大口径管道自动焊接技术分析及应用

贾传彬

中国电子系统工程第二建设有限公司江苏无锡214135

摘要：随着大口径、高压力、大壁厚钢管的使用，油气长输管道自动焊技术的应用越来越广泛。本文针对大口径油气管道自动焊技术，从设计思路、设计手段、焊接及施工技术要求等方面进行了详细论述，为设计人员合理设计并提出自动焊的应用地段及技术要求、充分发挥自动焊的优势提供了借鉴。

关键词：大口径管道；自动焊接技术

目前，大口径管道焊接工艺多为半自动或全自动焊接，焊接速度快，生产效率高，但是，对于一般的设备安装公司，投入巨资引进半自动焊接技术及设备，并且培训相应的焊工，在焊接工程量较小的工程中显然是不经济的，并且设备更新、人员培训的周期较长，严重影响工程进度。笔者通过多年的焊接实践，经过技术经济性分析，提出了大口径管道复合焊接工艺，焊接工艺评定结果优良。在施工过程中发挥出质量优良、效率高的优点，使工程提前完工。

1.自动焊的设计思路

油气长输管道自动焊具体设计思路如下：

（1）根据我国自动焊接内焊机的爬行能力，综合确定自动焊大规模应用的最佳地形坡度，推荐采用15°为界，即为坡度不宜大于15°的平原丘陵地段。

（2）地形平坦地段以及坡度起伏普遍小于15°的地段适用自动焊；若局部坡度大于15°时，如果采用局部降坡处理后可采用自动焊；若地形起伏剧烈、频繁，且坡度普遍大于15°的地段不建议采用自动焊。

（3）考虑到自动焊施工效率、转场成本，采用自动焊的地段长度不宜小于50km。

（4）当焊接分段较分散时，可以考虑自动焊机组与半自动焊机组配合使用。

2.自动焊的设计手段

油气管道在进行自动焊接分段设计时，需要满足如下要求：

（1）要对管道全线高程、里程进行解析，根据解析结果，借助高精度地理信息平台划分自动焊接标段；

（2）对需要局部削方地段，要分析土石方的经济性，给出合理的辅助措施；

（3）制订自动焊接地段施工作业带的布置方案，保证自动焊接的流水作业；

（4）自动焊接地段管道转角设计时，应考虑自动内焊机在管道内的转弯能力；

（5）管道壁厚的设计需要充分考虑到自动焊接工艺参数的适用性，并且要求接头处壁厚差不超过3mm

3.自动焊的焊接要求

3．1焊接工艺方案

根据目前我国自动焊主要的设备配置情况，具体的焊接工艺及焊接材料需要根据焊接工艺评定试验结果进行选用。

（1）内（外）焊机根焊＋单（双）焊枪外焊机填充盖面适用于坡度普遍小于15°的地形条件，且要求沿线穿越工程较少、管道变壁厚频次较少、可实施自动焊接的区段较长（标段内长度一般不小于50km），以实现焊接的流水化、连续作业，提高焊接效率、质量和经济效益。由于其焊接需要多个机组配合作业，因此若区段不具备连续焊接作业的条件，设备和机组的频繁搬迁、调试磨合，会造成焊接效率明显降低，增加施工成本。

针对坡度大于15°的自动焊接，中石油总公司开展了《油气管道高效焊接新技术研究》课题的研究。根据目前的研究成果，内焊机最大爬坡能力可达30°，因此对于坡度不大于30°的地形条件，也可实现自动焊接。但大坡度地形下热煨弯管使用较多，其焊接效率也不高。该课题的研究正在进行中，最终技术成果尚需在实际工程中进行实践和验证。

（2）STT根焊（手工焊根焊）＋单焊枪外焊机填充、盖面适用于坡度不大于15°的地形条件，其焊接机组配置少于上述的自动焊方式，焊接施工较为灵活，便于搬迁，对连续焊接作业的要求相对略低，但焊接速率也会有所降低。另外，对于坡度较大、坡度均匀的地段，可采用在坡顶或坡脚预制管段、轨道发送的方式安装就位。

