北段和中段根焊焊材強度級別對標GB/T 8110―2008《氣體保護電弧焊用碳鋼、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度級別，保障了環(huán)焊縫根焊部位的強度。

為了驗證現有X80管線(xiàn)鋼焊接工藝評定的適用性和環(huán)焊縫質(zhì)量，分別從中俄東線(xiàn)北段和中段現場(chǎng)隨機抽選全自動(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，結果全部滿(mǎn)足工程標準要求，為大口徑X80管線(xiàn)鋼全自動(dòng)焊接工藝大規模推廣應用奠定了基礎。

3.2  特殊地段工程應用

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

試驗管道管徑為1422 mm×32.1 mm，材質(zhì)為 L555M鋼。焊材為GB/T 8110―2008 G55A實(shí)心焊絲。對抽檢焊口進(jìn)行力學(xué)和理化性能試驗，結果基本滿(mǎn)足設計要求，但還需對焊接工藝參數進(jìn)一步優(yōu)化，以提升其焊縫質(zhì)量穩定性。

4  結語(yǔ)

總結中俄東線(xiàn)全自動(dòng)焊接技術(shù)應用經(jīng)驗，對于西氣東輸三線(xiàn)中段（中衛—吉安）等一批新建項目能起到重要指導和借鑒作用，將有力保障和提升管道建設工程施工質(zhì)量水平。目前，對于坡度較大的山區和丘陵等特殊地段，由于焊接設備使用限制，大規模推廣使用全自動(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：

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[2]張小強，蔣慶梅，谷青悅，王琴.銅襯墊自動(dòng)焊在小口徑管道工程上的應用[J].焊接技術(shù)，2020，49(09)：160-162.

[3]隋永莉.新一代大輸量管道建設環(huán)焊縫自動(dòng)焊工藝研究與技術(shù)進(jìn)展[J].焊管，2019，42(7)：83-89.

[4]張振永.高鋼級大口徑天然氣管道環(huán)焊縫安全提升設計關(guān)鍵[J].油氣儲運，2020，39(07)：740-748.

[5]陳小偉，張對紅，王旭.油氣管道環(huán)焊縫面臨的主要問(wèn)題及應對措施[J].油氣儲運，2021，40(09)：1072-1080.

[6]張小強，蔣慶梅，詹勝文，谷青悅，金鑫，王琴.針對中俄東線(xiàn)高鋼級大口徑輸氣管道自動(dòng)焊的設計提升[J].天然氣工業(yè)，2020，40(10)：126-132.

 

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(cháng)輸管道工程管材和焊接設計。聯(lián)系方式：17530093895，bf851218@163.com。