探讨石油、天然气管道焊接工艺现状及展望

吴建宏

（四川石油天然气建设工程有限责任公司，四川 成都 610000）

0 引言

我国的石油、天然气管道最初使用低碳钢等材料，管道设计压力、口径较小，管道输送效率不高。随着石油化工科技的发展，油气管道得到持续改良，管道设计压力、口径越来越大，需要使用高钢级材料，并做好油气管道的焊接作业[1]。经过长期的发展，油气管道焊接工艺十分丰富，涵盖各种手工焊接、半自动焊接、全自动焊接技术，焊接工艺的自动化水平越来越高，各种全自动焊接技术包括焊接机器人逐渐得到广泛应用，大幅提高了油气管道焊接效率和质量，降低工作人员的劳动强度。油气管道焊接工艺的发展，是一个循序渐进的漫长过程，各种焊接工艺技术都在其中发挥了积极的作用，了解油气管道焊接工艺现状，并对油气管道焊接工艺发展前景进行展望分析，对于油气管道焊接工艺的健康可持续发展具有重要意义。

1 油气管道焊接工艺的发展现状

在油气管道焊接工作中，焊接作业及验收需严格执行相关规范和标准，规范落实焊接工艺要求，并对管道焊缝进行无损探伤检查[2]。油气管道焊接工艺可以根据母材是否熔化，是否施加压力分为熔化焊、压力焊等类别，下文将进行详细阐述。

1.1 熔化焊工艺的发展现状

熔化焊是油气管道焊接的主要工艺形式，包括药皮焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊等，从发展历程来看从焊条电弧焊、半自动焊到自动焊[3]。焊条电弧焊是油气管道焊接的常用工艺方法，分为向上立焊和向下立焊两种，焊条电弧向上立焊的焊接电弧由下向上移动，采用高纤维素焊条、低氢型焊条，管口组对间隙大，采用熄弧操作法完成焊接，焊层厚度较大；向下立焊的焊接电弧向下移动，使用焊条同向上立焊，但焊层厚度较薄，管口组对间隙小，使用大电流、多层、快速焊接方法，技术简单易掌握，焊接效率更高[4]。

半自动焊借助设备辅助手工焊接，焊接设备只负责填充金属，由焊工控制焊接操作和速度，常用的半自动焊焊接工艺包括自保护药芯焊丝向下立焊等方法[5]。自动焊是完全依赖设备进行焊接作业，需要使用自动化焊接设备对焊接作业进行全过程控制，焊工起到引导作用。随着油气管道钢管强度等级、管径、壁厚提升，自动焊工艺得到愈加广泛的应用，常见的有实心焊丝气体保护自动焊、药芯焊丝自动焊等。其中，前者是常见的熔化极气体保护焊工艺，采用表面张力熔滴过渡控制焊缝熔深，避免出现未熔合等焊接质量缺陷；后者使用药芯焊丝，原理和前者相似。

自动焊工艺的发展，关键在于自动焊设备的研发与应用。目前国内外自动焊技术和自动焊设备得到十分广泛的应用，投入大量资金和精力研发全自动化焊接设备。目前国内自主研发的自动焊工艺及配套设备在油气管道工程中已经得到普及应用，有的设备采用自动焊内焊带、外部单焊柜的模式，用多个焊接机头在内部完成根焊，由单焊柜完成其余焊道的焊接作业[6]。

1.2 压力焊工艺的发展现状

压力焊是对焊件施加一定压力，使接合面紧密接触产生塑性变形而完成焊接。闪光对焊是一种较为常见的压力焊方法，利用低电压、强交流电作用熔化管端，借助外加压力使熔化管端形成连接接头，需要使用闪光对接焊机、焊缝清理机、移动电站等设备组成的机组，适用于油气管道现场和基地施工[7]。爆炸焊利用炸药爆炸的冲击力实现焊接，应用于油气管道焊接时需在外面加管套，该工艺使用设备少、方便现场焊接，但难以选择适合方法对接头缺陷进行检测，且存在安全和噪声等问题，应用越来越少。

压力焊的工艺形式众多，除上述工艺方法外，还有摩擦焊、冷压焊、超声波焊等形式。对于大直径的油气管道来说，需要确定合适的焊接工艺参数，并对焊接缺陷特征、形成机理、检测方法等有成熟的研究，开发适合的焊接材料。

1.3 油气管道焊接新工艺

随着焊接工艺技术的发展成熟，越来越多新的焊接工艺在油气管道工程中得到应用。目前，具有广阔发展前景的主要有高能束焊和摩擦焊工艺。

高能束焊在油气管道工程中的应用主要有电子束焊和激光焊两种。电子束焊利用加速和聚焦的电子束轰击焊接面实现焊工件的熔化焊接，因其不使用焊条、热变形量小、抗氧化能力强和工艺重复性好等优势，在油气管道和航空航天、国防军工等众多高精尖领域得到广泛应用[8]。电子束焊在油气管道工程中的应用，可以在大直径、厚壁化管道焊接中保持高质量、快速度的特点，但在如何获得高功率密度、高真空度和防控X射线等方面仍需要继续深入研究。激光焊借助聚焦的激光束轰击焊件完成焊接，由于激光的折射、聚焦等光学性质，适用于可达性差的部位焊接，且具有焊接变形小等优点，但缺点在于设备价格昂贵且电光转换效率不高。近年来，光纤激光器得到高速发展，具有使用寿命长、效率高、体积小和光纤传输等优点，使激光焊在油气管道工程的广泛应用具备可行性。目前，单独的激光焊焊缝冲击应力低且焊接速度较慢，可以研究激光-电弧等复合焊技术，利用激光焊替代内焊机单独打底焊，利用电弧焊进行填充焊，简化焊接程序，提高焊接速度和质量。

