葛華

國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司

摘  要：鑒于山區(qū)管道環(huán)境特點和全自動焊的質(zhì)量、效率優(yōu)勢，廣泛了解國內(nèi)外焊接技術(shù)現(xiàn)狀，開展了內(nèi)（外）焊機研發(fā)、適應(yīng)性設(shè)計研究、焊接質(zhì)量控制和施工技術(shù)研究，通過試驗和實踐認(rèn)證，形成一套適用于山區(qū)管道的全位置自動焊接技術(shù)。

關(guān)鍵詞：山區(qū)管道；溝下；全位置；自動焊

我國地形總體呈現(xiàn)西高東低的三級臺階，山區(qū)包含山地、丘陵分布地區(qū)和崎嶇高原，占國土面積三分之二。隨著國民經(jīng)濟(jì)對油氣資源需求的持續(xù)增長，高鋼級、大口徑的山區(qū)管道占比越來越大。無論是東西走向的中緬管道，還是南北走向的中貴管道，山區(qū)管道占比達(dá)70%，中緬管道坡度≤ 25°的管段占比達(dá)90%。

目前，國內(nèi)外大口徑管道在平原地區(qū)已實現(xiàn)全自動焊接大流水施工，中俄東線采用全自動焊和組合自動焊。全自動焊是指內(nèi)焊機+外焊機組合的自動焊工藝。組合自動焊工藝是指手工或半自動方法完成根焊，外焊機自動焊完成填充和蓋面焊。全自動焊接大流水施工技術(shù)優(yōu)勢在于：焊接工藝參數(shù)易控制、焊接過程穩(wěn)定、焊縫力學(xué)性能優(yōu)良，焊口質(zhì)量易保證，焊接效率高。其主要使用條件：管道坡度不大于12°、土質(zhì)管溝、施工作業(yè)面大、施工斷點少。

山區(qū)管道不同于平原管道，具有起伏頻繁、坡度大、坡長面窄、土層薄、石方多、彎頭多、施工斷點多等特點，嚴(yán)重約束了現(xiàn)有的全自動焊接技術(shù)使用。山區(qū)管道使用手工焊和半自動焊，施工效率低，管理難度大，焊口質(zhì)量不易保障。據(jù)了解，正在開展的中緬天然氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量排查結(jié)果顯示，缺陷焊口仍然占一定比例。

為適應(yīng)油氣管網(wǎng)建設(shè)需求，在已實現(xiàn)平緩地帶管道全自動焊的基礎(chǔ)上，通過創(chuàng)新和技術(shù)突破，實現(xiàn)山區(qū)管道自動焊焊接，獲得高質(zhì)量的管道焊口，發(fā)展山區(qū)管道全位置自動焊接技術(shù)是非常必要的。

1  山區(qū)管道全自動焊接主要技術(shù)

根據(jù)山區(qū)管道環(huán)境條件的復(fù)雜性，全位置自動焊按坡度劃分為：管道縱向坡度不大于25°溝下全自動焊接技術(shù)和大坡度全自動焊接技術(shù) 。

1.1  管道縱向坡度不大于25°溝下全自動焊接技術(shù)

管溝成型后，在管溝內(nèi)采用內(nèi)焊機+雙焊炬外焊機，實現(xiàn)管道縱向坡度25°且?guī)в星�率半�?D熱煨彎管的管道焊口全自動焊接流水作業(yè)。 主要涉及到內(nèi)焊機研發(fā)、限坡度設(shè)計、作業(yè)帶設(shè)計、施工機具適應(yīng)性技改、溝下流水作業(yè)施工技術(shù)等。 

（1）內(nèi)焊機研發(fā)。現(xiàn)有工程使用的內(nèi)焊機（圖 1）適應(yīng)12°的縱向坡度和曲率半徑為40D的冷彎管。不能適應(yīng)山區(qū)管道溝下全自動焊接，需進(jìn)行山區(qū)內(nèi)焊機研發(fā)。 研制的山區(qū)用內(nèi)焊機（圖 2），從結(jié)構(gòu)、動力、制動等方面突破了爬坡能力和過彎能力（能通過6D熱彎、爬坡25°），解決了不大于25°的山區(qū)地形內(nèi)焊機能力的適用性。 

（2）線路設(shè)計。通過路由選擇和線路縱斷面設(shè)計控制管道縱向坡度為不大于25°，同時減少施工斷點，為溝下全自動焊接流水作業(yè)創(chuàng)造條件。 通過管線作業(yè)帶寬度、坡度和地耐力、截排水、水工保護(hù)設(shè)計，為管道溝下全自動焊接提供施工條件。 

