长输油气管道全自动焊技术及施工应用

＊王军强 秦红斌 叶威

（中国石油天然气第一建设有限公司 河南 471023）

1.长输油气管道自动焊的特点

随着我国石油天然气需求的增长速度越来越快，油气管道更多的使用长距离、大口径、高钢级的厚壁管，全自动焊接技术也迎来了快速发展的阶段，相关技术研究及应用效果都取得了比较好的成绩。相比传统的手工焊或半自动焊方式，管道全自动焊的主要特点有：焊接质量好、成形美观、效率高、劳动强度低等，是一种非常实用的先进技术。

2.常见焊接方法及工艺

(1)常见全自动焊接方法

①熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊分为实芯焊丝、药芯焊丝和金属粉芯焊丝。实芯焊丝焊渣少，但抗风能力弱，飞溅大；药芯焊丝焊接合格率高，熔敷速度更快，焊接工艺性能及成形较好，适用性更广，但熔敷系数相对较低，容易产生气孔等缺陷；金属粉芯焊丝由钢带和金属粉药芯组成，焊接工艺性能和力学性能好，速度快，焊缝成形好，飞溅少，保存条件要求干燥、密闭。

②埋弧自动焊。埋弧自动焊是指焊丝在焊剂覆盖下的焊道内完成电弧焊接的方法，有单丝和多丝之分。优点有：设备投资较小、焊接质量稳定、生产效率高、粉尘少、无弧光伤害等。在长输管道焊接时，使用双联管预制作业方式，可以有效减少现场焊接作业的工程量，节省人力并缩短施工周期。

③闪光对焊。闪光对焊是指焊口两侧在低电压、强电流作用下产生的强光及火花使焊道瞬间达到高温，挤压焊接成形。优点是：焊接质量好、效率高、天气适应能力强、经济成本较低。缺点是：对供电系统要求极高，焊后管子内外表面毛刺较多，焊缝无损检测困难，国内应用较少。

④其它焊接方法。其它焊接方法还有：自保护药芯焊丝自动焊、等离子焊、激光-电弧复合焊等。自保护药芯焊丝全自动焊：具有抗风能力强、适合户外作业等特点，该焊丝目前多用于半自动焊接。等离子焊：以等离子弧产生的高温来完成熔焊的方法，具有高熔深、焊接效率高、单面焊双面成形好、变形小等特点。激光-电弧复合焊：是一种具有高焊速、深熔透、焊缝深宽比大、变形小等特点的焊接方法，它同时具备激光焊与电弧焊的优势。这几种焊接方法在长输管道应用上还不够成熟，需进一步改进。

(2)主要全自动焊接工艺及设备

①内焊机根焊+外焊机填盖。内焊机完成管道对口与根焊焊接，单焊炬单丝外焊机进行热焊，双焊炬（或单焊炬）单丝（或双丝）外焊机填充与盖面焊。优势是操作方便，焊接速度快，成形美观，一次焊接合格率高。缺点是设备复杂，一次设备投资极高，维修保养要求高，适合起伏相对平缓的地势。双焊炬焊接效率更高且运用更广，但要避免后枪在焊接时发生未熔合。典型焊接设备配置见表1：

表1 内焊机根焊+外焊机填盖焊工艺典型焊接设备配置

②外焊机根焊及填充盖面焊。内对口器完成管口组对，单焊炬单丝外焊机进行根焊，单焊炬单丝外焊机进行热焊，单焊炬单丝（或双丝）外焊机填充与盖面焊。优点是：焊缝强度高，使用可靠，易维修，焊接合格率较高，速度较快。缺点是：对焊缝坡口的尺寸、间隙及错边量要求很高，焊接防风要求高。此种工艺采用的是单面焊双面成型的根焊方式，需要注意气孔、未熔合或烧穿等情况的发生。常见设备配置：内焊机CRC-M300C或PWT-CWS.02NRT，外焊机CRC-P600/P625或RMS-MOW-1。

③带铜衬垫外焊机自动焊。安装铜衬垫的内对口器进行焊缝组对，由外焊机完成根焊，背面强迫成型，由单焊炬外焊机进行热焊，单焊炬（或双焊炬）外焊机完成填充与盖面焊接。优点是：焊接质量相对较好，工效高，设备采购及维护成本较低。缺点是：对焊工要求高，管口圆度不满足要求时易在管内产生焊瘤，用短弧根焊时容易产生铜污染。