摩擦焊在油气管道工程中的应用主要是径向和搅拌摩擦焊工艺。其中径向摩擦焊起源于特种连续驱动摩擦焊，随着油气管道铺设越接越长，常规的轴向摩擦焊机难以满足轴向加压顶锻要求，可以采用径向连续环旋转的摩擦焊工艺，该工艺具有连接效率高、可重复性好、焊缝成形质量高等优点，适用于常规手段难以连接的焊接作业。搅拌摩擦焊利用高速旋转焊具与工件摩擦使焊材局部熔化，在焊具挤压下形成固相焊缝，适用于轻金属的焊接。搅拌摩擦焊的优势在于接头性能好、焊接环境好，但对于高熔点高强度材料焊接难度较大[9]。为此，近年来对搅拌头的研究成为热点，搅拌头的成功设计有助于应用在高熔点高强度材料和更大厚度的焊接作业，目前已研发出适用于油气管道全位置焊接的搅拌头。但仍需要继续加大在搅拌头设计制造等方面的投入力度，并对搅拌摩擦焊的搅拌头与夹持机构整体环向运动、加压焊接等工艺进行研究改进，进一步提升搅拌摩擦焊的适用性，使搅拌摩擦焊在油气管道工程中逐渐得到广泛应用。

2 油气管道焊接工艺的发展前景

油气管道焊接工艺的发展，并非单纯焊接技术的成熟与进步，而依赖于焊接设备、工艺流程、检测方法等相关方面的共同发展，构建一个更加科学、先进的焊接技术体系，才能拓宽焊接技术在油气管道工程的应用空间，全面提升油气管道焊接质量与效率。

2.1 油气管道焊接工艺的发展思路

首先，油气管道焊接技术应形成一个完善的技术体系，着重发展激光焊、电子束焊、径向摩擦焊等焊接技术，尤其要提高自动焊技术的占比，不断提升焊接工艺的自动化、智能化水平[10]。这要求科研院所等研究机构加大焊接工艺方面的研发力度，重点研究解决制约激光焊等焊接技术应用的难题，并致力于构建统一化的技术标准。相关部门应建立油气管道焊接技术标准与规范，以书面文件形式明确焊接工艺的技术要求，为焊接技术应用提供可靠依据。

其次，油气管道焊接工艺发展需要重视焊接设备方面的研发与应用。焊接设备对提高油气管道焊接自动化程度具有关键性作用，影响焊接工艺的适用性和可行性[11]。应加大设备研发方面的投入，持续改进各种自动焊设备，使自主研发的焊接设备早日达到世界领先水平，形成以国产化设备为主、国外设备为辅的有利局面。同时，应研发更加先进的焊接材料，比如搅拌摩擦焊的搅拌头，通过提升焊接材料质量来增强焊接材料与焊接设备的适配性，保证焊接质量稳定。

再次，油气管道焊接工艺发展需要构建科学、有序的工艺流程。油气管道焊接作业是一项较为复杂的系统工程，不仅要考虑焊接工艺的科学与否，还要关注油气管道工程的实际情况，需要形成更为有效的管道焊接施工组织方法和工艺流程。焊接工艺流程不仅涵盖焊接作业的各个工序环节，还要衔接焊接前后的相关工作，合理准备备用设备和备件，加强工序协调，实现流水作业，使焊接、无损检测等工作顺畅、高效，提升焊接工艺对各种复杂环境的适应能力。

最后，油气管道焊接工艺发展需要探索质量检测新方法。油气管道焊接质量检测主要应用超声、渗透等无损检测方法，应进一步研究其他无损检测技术在油气管道焊接检测中的应用，并着重研究自动焊质量检测与评判的方法，探讨各种无损检测方法在自动焊检测中应用的可行性，使无损检测技术可以适应油气管道焊接工艺发展的要求，提升各种质量检测方法的适应能力和质量、效率。

