白芳 鐘桂香

中國石油天然氣管道工程有限公司

 

摘要：全自動焊接由于其焊接質(zhì)量好、效率高等顯著優(yōu)勢，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焊接工藝，從設(shè)計、鋼管原材、焊接材料、焊接設(shè)備以及無損檢測等方面分析了全自動焊接應(yīng)用保障措施。以工程應(yīng)用案例，為推廣全自動焊接工藝的普適性應(yīng)用提供經(jīng)驗借鑒。

關(guān)鍵詞：全自動焊；焊接工藝；中俄東線；大口徑管道；長輸管道

 

手工焊、半自動焊因受到焊接速度、焊接質(zhì)量、環(huán)境適應(yīng)能力等因素限制，已無法滿足管道工程建設(shè)對質(zhì)量和進(jìn)度不斷提高的需要。最初推廣使用自動焊接工藝，主要在地勢平坦、地形坡度起伏較小的西氣東輸二線西段，以及西氣東輸三線管道設(shè)計系數(shù)0.8的地段。中靖聯(lián)絡(luò)線和陜京四線開始大規(guī)模推廣應(yīng)用自動焊接工藝，主要在荒漠、戈壁和平原地段。到中俄原油管道二期工程，自動焊接工藝應(yīng)用比例達(dá)到了68.8%。中俄東線天然氣管道工程開啟全自動焊接工藝應(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  全自動焊接常用技術(shù)

內(nèi)焊機(jī)根焊+外焊機(jī)自動焊技術(shù)。采用多焊炬內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行組對和根焊，外焊機(jī)自動焊進(jìn)行熱焊、填充和蓋面焊。自動焊機(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、戈壁等主線路焊接段的連續(xù)焊接。

銅襯墊內(nèi)對口器+外焊自動焊技術(shù)。采用銅襯墊技術(shù)實現(xiàn)根焊單面焊接雙面成形。在進(jìn)行單面焊接時，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(jī)自動根焊+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)備配置簡單靈活，便于組織施工，施工成本較低。可用于障礙物較多、不能實現(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  全自動焊接應(yīng)用保障措施

2.1  設(shè)計方面

使用內(nèi)焊機(jī)全自動焊接工藝的流水作業(yè)容易受線路斷點的影響，如連頭段、穿跨越段等。需要對線路走向進(jìn)行優(yōu)化，確定大型河流穿跨越、隧道穿越等重點控制性工程位置。管道轉(zhuǎn)向的設(shè)計可以采用彈性敷設(shè)代替冷彎彎管、多個冷彎彎管代替熱煨彎管的方式，為全自動焊接工藝應(yīng)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(xiāng)村道路采用提前“下臥預(yù)埋”的敷設(shè)方式 ，以滿足連續(xù)焊接要求[4]。

2.2  鋼管原材方面

（1）鋼管化學(xué)成分。在全自動焊接工藝全面推廣之前，我國高鋼級管道的成分要求基于API Spec 5L《管線鋼管規(guī)范》，不同廠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(yán)格限定。如要求X80級鋼管碳含量降低至0.07 %，碳當(dāng)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合金元素含量波動范圍前后對比情況