(3)焊接工艺对比及选择

由于自动焊设备价格相对比较高，为了获得理想的使用效果，必须要针对工程的特点和实际需求，选用合适的焊接工艺及设备，避免过度配置，在保障管线焊接质量的条件下提高焊接效率。对于管径在1016mm及以上的长输管道施工，可以配置坡口机、全自动管道内焊机、双焊炬外焊机等成套焊接设备，采用内焊机根焊和双焊炬外焊机填充盖面焊的工艺；对于管径在508～813mm之间的长输管道线路施工，可以采用外焊机根焊和双焊炬外焊机填盖焊的自动焊工艺；对管径较小，强度等级低的管线，也可以适当简化设备配置，采用半自动焊根焊、全自动填盖焊接等焊接工艺相结合的方式，以减轻设备投入压力，提高焊接效率和经济效益。另外，可以在施工现场附近每隔一段距离设置预制场，采用埋弧自动焊技术进行“管道二接一”的焊接预制工作，起到提升施工效率和节省人力成本的作用。

3.焊接技术要求

（1）焊前准备。焊接前要核对焊接材料型号，认真检查钢管周长差及钢管内外表面坡口两侧的缺陷，对划痕或凹坑深度超过标准值的缺陷进行必要处理。坡口两侧应采用机械清理的方法显现出管道的金属光泽，坡口上附着的油污等杂物也要及时清除干净。当作业现场的环境温度、风速及湿度等不满足要求时，要做好有针对性的防护措施或者暂停焊接作业任务。

（2）焊接坡口。坡口加工要根据管道焊接对应的焊接工艺规程选择合适的坡口型式、角度和尺寸，并按照其要求严格执行，不等壁厚坡口要进行坡口过渡或内削边处理。坡口内外表面应平滑，无毛刺、划痕或分层，坡口加工的好坏会影响后续焊接的质量。坡口加工后宜当日完成施焊。

（3）管口组对。全自动焊工艺的管道对口一般采用适合的内对口器，或者直接使用内焊机。组对前要查看管内无杂物。管道组对时禁止重物敲击，不能在管道上产生划痕。管道组对的对口间隙和错边量等均要符合相关规定。管口组对后，不要立即撤离对口器，要防止根部焊道出现开裂风险。

（4）焊接预热。管道焊接过程中要做好预热工作，使焊缝两侧50mm范围内的焊前预热温度和焊道的层间温度满足相关规定和要求。可以通过火焰、电或电磁感应进行加热，加热过程的温度要均匀。当焊缝温度降至不满足要求的时候，要再次进行加热。当环境低于零下5℃时，不宜采用火焰加热，要做好管道焊缝的层间保温和焊后缓冷。

（5）焊接。管道自动焊焊接过程包括：根焊、热焊、填充和盖面焊。焊接过程要使用专用卡具将地线牢靠的固定在坡口处，避免接触不良而发生电火花损伤管壁，焊接引弧的地方也要避开钢管表面。使用内焊机进行根焊时，管道两端不能敞口，避免因气流因素影响导致出现焊接质量问题。在根焊完成后需要立刻安排热焊工序。采用外焊机下向焊时，待第一台焊接小车从管顶起弧焊接至3点钟或9点钟方位后，另一台焊接小车再沿反方向从管顶向下施焊。焊工在施焊过程中要随时注意并调整焊炬的对中位置。道间焊缝填充前，需要清理上一道焊道处的熔渣、气孔、弧坑及高凸等缺陷。焊接过程中应做好施工检查记录及焊口标识，焊接结束后应注意封堵管端。

（6）修补和返修。焊缝返修也需要根据不同的焊接工艺分别进行焊接工艺评定。对焊接产生的熔渣、咬边、焊瘤及气孔等缺陷要及时清理或修补，对存在裂纹的焊道要直接割除。返修前的焊缝同样需要清除缺陷及预热，返修次数不能超过要求。

4.自动焊技术应用及机组的配置

国内某天然气长输管道主线参数为：φ1422mm×25.7mm、X80M、12MPa，主要采用的自动焊工艺是：8焊炬内焊机根焊和双焊炬外焊机填盖。一次焊接合格率达到95%以上。φ1422mm的管道根焊时间约90s，一个全自动焊机组日均能够焊接15-30道焊缝，要比半自动焊机组多2-3倍。φ1219mm的管道焊缝全流程施工时间约40min，每天最大焊接能力为16～17道。对比半自动焊等方式，全自动焊在大口径长输管道焊接合格率及焊接速度等方面更有优势。某自动焊机组人员包括：机组长、技术员、质检员及安全员各1名，焊工17名、管工2名等，职责分工见表2。主要设备包括：坡口机1台套、内焊机1台套、外焊机12台套，配套焊接工程车8台套等。

表2 某自动焊机组主要人员配置

5.结语

管道全自动焊技术是大口径长输油气管道焊接的发展方向，在中俄东线等长输油气管道建设中，国产全自动焊设备也取得了很好的焊接质量和经济效果。随着我国不断加大长输管道建设的投入，管道工程建设行业也要加大全自动焊接工艺、配套设备及设施的研究，提高长输油气管道全自动焊的焊接占比，促进我国在长输油气管道全自动焊技术的快速发展。