管道自动焊与全自动超声波检测技术在西气东输管道工程中的应用

雷俊杰

山西科建工程检测研究院山西030006

摘要：西气东输管道工程从设计长度、口径、壁厚、压力和材质均可称得上是国内长输管道之首创。这给管道焊接技术提出了一个很高的要求，过去的管道施工机械装备和传统的手工焊技术已不能满足长距离、高压力、大口径、大壁厚、高钢级管道的高质量焊接接头和快速焊接方法的需求。现在西气东输管道工程建设已基本完工。几年的工程实践证明：在大口径、大壁厚、高强钢的长输管道施工中。采用先进的自动焊接技术和全自动超声波检测技术。对保证管道施工质量、提高管道施工效率具有十分重要的作用，

关键词：管道自动焊；全自动；超声波检测技术；西气东输；管道工程；应用

1、前言

西气东输天然气管道西起新疆轮南，东至上海市白鹤镇。管道直径为l016mm，钢管壁厚按地区类别分为四类，即：一类地区为14.6mm、二类地区为17.5mm、三类地区为21mm、四类地区为26.2mm。干线线路总长约4000km，管道线路长、设计压力高、直径大、管壁厚；沿线地形、地貌和地质条件复杂多变，工程量大、工期紧，设计、施工、管理难度较大。

2、管道自动焊在西气东输管道工程中的应用

2.1自动焊接工艺

（1）焊接参数

自动焊接工艺参数见表1。

表1自动焊接工艺参数

（2）坡口形式

坡口形式见图1。

图1坡口形式

（3）焊接设备

NOEAST40~42内焊机,使用林肯DC400电源,PAW2000外自动焊机,使用ULTRAFLEX350电源。

（4）保护气体

采用80%Ar加20%CO2混合气体保护焊接,既可以得到具有氩弧焊特点的稳定电弧、较小的飞溅,又可以解决纯氩气保护时的表面张力大、熔池金属粘稠、易咬边和斑点漂移等问题,同时改善了焊缝的成形,焊缝成形为深圆弧状熔深,能够克服未熔合缺陷。CO2气体纯度应大于99.5%,使用前应进行排水,含水量不超过0.005%。Ar气体纯度不小于99.96%。为获得配比均匀的混合气体,统一采用了厂家调和好的混合气体,保护效果较好。

2.2焊接缺陷产生的原因及解决方法

(1)坡口加工不规范。坡口的钝边、角度直接影响对口的质量。钝边过大容易造成未焊透,钝边过小容易烧穿。如果坡口角度过大,则盖面焊缝较宽,焊缝填充金属增多,由于自动焊的焊接参数在焊接过程中不能调节,因此造成盖面焊低于母材或发生咬边缺陷。如果坡口角度过小,则会导致焊缝余高超标,不利于排除熔池内的杂质或气体逸出,形成夹渣、气孔等缺陷。因此,必须经常检查刀具,及时更换损坏的刀具,确保加工出符合规范要求的坡口。

(2)管口组对错边。错边量偏大的地方容易产生未熔合、未焊透等缺陷。错边量大,相当于增大了坡口的钝边,钝边大了,不易焊透。在焊接前对这些部位用砂轮机适当打磨,并要求管工在组对前对错边量偏大的地方进行标注,提醒下道工序注意,避免产生缺陷。为了得到符合自动焊要求的组对管口,在布管前对防腐管的管口要进行级配,尽量减少错边量。

(3)保护气体纯度不够。工程初期使用的保护气体纯度不够,CO2气体含水较多,没有及时处理,现场混合的气体比例不一致,出现气孔等缺陷。为了保证气体纯度,选择了正规的供货商供应气体,厂家按照要求配制混合气体。