（2）強(qiáng)度區(qū)間限定。國內(nèi)外研究表明，實現(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、解決高鋼級管道安全風(fēng)險的根本途徑[5]。因此，通過限定鋼管屈服強(qiáng)度上限值、縮窄屈服強(qiáng)度波動范圍等手段，實現(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)對鋼管屈服強(qiáng)度區(qū)間限定較為嚴(yán)格，如法國燃?xì)夂蜌づ疲�不同鋼級鋼管屈服�?qiáng)度統(tǒng)一規(guī)定為120 MPa。統(tǒng)計制管廠家提供的L555M級鋼管屈服強(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(shè)計中對鋼管管端不圓度和周長差提高標(biāo)準(zhǔn)要求，便于現(xiàn)場組對焊接，控制錯邊，提高全自動焊接效率和質(zhì)量。經(jīng)統(tǒng)計3456個中俄東線（管徑1219 mm×22.0 mm ）L555M級鋼管，其管端不圓度偏差全部滿足設(shè)計文件要求的0.5%D；管端周長差為0～3 mm的占全部統(tǒng)計試樣的99.8%（圖 2）。同時為了提高現(xiàn)場組對效率和組對精度，對鋼管管端周長差進(jìn)行分級，環(huán)焊縫兩側(cè)選用同一類周長范圍進(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 中俄東線用鋼管管端尺寸統(tǒng)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(jié)。為消除其不利影響，從中俄東線北段開始，在彎管、管件不等壁厚連接處采用內(nèi)孔錐型坡口，使其成為等壁厚對接，減小應(yīng)力集中。中俄東線南段首次在直管對直管不等壁厚對接處也采用內(nèi)錐孔型坡口。通過內(nèi)錐孔型坡口加工工藝技術(shù)、嚴(yán)格的坡口表面檢測和過程質(zhì)量管控，中俄東線天然氣管道全自動焊環(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焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過焊接工藝評定優(yōu)選焊材，并且限定同一工程焊材采購廠家。同時，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的全自動焊接裝備數(shù)量最多。對于坡度較大地段，內(nèi)焊機(jī)行走過程中易打滑，容易發(fā)生危險。通過對內(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，可以初步實現(xiàn)坡度30°以下的管道內(nèi)焊機(jī)全自動焊接。我國關(guān)于銅襯墊內(nèi)對口器的研發(fā)起步較晚，目前設(shè)備可適應(yīng)管徑32 mm～1422 mm，可實現(xiàn)銅襯間的精準(zhǔn)組圓、快速無間隙管口組對及銅襯與鋼管內(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  焊接工藝評定方面

隨著全自動焊接工藝的推廣應(yīng)用，焊接工藝評定要求逐步提高。在性能指標(biāo)上，針對X70和X80鋼管增加了焊縫金屬裂紋尖端張開位移試驗（CTOD）和全焊縫縱向拉伸試驗，結(jié)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(xiàn)場全自動焊環(huán)焊縫的優(yōu)良性能和質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

2.6  無損檢測方面

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

3  全自動焊接工藝推廣應(yīng)用

3.1  大口徑管道工程應(yīng)用

中俄東線天然氣管道工程使用L555M級管線鋼，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。中俄東線北段地形平坦且坡度＜10°，主線路采用全自動焊接技術(shù)，焊接工藝為內(nèi)焊機(jī)根焊+實心焊絲雙焊炬自動焊，其坡口形式如圖 3所示。隨后，中俄東線中段全線和南段也使用全自動焊接工藝，使用范圍在坡度＜12°地段和通過斷裂帶地區(qū)。

從中俄東線施工經(jīng)驗得出，限定實心焊絲生產(chǎn)廠家數(shù)量，可以保證環(huán)焊縫焊接接頭質(zhì)量穩(wěn)定性。中俄東線北段和中段根焊焊材強(qiáng)度級別對標(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實心焊絲，提高了根焊焊接材料強(qiáng)度級別，保障了環(huán)焊縫根焊部位的強(qiáng)度。

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

3.2  特殊地段工程應(yīng)用

中俄東線南段南通—甪直試驗段于2021年開工，沿線經(jīng)過水網(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)根焊全自動焊接技術(shù)應(yīng)用。同時，軟地基條件下設(shè)備沉降及震動對焊接質(zhì)量控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。針對水網(wǎng)地區(qū)進(jìn)行了銅襯墊自動焊外根焊（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實心焊絲。對抽檢焊口進(jìn)行力學(xué)和理化性能試驗，結(jié)果基本滿足設(shè)計要求，但還需對焊接工藝參數(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

總結(jié)中俄東線全自動焊接技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗，對于西氣東輸三線中段（中衛(wèi)—吉安）等一批新建項目能起到重要指導(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)模推廣使用全自動焊接工藝還有一定難度。需要各方共同努力，通過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)，使全自動焊接工藝更具普適性。

 

參考文獻(xiàn)：

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[2]張小強(qiáng)，蔣慶梅，谷青悅，王琴.銅襯墊自動焊在小口徑管道工程上的應(yīng)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(shè)環(huán)焊縫自動焊工藝研究與技術(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(shè)計關(guān)鍵[J].油氣儲運(yùn)，2020，39(07)：740-748.

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

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

 

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