钢管数字化预精焊技术装备发展现状

杨战利，张善保，刘成坤，唐麒龙，王永江，白德滨，付 傲

（1.哈尔滨焊接研究院有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028；2.资阳石油钢管有限公司，四川 资阳 641300）

油气长输管线动辄数千公里，穿越地区地质条件复杂、多变，服役环境十分恶劣，须适应沙漠、湖泊、山区等复杂地质结构，耐受严寒、酷暑、霜冻等各类严峻气候条件，穿越城市、乡镇等人口稠密地区，且干线管道输送压力高（中俄东线管道压力12 MPa），输送介质易燃、易爆，而油气的安全输送不仅关系到国家能源安全，且严重威胁管线穿越地区居民人身安全和财产安全［1-6］；因此，高质量油气输送钢管制造是国家能源动脉工程规划和建设的前提和必备条件。

钢管预精焊技术是大直径油气钢管制造的先进技术，主要用于油气输送高质量直缝/螺旋缝焊管的优质高效焊接生产。2000年以前预精焊相关技术掌握在国外公司手中，成为国家西气东输等系列重大管线工程亟需突破的“卡脖子”关键技术。该工艺技术成功将钢管成形和最终焊接分开，摆脱成形机组对焊接过程产生的不利影响，焊接质量更加可靠；同时也摆脱了焊接速度对成形机组的束缚，在确保钢管质量的前提下成倍提高生产效率［7-12］。在建设西气东输工程之前，我国钢管预精焊技术在关键技术和核心装备方面均处于空白，陕京输气管道工程等所需的高质量预精焊直缝焊管全部依靠进口。为此，哈尔滨焊接研究院有限公司（简称哈焊院）联合清华大学、湖北三环锻压设备有限公司及制管行业骨干企业等，结合国家需要和用户需求，针对钢管制造关键预精焊技术及装备开展了持续研究与创新，并取得了系列突破，其成果在国内制管企业得到推广应用。现介绍哈焊院在油气钢管数字化预精焊技术与装备方面的研究成果及工程应用情况。

1 焊管预精焊技术原理

传统钢管生产采用“一步法”工艺，是指在钢带弯曲成型为管坯的同时完成内外双面埋弧自动焊接，因钢管成型合缝两侧稳定区间相对较小、存在成型应力、易受机组振动等因素影响，焊缝易产生热裂纹、夹渣等焊接缺陷。而焊管预精焊技术通过工艺方法创新和关键技术装备突破，在焊管成型/合缝形成管坯时，先进行高速预焊（定位焊），再将预焊后的焊管输送到多条埋弧精焊生产线进行最终焊接，成型和最终焊接分两步完成，也称“两步法”工艺，彻底解决了焊管成型对焊接质量的不利影响和焊接速度对效率的束缚，充分发挥预焊机组快速高效和精焊机组质量可靠的双重优势，从而实现油气输送用焊管的优质高效生产。焊管预精焊技术原理如图1所示。

图1 焊管预精焊技术原理示意

2 典型关键技术创新

2.1 高效预焊技术

预焊是焊管在高速成型的同时进行的连续定位焊，其焊缝虽是工艺焊缝，但焊缝质量和管坯形体尺寸精度会直接影响后序精焊工序。因此，高效预焊的基本条件是在高速连续焊接条件下获得可靠的良好预焊缝成形。

（1）通过对高速焊接时电弧形态、熔滴过渡、外在条件等多重因素的系统研究，发现粗丝超大电流焊接时熔滴的后托旋转抛射独特过渡形式，探明了熔池倾斜液面（电弧冲击力、后向流体力与熔池静压力的动态平衡点）与电弧中心间距影响焊缝成形的规律，认为任何促进动态平衡点移向电弧的因素，均有利于获得高速焊时的良好焊缝成形［13］。高速预焊驼峰焊道形成机理分析如图2所示。哈焊院开发出了6 m/min高速MAG（熔化极活性气体保护焊）焊接工艺，实现了“一拖四”（1条预焊线配4条精焊线）不间断连续焊接生产。