2.2 油气管道焊接工艺的前景展望

目前，国外已经有企业研制出集成激光视觉焊接和检测技术的管道自动焊接系统，由坡口视觉检测设备、根焊道视觉检测设备、视觉清渣设备、视觉外焊机等组件构成，采用激光视觉技术，提高了管道自动焊接的质量与效率。管道焊接机器人是众多领域先进技术的集合体，可以高精度移动焊枪完成焊接作业，对焊接作业全过程进行自动化控制，实现最佳的焊接参数和运动参数，焊接性能稳定，焊接作业效率高，自动化程度高，可以避免人为因素的干扰，将逐渐成为油气管道焊接施工的主要方式[12]。目前管道焊接机器人正在向智能化阶段发展，通过集成多种传感器提高对复杂环境变化的适应能力，借助智能化控制系统实现规划决策，采集管端坡口尺寸等参数信息并自主匹配焊接策略和工艺参数，可以独立完成复杂的焊接任务，并具备故障诊断、质量监控等功能。管道焊接机器人可以分为管道内焊接与外焊接机器人，管道内焊接机器人负责打底焊接，需要根据不同管径匹配适用的焊接机器人，这会造成资源的浪费，未来需要研究如何突破管径定型等因素制约，研究跨管径的内焊接机器人；由外焊接机器人负责热焊、盖面焊接等规模性流水作业，需要具备和人近似的感知能力，并能对焊接机器人的动作实现高精度控制，可以根据空间环境和位置不同调整焊接速度、电流等参数，适应各种复杂环境下的焊接作业。

当前较为热门的管道焊接机器人主要是应用多焊炬、激光-电弧复合焊、串联双丝焊、搅拌摩擦焊等技术。多焊炬管道焊接机器人可以实现全自动焊接控制，驱动多个焊炬同时作业，焊接部分采用弹性转臂结构，焊接操作配备多点焊缝跟踪系统，适用于油气管道铺设。该类型焊接机器人的多焊炬运动控制是研究重点，需要实现高度集成运动控制与焊缝自动跟踪等功能的高度融合。激光-电弧复合焊机器人兼具激光焊与电弧焊的优点，可以解决电弧焊熔深不足、激光焊适应能力不强等问题，在油气管道工程中的应用空间很大。串联双丝焊是十分成熟的焊接工艺，双丝管道焊接机器人的两根焊丝供电、参数独立，可以降低相互干扰，两根焊丝互为加热，焊缝成形美观，与单丝焊接相比焊接质量和速度有显著提升。搅拌摩擦焊机器人具有操作简单、能量效率高、无弧光辐射等优势，技术突破重点在于搅拌头的研制，此处不再赘述。

2.3 油气管道焊接工艺的突破途径

在油气管道自动焊接工艺的应用过程中，以焊接机器人为代表的自动焊技术应用仍面临一些难题需要解决，主要表现在焊接运动轨迹规划、焊缝跟踪、焊接质量检测与预防和自动焊适应能力等方面。因此，油气管道焊接工艺的发展，应着重从这几个方面着手，提升自动焊在油气管道工程的应用能力。

自动焊需要具备焊接运动轨迹规划能力。油气管道铺设施工环境复杂多变，要面临各种特殊环境的考验，作业环境恶劣，对焊接设备的稳定性、适应性提出了很高的要求。自动焊在管道现场焊接时，可能因外界温度变化、装配不当等原因而产生挤压变形的情况，焊工可以根据实际情况及时调整焊接工艺，而自动焊需要按照设定好的程序焊接，容易出现对口间隙不一致等偏差，影响焊接质量。同时，自动焊对焊缝的跟踪能力也提出很高的要求，而焊缝视觉跟踪必然增加设备体积和重量，电弧跟踪经济优势明显但容易受磁场变化等多重因素干扰，单纯依靠视觉或电弧跟踪难以取得理想的效果。

为此，应对焊接机器人通过系统学习、深度学习进行训练，提高自动焊接的智能化水平，有能力根据外部环境变化调整焊接参数，修正焊接轨迹，缩小自动焊与焊工在经验、适应能力等方面的差距。应研究如何运用视觉、触觉传感器对坡口、焊缝进行扫描，精准提取坡口尺寸、焊缝特征点等信息，通过运算分析获取焊接路径点，确定各点位置坐标和焊枪姿态、运动路径等规划方案，消除管道变形、工况不确定性的不利影响。这需要研究更加轻便、高精度的传感设备，开发多种自适应PID控制方法，人工神经网络等智能跟踪、控制方法。此外，自动焊需要具备一定的焊接质量检测与缺陷预防、排除能力。以焊接机器人为例，应研发运用传感器采集的电流、光谱、温度、声音等信号进行焊接质量检测的技术，比如利用光谱信号检测熔滴过渡，利用电弧信号监测焊接缺陷。可以依托焊接专家系统，对焊接机器人进行远程监控和实时诊断，提高自动焊接工艺的实时监控和故障处理能力。

3 结语

综上所述，随着油气管道工程的不断发展，管道口径、壁厚、压力增大带来更大的运输能力，也对管道焊接工艺提出了更高的要求。手工焊接、半自动焊接等传统方式受人为因素影响大，焊接速度有限，一次焊接合格率不高，且焊工劳动强度大，无法满足油气管道工程发展的需求。自动焊技术是油气管道焊接工艺发展的主流趋势，电子束焊等一系列先进的焊接技术将拥有更广阔的发展和应用空间，而自动焊工艺的发展需要加大研发投入，加快推动焊接设备与焊接系统等方面的进步。