3．2焊接工艺评定

在进行焊接工艺评定之前，需要按照现行的GB/T31032—2014《钢质管道焊接及验收》、SY/T4103—2013《钢质管道焊接及验收》标准以及API1104—2013《长输管道及相关设施的焊接》标准的要求，找出各类变化因素，从而可合理确定评定种类及数量。

（1）直管与直管焊接在采用自动焊接时，当其他因素相同，其不需重新评定的壁厚覆盖范围为±3．2mm。若钢管的壁厚变化超出允许的偏差范围时，应重新进行焊接工艺评定。当壁厚差≤5mm的不等壁厚钢管采用自动焊进行根焊时，若对接钢管强度等级相同，可在厚度较大侧管端进行削薄处理，内坡角度宜为10°～15°。若对接钢管强度等级不相同时，不应进行自动焊根焊。当壁厚差大于5mm的不等壁厚钢管焊接时，不应采用自动焊内焊机进行根焊。

（2）热煨弯管与直管焊接一般情况下，热煨弯管与直管的化学成分相差很大。当影响管线钢管焊接性的技术指标有较大变化时，应单独进行焊接工艺评定。影响焊接性的技术指标包括化学成分、力学性能、预热温度预测和斜Y形坡口焊接冷裂纹试验结果等。

3．3焊缝的低温韧性

GB50251—2015《输气管道工程设计规范》规定管道的组合应力应不大于屈服强度的90％。管道在施工过程中，在合理分配吊管机分布的情况下，吊装下沟管道轴向应力值最高可达屈服强度的80％，管道环焊缝与轴向应力正好相交，成为管道吊装下沟过程中的最容易发生断裂的位置，所以需要特别关注环焊缝低温韧性问题。目前，长输管道钢管一般要进行环焊接头焊缝金属的系列温度夏比冲击韧性试验，试验温度范围－60～20℃。所测定的焊缝金属韧性值要满足设计文件要求，韧脆转变温度点应低于设计文件规定的环焊接头夏比冲击韧性试验温度，以保证管道环焊缝在吊装作业中不开裂和不发生韧脆转变。为保证管道安全，如果施工期间环境温度低于韧脆转变温度，此时应停止管道吊装作业。

3．4焊缝的无损检测

管道自动焊应采用全自动超声检测（AUT），检测比例应为100％，另外还应对全自动超声波检测结果进行射线探伤复验。在工程实施初期，全自动超声波检测机组检测的前100道焊口应采用100％射线探伤进行复检。射线检测复检仅对全自动超声波检测的工艺执行情况进行判定，焊缝的验收应按GB/T50818—2013《石油天然气管道工程全自动超声波检测技术规范》的要求进行评判。当射线检测复检结果与全自动超声波检测结果不一致时，应按以下原则处理：

（1）射线探伤检出缺陷，全自动超声波发现缺欠指示，焊缝是否合格按照GB/T50818—2013要求判定。

（2）射线探伤检出缺陷，全自动超声波探伤未发现缺欠指示，应对全自动超声波探伤工艺及执行情况准确性进行确认，并对当日检测焊缝全部重新采用全自动超声波检测。当天完成的焊口宜当天完成无损检测，并及时反馈检测结果。全自动超声波探伤人员在上岗前，应取得建设单位认可的资格证书；检测承包商的全自动超声波探伤工艺应通过建设单位认可的认证机构的评定后方可实施检测。

4.结论

（1）自动焊接与其他管道焊接方法（手工、半自动）相比，焊接过程受施焊环境影响较大。

（2）自动焊对坡口加工和组对精度要求较高。焊接参数是依据坡口形状和尺寸预置的，在焊接过程中难以进行调整，所以焊接参数的设置、坡口加工和管口组对的质量，以及焊机操作人员的操作习惯等都直接影响焊接质量。这种影响使得产生的焊接缺陷在实际的管线焊接中连续出现，且具有一定的共性。这就要求焊工要及时与技术人员沟通，对参数进行及时的修改。

（3）大口径管道自动焊焊接，不仅焊缝质量高、力学性能好，而且焊接速度快，合格率高，同时有效地降低了操作工人的劳动强度。在长距离、高强度、高压力等管道建设中有着广阔的应用前景。

（4）对于地形复杂，坡度大于20°，设备不易到达，钢管壁厚变化频繁，弯头、弯管较多的地段，不宜使用自动焊。

参考文献

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