图2 高速预焊驼峰焊道形成机理分析

（2）螺旋缝焊管预焊工序为连续焊接，预焊机组连续工作时间越长，焊管的生产效率就越高；因此，防黏渣焊枪的设计成为提高预焊生产效率的又一个关键环节。针对国外焊枪容易黏渣、连续焊接时间短、清理焊枪困难的行业共性难题，笔者研究认为异种材料晶格结构相似度与飞溅黏结喷嘴难易度之间存在内在关联；因此，通过发明防飞溅黏附大电流MAG焊枪及狭窄空间原位快速清枪方法，将不清理焊枪连续焊接时间延长至240 min左右，并将狭窄空间焊枪清理时间缩短到0.5 min左右，实现了超长时间不间断的高速连续预焊。防黏渣焊枪设计如图3所示。

图3 防黏渣焊枪设计示意

2.2 优质多弧精焊技术

精焊是确保焊管焊接质量的核心工序，其焊接焊缝为产品最终服役焊缝，焊接质量会直接影响到管线服役的安全性和可靠性。因此，高质量多弧共熔池焊接技术和高可靠性关键装备制造技术是高质量多弧精焊的必备条件。

（1）多弧焊接时，异种电弧之间会产生复杂交互影响的电磁场，而且随着电弧数量的增加，电磁场的复杂程度及其相互影响会变得愈加复杂，单个电弧不再是孤立的因素，而是和其他电弧一起形成一个相互作用、相互影响的整体。笔者通过对交、直流多电弧间的电磁力学关系以及50余项工艺参数的多个匹配方案的试验研究，探明了多弧共熔池交、直流复杂电磁场交互影响规律，开发出六弧共熔池焊接工艺方案，为更加高效的多弧共熔池精焊工艺开发奠定基础。钢板厚度40 mm时的六弧共熔池内/外单道焊如图4所示。

图4 六弧共熔池内/外单道焊（板厚40 mm）

（2）焊管采用多弧内焊时，内焊悬臂梁为细长杆件，受管内空间及管长等因素影响，设计时要兼顾其截面尺寸和刚性强度。悬臂梁最前端安装有多丝焊接机头、跟踪滑板、多根焊接线缆、焊剂斗等部件，是内焊装置的核心部件。因此，悬臂梁工作时的稳定性非常重要，会直接影响到整个焊接过程的稳定性。内焊悬臂梁及其上布置的多根线缆在大电流焊接时，产生的交、直流强磁场会引起钢管复杂交变磁化，在交变强磁场的交互作用下极易引起悬臂梁的机械振动，使稳定的焊接过程难以为继。

采用有限元计算及实物验证方法分析计算细长悬臂梁应力分布，设计新型内焊悬臂梁结构，采取变截面、预弯曲等弯矩设计理念，优选高强度材料，降低内焊悬臂梁自身重量，提高细长悬臂梁的承载能力和结构稳定性。通过研究19 m长、高长径比（悬臂梁的总长度与悬臂截面最大外圆直径之比60∶1）悬臂梁机械振动与交直流强磁场之间的交互影响规律，总结出消减多弧交变磁场干扰的方法，降低了磁场对悬臂梁稳定性的不利影响，解决了螺旋缝精焊机组多弧内焊时焊接机头振动的难题。

（3）内焊机头是精焊设备的核心部件，特别是小直径钢管受管内空间限制，如何在满足自动跟踪、便捷调枪、视频监视等20余项功能的前提下，设计出结构紧凑、功能齐全、稳定可靠的多丝内焊机头成为设计难题之一。笔者创新采用回中柱外调、滑块中移、枪缆上部迂回、焊丝渐进弯曲导向等设计思路和方法，通过三维再现优化布局，成功研制出结构紧凑、功能齐全的系列内焊机头，满足焊管机组多规格直缝/螺旋缝焊管的焊接要求；并设计出功能齐全、性能稳定的冶金复合管内焊机头，满足冶金复合管等特殊材质钢管的焊接需要。内焊机头设计方案如图5所示。

图5 内焊机头设计方案

（4）创新采用螺旋缝焊管内外焊间隔1.5个螺距同步精焊工艺方法，成功解决了原内外焊间隔0.5个螺距同步焊接时内焊余热对外焊缝冲击性能影响突出的难题［14］。基于PLC（可编程逻辑控制器）构建了多传感信息交互、多位置自动判别、主驱动自适应调节、焊接和控制参数焊前数字预置、过程数字调整和焊后全程追溯的整线数字化控制系统。开发了螺旋缝焊管精焊控制系统，螺旋缝焊管精焊电气控制系统架构如图6所示，通过直线上料、螺旋传送、精准定位、内外起弧、顺序熄弧、成品送出等30多项传感信息的提取与融合，并在精控数字焊接系统、主驱动自适应闭环调节系统、激光跟踪系统等的基础上，成功开发出钢管精焊全过程“一键式”数字化操控系统，将“无人值守”智能操控理念植入多弧精焊生产过程。同时，该螺旋缝焊管数字化操控系统还具有模拟运行、故障诊断、远程控制等系列功能，操作方便性、焊接可靠性和维护便捷性得到用户的认可。