3、全自动超声波检测技术在西气东输管道工程中的应用

3.1全自动超声波检测技术的发展

从20世纪90年代初期开始,欧美一些技术公司就着手开发全自动超声波检测设备,具有代表性的公司有荷兰RTD公司、美国SHOW公司以及加拿大的R/DTech公司等,到90年代末期这些公司代表产品主要是多探头结构的超声波检测系统。多探头超声波检测系统探头盘比较笨重,对不同工件适应性较差,根据工件壁厚的差异一般需要配置10～30个以上的探头。90年代末期,R/DTech公司研制出了体积较小的相控阵超声波检测系统。相控阵超声波系统与多探头超声波系统主要区别是探头的结构不同,它采用了特制的相控阵探头,探头根据不同需要将多个晶片排列在里面,每个晶片相当于一个普通探头,因此,该系统探头盘重量相比多探头系统大大减小,最主要的是在不改动或较少改动的情况下,同一组探头可以适应不同管径、不同壁厚工件检测的需要。相控阵AUT系统与多探头AUT系统性能比较如表1所示。因此相控阵AUT技术与多探头AUT技术相比具有较强的适用性,必将成为全自动超声波检测技术的一个发展方向。

3.2相控阵全自动超声波工作原理

相控阵全自动超声波检测技术实际上是利用电子技术来控制超声波声束的合成来实现不同角度、不同方位的声束,以达到用同一探头实现对不同规格、不同尺寸工件探伤的需要。相控阵AUT原理,都是围绕晶片的延迟时间来进行的,相控阵探头中的每一具晶片被独立地激发并根据需要被施加不同的延迟时间,使合成声束达到改变聚焦角度和聚焦范围的目的。晶片的延迟时间决定了聚焦声束的大小、聚焦范围、闸门大小,晶片的尺寸决定着声束可变角度的范围。理论上相控阵技术可以使超声波声束角度任意可调。实际上为了避免温度、声速等的影响,最大声束角度一般不大于70°。

3.3工程中的应用

在2001年9月份开工的西气东输工程实验段中,相控阵超声波检测设备正式投入工程的应用当中,在这之前,西气东输管道公司参照API1104标准制定了国内第一个全自动检测标准Q/SYXQ7-2001西气东输管道工程管道对接焊缝全自动超声波探伤检测标准。

超声波探伤专用试块根据Q/SYXQ7-2001标准采用了济宁模具厂加工的专用试块,并增加有B扫描校准孔、TOFD校准槽、根部B扫描校准槽等人工缺陷。西气东输工程焊缝坡口形式主要有三种:V型、复合V型、U型,但在施工现场,到目前为止仅采用了V型坡口,其坡口角度为22.5°,根部间隙为2.5mm。选用67°的一次反射波来对熔合区焊缝扫查,钝边的扫查主要是针对根部未焊透和根部未熔合,在试块上通过加工一个垂直槽来模拟这类缺陷,在本例中采用了55°的三次波来进行扫查,同时用55°的角度进行B扫描,熔合区用45°的角度进行B扫描,TOFD则选用了70°的角度来进行扫描。A扫描全部采用了聚集波束,B扫描和TOFD扫描则为非聚集波束,所有A扫描和B扫描波形都是横波,TOFD波形则为纵波。

全自动超声波检测在西气东输的应用效果是显而易见的,如果用手动超声波检测,一道Á1016的焊口至少需要检测50min以上,而用AUT检测不到40s即可检测完毕,包括准备时间在内也少于4min。AUT的检测准确性也是明显的,通常一处缺陷可能被A扫、B扫和TOFD扫描所检出,通过A扫描和B扫描以及TOFD扫描结果相结合,可以准确地做出对绝大多数缺陷的判定,避免漏判错判的出现。

4、结语

长输管道自动焊技术具有效率高、质量稳定、对操作人员要求低的特点，在欧美发达国家得到了广泛的应用，采用率达到80%以上。我国的长输管道焊接仍以手工半自动焊为主，自动焊工艺采用率还不足10%。随着国产管道自动焊设备及技术的不断完善和创新，自动焊不仅可在平坦地区发挥质量和效率优势，而且将进一步拓展至山地长输管道施工，并成为我国长输管道建设的主要现场焊接方式，应用前景十分广阔。

参考文献

[1]陈建平，周晓辉，李东明，等.直径1.4mm焊丝管道自动外焊焊接工艺[J].电焊机，2016，46（8）：80-81.

[2]陈建平，冯柏军，杨锁军，等.长输管道焊接施工常见的焊接缺陷及防治要点[J].焊接技术，2013，42（10）：73-74.