（3）施工機具技改。BGY60山地布管機是管道山地施工過程中運管、布管、對口等專用設(shè)備，適應(yīng)海拔高度為3000 m以下，自重44 t、履帶板寬度600 mm、設(shè)計最大爬坡能力30°。為增加設(shè)備穩(wěn)定性和爬坡能力，加裝了輔助履帶助推裝置，提高設(shè)備的山地施工性能（圖 3）。

（4）移動電站改造。技術(shù)方案如下：①增加發(fā)動機功率。發(fā)動機采用不低于國III及以上排放標(biāo)準(zhǔn)，水冷6～8缸、電控高壓共軌、渦輪增壓、在1500 r/min時功率不小于149 kW、設(shè)備在35°斜坡運行時發(fā)動機燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及設(shè)備其他部件液壓系統(tǒng)正常工作；②增加坡道駐車裝置、增加履帶寬度不小于600 mm、采用全液壓驅(qū)動；③前后端安裝牽引鉤（牽引強度要大于設(shè)備自重），設(shè)備前端安裝卷揚機，后端預(yù)留安裝卷揚機位置及安裝孔等，卷揚機為液壓驅(qū)動，具備自鎖、自救功能、牽引力不小于8 t、鋼絲繩的長度不低于30 m，達(dá)到爬坡能力不小于25°、牽引爬坡能力不小于35°；④吊臂采用折疊臂360°(全回轉(zhuǎn))、起重量不小于6.3 t、最大工作幅度不小于8 m、最大工作幅度起重量不小于1.2 t、不側(cè)向偏轉(zhuǎn)設(shè)計； ⑤配置電流、電壓、頻率穩(wěn)壓裝置。見圖 4。

（5）機械防腐車。集拋丸除銹、中頻加熱和紅外線加熱于一體，增加坡道駐車裝置，可實現(xiàn)坡度≤ 25°防腐補口作業(yè)。 

（6）焊接施工方案。管溝成型后，在管溝內(nèi)采用內(nèi)焊機+雙焊炬外焊機開展全自動焊接流水作業(yè)。根據(jù)內(nèi)焊機焊前準(zhǔn)備和焊接時間，配置雙焊炬外焊機數(shù)量，實現(xiàn)溝下全自動焊流水作業(yè)。挖掘機掃線并完成作業(yè)帶整理和碾壓，形成有5 km左右的連續(xù)焊接作業(yè)面。機械開挖管溝和焊坑；吊管機進(jìn)行布管和組對；移動電站提供焊接電源；內(nèi)焊機進(jìn)行對口和根焊；雙焊炬自動焊機進(jìn)行填充和蓋面焊接；AUT無損檢測；機械防腐補口；水工砌筑和管溝回填。

1.2  大坡度全自動焊接技術(shù)

采用自適應(yīng)單焊炬自動焊機與內(nèi)（外）對口器協(xié)同作業(yè)，可實現(xiàn)管道大坡度焊口和連頭口全自動焊接。 主要涉及外焊機和內(nèi)對口器研發(fā)、焊接工藝及焊接接頭質(zhì)量控制等。 

自適應(yīng)自動焊機可實現(xiàn)管道大坡度焊口和連頭口“根焊―填充―蓋面”全自動焊接。研制的山區(qū)管道內(nèi)對口器，可適用于坡度40°的焊口內(nèi)對口，并能通過曲率半徑為6D的熱煨彎管。研制了外對口器，配合單焊炬自動焊，適用于內(nèi)焊機或內(nèi)對口器不能使用的環(huán)境。

陡坡段焊接施工采用單焊炬自動焊工藝。配置一個工作站的機組施工。 方案一采用輕軌或者索道布管，逐根管道組對焊接（作業(yè)帶允許的情況下，也可采用之字形道路，搭設(shè)施工平臺）；方案二可采用自動焊預(yù)制，吊裝到位，該方案適用于短陡坡地段（圖 5）。

1.3  焊接工藝

研究6G位置單焊炬外焊機單面焊雙面成型的根焊技術(shù)，和單焊炬外焊機氣保護(hù)藥芯焊絲下向焊填充、蓋面焊技術(shù)，可使用金屬粉芯焊絲、實心焊絲以及氣保護(hù)藥芯焊絲，適用于溝下、山區(qū)等各類地形的焊接。

研究管道縱向坡度不大于25°的內(nèi)焊機+雙焊炬全自動焊技術(shù)，匹配實心焊絲或者金屬粉芯焊絲進(jìn)行根焊和填蓋焊接，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，可適應(yīng)不大于25°坡度的自動焊焊接。

