深水海底管線鋪設自動焊接技術研究

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(1.北京石油化工學院 能源工程先進連接技術北京高校工程研究中心，北京102617；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

我國海底管道鋪設在20世紀90年代末期引進了半自動焊技術，隨后又引進了更為先進的全自動焊技術[1-2]。但是，我國鋪管起重船上主鋪管作業線采用的一直是國外公司的全自動焊接設備，對工程作業造成很大的技術和經濟制約。為此，在“十一”期間，開始了深水海底管道鋪設焊接技術國產化研究[3-4]。本研究開發了海底管道鋪設自動焊接設備。

1 海底管道鋪設自動焊接設備研制

1.1 自動焊接設備總體設計

海底管道S形鋪設時，鋪管起重船上主鋪管作業線順序布置若干焊接工作站，順次完成根焊、填充焊和蓋面焊等工序。每個焊接工作站由2套雙車雙炬自動焊接系統組成，分別布置在管道左右兩側，各自完成管道半個圓周的焊接，見圖1。

2臺焊接小車安裝在同一圓導軌上，其中1臺焊接小車先從12點位置引弧向下焊接，之后另1臺小車從相同位置開始向下焊接，見圖1。

每臺焊接小車安裝2把焊槍，焊槍間距約為50 mm，焊接時形成2個獨立熔池。雙炬焊接與單炬焊接相比，焊接效率提高近1倍。

圖1 海底管道S形鋪設焊接工作站設備組成

1.2 自動焊接小車

自動焊接小車安裝在圓導軌上，見圖2，主要由小車鎖緊機構、小車底板、小車行走機構、焊槍橫向擺動機構、焊槍高低調整機構和焊槍組件組成。

圖2 自動焊接小車

海底管道帶有混凝土配重層，為保證鋪設效率、控制鋪設成本，嚴格控制管道兩端混凝土配重層剝離長度。自動焊接小車外形尺寸嚴格控制在長×寬×高=370 mm×285 mm×175 mm以內，滿足在狹小空間的操作需要。此外，海底管道鋪設每日鋪設量近200根，操作時需要頻繁裝卸焊接小車，要求小車輕巧，小車重量小于16 kg，大幅度降低了操作人員的工作強度。

1.3 自動焊接設備控制系統

自動焊接控制系統組成見圖3。該控制系統以工業PC機作為的主控制器，通過CAN總線實現與焊接小車各軸驅動電機、焊接電源等外圍設備的接口，通過Ethernet網絡接口實現上層監督計算機的通信。

圖3 自動焊接設備控制系統組成

該控制系統與現有的多數管道自動焊接系統相比，具有以下技術特點。

1) 焊接行走采用2個伺服電機驅動，2個電機的同步是通過驅動器內置的同步控制程序來實現的。

2) 焊車行走、焊槍橫向擺動、焊槍高低調整的4個驅動器集成在焊接小車車體之上，驅動器具備很高的智能，實現了車載計算，其顯著優點是減少了大量的連接電纜。驅動器自帶模擬量輸入接口，因而傾角傳感器輸出的焊車位置信號直接傳輸給驅動器。程序根據不同的焊車位置進行計算，控制焊接電源輸出不同的焊接電流，從而方便地實現全位置焊接。

3) 該控制系統通過采用CANOpen總線技術，不僅各個單元之間連接線纜大為減少，而且焊接系統的可擴展性得到巨大提高。

2 海底管道鋪設自動焊接工藝

2.1 工藝總體方案

海底管道鋪設對于焊接的基本要求是：在保證焊接質量的前提之下，要求盡可能高的焊接效率。

采用高效率的雙絲焊接完成根焊、填充焊和蓋面焊的完整過程。采用帶銅襯墊的內對口器進行根焊，襯墊的應用使得在保證背面焊透的前提下，能夠采用較大的焊接規范獲得較高的焊接效率。采用坡口角度為4～5°的窄坡口，對于壁厚為12.7 mm的管道而言，管道兩端對口之后外表面距離僅為7.0 mm左右，大幅度提高了焊接效率、減少了金屬填充量。