图6 螺旋缝焊管精焊电气控制系统架构

3 焊管数字化预精焊装备

我国2000年开始进行焊管预精焊关键技术与焊接装备的研发，2003年研制出首条国产直缝焊管预精焊生产线，2009年研制出首条国产螺旋缝焊管预精焊生产线；除此之外，根据市场需求还相继开发出国内首套冶金复合管带极电渣焊数字化焊接装备，用于长度12 m冶金复合管生产的热丝非熔化极惰性气体钨极保护（TIG：Tungsten Inert Gas）焊数字化焊接装备和长度12 m小直径钢管生产的Φ219 mm数字化埋弧内焊设备。焊管数字化预精焊装备如图7所示。

图7 焊管数字化预精焊装备

通过持续创新与突破，预精焊机组至今已发展至第四代智能预精焊机组，装备性能达到国际同类产品的先进水平，焊管预精焊数控装备主要技术参数见表1。此外，第四代智能预精焊机组还具备以下特点。

表1 焊管预精焊数控装备主要技术参数

（1）焊接系统数字化。构建了多焊接电源数字化焊接系统，实现所有焊接参数的焊前数字化预置、焊接过程中数字化精确调整和焊后数字化全程追溯。

（2）控制系统精准化。通过DeviceNet网络实现所有控制参数的数字化精准输入和调整，显著提高机组的操作便捷性。

（3）钢管过程信息显示直观化。搭建精焊整线多位置传感探知系统，在控制系统中对传感器采集的信息进行预处理，将机组状态和钢管位置信息直观地在控制界面上动画显示。

（4）操控系统智能化。利用激光跟踪采集的偏差信息，将滑板信息、机头位置信息、螺旋驱动姿态信息导入建立的智控模型，构建双闭环自适应反馈控制系统，实现精焊机组“无人值守”智能化操控。

（5）节能设计绿色化。采用数字化焊接电源系统+整线大功耗单元的启停程序优化，与传统机组比，节省电能15%～30%。

4 工程应用

沿着焊管预精焊关键技术与数字化焊接装备的发展方向，目前我国已成功研制出直缝焊管预精焊生产线、螺旋缝焊管预精焊生产线、冶金复合管内覆层带极电渣焊/热丝TIG焊设备、Φ219 mm小直径直缝焊管数字化埋弧内焊设备等系列成套装备，填补了国内空白，促进了我国油气钢管制造技术进步。这些装备在国内制管企业中发挥了重要作用，不仅降低了生产成本，而且大幅提高了钢管质量。

某中石油制管企业的螺旋缝焊管预精焊生产线与传统的“一步法”相比，实现了6个方面的显著提升与突破，在生产西气东输三线、哈尔滨-沈阳输气管道、沙特管线、荷兰壳牌（HAM Norgron）项目、西气东输二线广南支干线、中俄东线等工程用钢管时成效显著：①焊缝一次合格率提高6%左右；②焊缝冲击韧性提高30%～40%，且离散度小；③产品成材率提高3%～5%；④焊缝成形美观、表面光洁、过渡平缓（焊缝润湿角≤50°、内焊缝“马鞍形”基本消除）；⑤节约电能17%左右；⑥与同规模的螺旋缝焊管“一步法”机组相比，采用预精焊机组的产能提升50%～70%。

5 结 语

目前，我国大直径油气钢管制造所需的关键技术装备得到突飞猛进的发展与进步，不仅满足了国内骨干制管企业的现实需求，而且部分研究机构的产品借助“一带一路”平台实现了竞标出口，不仅有力地支撑了我国西气东输二线、三线，川气东送，中俄东线天然气管道等能源动脉工程的建设，促进国家能源管网高质量快速发展，而且实现了出口创汇，进一步巩固了我国在油气钢管领域技术的领跑地位。