1.4  焊口質(zhì)量控制

在現(xiàn)有焊接工藝評定和質(zhì)量控制要求外，補充以下內(nèi)容。

（1）焊接接頭未熔合控制。研究熱輸入、擺寬、邊緣停留時間、擺動速度等工藝參數(shù)對未熔合的影響規(guī)律，根焊層、熱焊層及填充層中對未熔合影響因素主次為：熱輸入＞擺寬＞邊緣停留時間；熱輸入及擺寬偏小，表現(xiàn)為上下坡口連續(xù)未熔合缺陷；停留時間偏小表現(xiàn)為有規(guī)律間斷未熔合缺陷，擺動速度偏下表現(xiàn)為“冷溶”現(xiàn)象及下坡口單邊未熔合缺陷，而擺動速度是克服重力對熔池影響，維持熔池形態(tài)的最重要參數(shù)；通過適當(dāng)增加熱輸入、邊緣停留時間和擺動速度可有效降低未熔合缺陷。

（2）焊接接頭微觀組織和斷裂韌性。通過對自動焊焊接接頭進(jìn)行RT檢測、組織觀察、拉伸、彎曲、﹣20℃夏比沖擊及CTOD系列試驗，結(jié)果表明優(yōu)化后的焊接工藝合格，接頭綜合性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，內(nèi)焊機根焊接頭斷裂韌性優(yōu)于外焊機根焊。試驗過程中，存在沖擊試驗合格而CTOD試驗不合格的情況，建議在焊接工藝評定中增加CTOD試驗以充分評價焊接接頭韌性。

（3）焊接接頭缺陷容限分析與工程臨界評估。通過大量的焊接接頭性能試驗，得到強度、斷裂韌性等試驗數(shù)據(jù)，繪制ECA研究所需的FAD圖。參照BS 7910《金屬結(jié)構(gòu)缺陷驗收評定方法導(dǎo)則》推薦的缺陷評定相關(guān)計算公式編制用于X70管道焊接接頭缺陷容限尺寸計算的C語言程序，從而完成了可放寬缺陷容限驗收標(biāo)準(zhǔn)的ECA分析，制定了工程臨界評估企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）焊接接頭殘余應(yīng)力與致裂邊界條件。使用有限元模擬與試驗相結(jié)合的方法，揭示了坡度及組對應(yīng)力對長輸管道連頭口焊接殘余應(yīng)力的影響，得出長輸管道焊接連頭口上坡口根焊HAZ距焊縫中心2.5～5.5 mm處殘余應(yīng)力較大，該區(qū)域為危險區(qū)域。使用數(shù)值模擬及C語言編程，根據(jù)彈塑性變形公式，得到在上坡口根焊HAZ區(qū)2.5～5.5mm以及蓋面焊HAZ區(qū)5.0 mm～7.5 mm處在焊接過程中及焊后極易開裂結(jié)論。

2  試驗

在試驗場地和焊接工作臺對山區(qū)管道全位置自動焊技術(shù)的裝備性能、焊接工藝和施工工序等進(jìn)行試驗。

大坡度管道焊口和連頭口的焊接試驗在焊接工作臺進(jìn)行。坡度45°，采用單焊炬外焊機單面焊雙面成型的根焊技術(shù)，單焊炬外焊機氣保護(hù)藥芯焊絲下向焊填充、蓋面焊技術(shù)。試驗效果：焊口成型質(zhì)量好、沖擊韌性好，焊接效率高（表 1、表 2、表 3）。進(jìn)行25°縱坡的場地試驗，驗證了布管機、焊接工程車、機械防腐等性能。

3  結(jié)論

通過對設(shè)計方法、裝備研發(fā)、焊接工藝、施工技術(shù)等研究和實踐，山區(qū)管道全位置自動焊技術(shù)可在管道坡度25°及以下的焊口實現(xiàn)內(nèi)焊機+雙焊炬外焊機自動焊溝下流水作業(yè)，在管道坡度大于25°和連頭以及特殊地段的焊口實現(xiàn)單焊炬外焊機自動焊作業(yè)，完全實現(xiàn)山區(qū)管道所有焊口全自動焊接。

作者簡介：葛華，國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道公司技術(shù)專家，高級工程師。1985年畢業(yè)于華東石油學(xué)院儲運專業(yè)，大學(xué)本科。畢業(yè)后從事管道工程設(shè)計工作27年，完成大天池構(gòu)造帶地面集輸工程等40余項，榮獲2004年國家工程設(shè)計金獎等多項獎勵。2012年調(diào)入西南管道公司，完成中緬油氣管道工程建設(shè)監(jiān)管，現(xiàn)主要擔(dān)任工程技術(shù)管理和科研工作。聯(lián)系方式：18085810801，1581362180@qq.com。