2.2 工藝實驗

焊接試驗管道為API 5L X65無縫鋼管，外徑323.9 mm，壁厚為12.7 mm，坡口為4°窄坡口，鈍邊厚2 mm，不留組對間隙。選用的焊絲型號為AWS A5.18 ER70S-6，焊絲直徑1.0 mm。焊接保護氣體為50%CO2和50%Ar的混合氣體。

采用內對口器進行管道組對，測量組對偏差，將偏差控制在容許范圍之內。焊接之前采用感應電加熱器進行管道預熱。管道左右2個半圓各自采用1臺焊接小車，其焊接過程均是雙炬焊接，根焊1遍、填充2遍、蓋面1遍。

焊接電源TPS4000采用一元化控制，通過設定送絲速度，焊接電流和焊接電壓自動與之匹配。半個圓周從平焊位置到仰臉焊位置分成12個區域，即P0～P12，每15°為1個區域，按照區域設置相應的焊接參數。

以管道根焊為例，焊車速度109～113 cm/min，焊槍擺動速度80～110 cm/min，擺動寬度1.6 mm，坡口兩側滯留時間0.1 s，前槍送絲速度為11.8～13.0 m/min，后槍送絲速度為10.0～11.2 m/min。

2.3 管道焊接接頭性能檢驗

按照API STD 1104-2005的標準，對焊接管道接頭進行目檢、超聲檢驗和力學性能試驗。結果均符合API STD 1104-2005的要求。管道接頭力學性能試驗包括拉伸、彎曲、刻槽斷裂、沖擊等力學性能試驗，試驗結果也都符合API STD 1104-2005規定的要求。試件拉伸強度為550～570 MPa，180°面彎、側彎和根彎均合格、不存在可見性缺陷，刻槽斷裂試驗合格，-20 ℃沖擊功平均值為150～376 J。

3 海底管道鋪設自動焊接海上試驗

3.1 建造場地模擬試驗

自動焊接設備在海上試驗之前，先在建造場地進行了模擬試驗，焊接管道接頭通過了超聲檢驗。

3.2 海上試驗

自動焊接設備海上試驗在塘沽海域進行，坐標北緯38°59，東經117°43。海試船舶為BH108。

試驗風速8 m/s，風向NW，流速17 cm/s，水深5 m，溫度-6℃。自動焊接試驗在焊接作業線工棚內進行，風速小于1.5 m/s，溫度同外部環境溫度。

海上試驗按照試驗大綱進行，總計焊接成功4個管道接頭，接頭全部通過了超聲檢驗。

4 結論

1) 焊接工作站采用雙車雙炬焊接，顯著降低了海上作業成本。

2) 焊接小車結構緊湊、重量輕，符合海上應用需要。

3) 自動焊接設備電控系統成功實現了焊車行走同步驅動、車載計算以及全位置自動焊接，使得焊接小車及整套設備具備優良的控制性能。

4) 自動焊接設備電控系統設計采用CAN總線技術，不僅各個單元之間連接線纜大為減少，而且焊接系統可擴展性得到巨大提高。

5) 采用帶銅襯墊的內對口器進行根焊，背面成形良好，根焊效率高。

6) 采用窄坡口，大幅度提高了焊接效率、減少了金屬填充量。

7) 根據焊接小車在半個圓周焊接過程中的不同位置，設置焊接參數，成功實現了根焊、填充和蓋面的完整過程。

8) 采用雙車雙炬焊接成功的管道接頭，目檢、超聲檢驗和力學性能試驗均符合API STD 1104-2005的要求。

9) 海上試驗之前，成功進行了建造場地模擬試驗。

10) 在BH108焊接線上進行海上試驗，全部管道焊接接頭通過了超聲檢驗。

[1] YAPP D, BLACKMAN S A.Recent developments inhigh productivity pipeline wlding[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,2004(1)：9-97.

[2] 劉曉昀.我國海底管道及焊接技術[J].中國造船，2003，44(增刊)：65-70.

[3] 姜錫肇,曹 軍,周燦豐，等.海底管線鋪設焊接工藝與設備研究[J].船海工程, 2010,40(3)：128-132.

[4] 周燦豐,焦向東,陳家慶,等.深水海底管道鋪設焊接系統設計[J].焊接, 2010(7)：16-20.