長輸管道的現(xiàn)狀和發(fā)展

【摘 要】自動(dòng)焊接技術(shù)以其不可比擬的優(yōu)勢漸漸成為管道焊接中主要的施工力量，在這種形式下，無論是國內(nèi)的還是國外的自動(dòng)焊技術(shù)及設(shè)備，都在推廣應(yīng)用中迅速發(fā)展和完善，全位置自動(dòng)焊接技術(shù)及設(shè)備在管道施工中也發(fā)揮著越來越重要的作用。

【關(guān)鍵詞】手工焊接技術(shù)；半自動(dòng)焊接技術(shù)；全位置自動(dòng)焊機(jī)技術(shù)；管道焊接技；術(shù)的發(fā)展方向

隨著我國石油工業(yè)的發(fā)展和油田數(shù)字化建設(shè)的不短完善，長輸管道工程建設(shè)也得到迅猛發(fā)展，大口徑、高壓輸送油氣等介質(zhì)長輸管道的集中控制、減少站點(diǎn)、工作可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)收到越來越廣泛的重視。長輸管道作為遠(yuǎn)距離油氣輸送的主要方式，已經(jīng)成為我國能源戰(zhàn)略重要的一環(huán)。

長輸管道除特殊地形，一般均為地下敷設(shè)，運(yùn)行中不易發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)，尤其是建設(shè)中未檢出的缺陷，所以管道質(zhì)量對(duì)其安全運(yùn)行和使用壽命是非常重要的，管道焊接技術(shù)是管道建設(shè)中必須嚴(yán)格控制的關(guān)鍵技術(shù)，不僅直接關(guān)系到工程的焊接質(zhì)量、施工效率和成本，而且對(duì)管線運(yùn)行期間的安全可靠性和經(jīng)濟(jì)效益也有重要的影響。開展管道工程的焊接技術(shù)研究，提高焊接技術(shù)水平，是現(xiàn)代優(yōu)質(zhì)、高效施工的必然要求。

一、長輸管道焊接技術(shù)現(xiàn)狀分析

長輸管道施工管口焊接有多種焊接工藝：（1）手工焊工藝，包括藥皮焊條電弧焊（SMAW）、手工烏極氬弧焊（TIG）（2）半自動(dòng)焊工藝，包括熔化極氣體保護(hù)半自動(dòng)焊（包括活性氣體保護(hù)STT半自動(dòng)焊、半自動(dòng)熔化極氬弧焊MIG、半自動(dòng)活性氣體保護(hù)焊MAG、自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊FCAW（3）熔化極活性氣體保護(hù)自動(dòng)焊AW。此外，還有埋弧自動(dòng)焊SAW、電阻焊—閃光對(duì)焊FBW等。

（一）手工焊

1888年，俄羅斯發(fā)明了手工電弧焊技術(shù)。直到20世紀(jì)初，在瑞典發(fā)明卡爾伯格過程（Kjellberg process）和Quasi-arc方法傳入英國后，藥皮焊條才開始發(fā)展起來。值得注意的是，由于成本較高，剛開始人們不怎么使用藥皮焊條。但是隨著人們對(duì)焊縫質(zhì)量要求的提高，手工電弧也開始使用藥皮焊條。同時(shí)，金屬棒上熔化的藥皮會(huì)形成氣體和熔渣，保護(hù)焊接熔池不受周圍空氣的影響。因?yàn)槿墼鼤?huì)冷卻、凝固，所以一旦焊縫焊完（或在熔敷下個(gè)焊道前）就必須從焊道上清除熔渣。在焊鉗更換新的焊條前，手工電弧焊過程只能完成短焊縫的焊接。手工焊參數(shù)規(guī)范小、焊縫熔深淺，熔敷質(zhì)量取決于焊工的技能（見圖1）。

1、焊條電弧焊具有靈活、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)由于焊條工藝性能的不短改進(jìn)，其熔敷率、力學(xué)性能仍能滿足當(dāng)今管道建設(shè)的需要，尤其是連頭、返修工藝應(yīng)用較多。焊條分為纖維素型焊條和底氫型焊條，其下向焊和上向焊兩種方法的有機(jī)結(jié)合在很多施工中仍是其他焊接方法無法替代的。

1.1、、纖維素焊條。特點(diǎn)：在所有位置都能形成較深的熔深；適用于向下立焊；容易產(chǎn)生大量的氫——有造成熱影響區(qū)（Haz）裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2、、氧化鈦焊條。特點(diǎn)：起弧容易，粘性熔渣能形成良好的焊道外形；定位焊接可能會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)的熔渣（含氟化物）；易清除熔渣。

1.3、、堿性焊條。特點(diǎn)：低氫焊縫金屬，要求高焊接電流/速度，焊道成形差（表面輪廓彎曲、粗糙），清除熔渣困難；但降低了焊縫的裂紋傾向。其缺點(diǎn)是，焊接時(shí)要求焊工技術(shù)較高，不易掌握，且焊工勞動(dòng)強(qiáng)度高

2、手工烏極氬弧焊：焊接質(zhì)量好，背部無焊渣，一般用來進(jìn)行戰(zhàn)場壓縮機(jī)進(jìn)出口、球閥等設(shè)備，以及管徑較小、壁厚較薄的工藝管道，安放式角焊縫的安裝焊接。烏極氬弧焊方法要求焊前嚴(yán)格經(jīng)行坡口清理，焊接過程中須有防風(fēng)措施。其缺點(diǎn)是適應(yīng)能力較差，不適合在主體管線焊接中應(yīng)用。

（二）半自動(dòng)焊

半自動(dòng)焊技術(shù)是二十世紀(jì)50年代發(fā)展起來的，該技術(shù)主要是采用電機(jī)帶動(dòng)大盤連續(xù)送絲取代手工焊條，同時(shí)，焊絲采用內(nèi)藥芯的結(jié)構(gòu)，焊接過程中，可以采用保護(hù)氣，也可直接焊接。由于半自動(dòng)焊大大提高了焊接效率，降低了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，在管道施工中得到了廣泛應(yīng)用。

1、自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊

該項(xiàng)技術(shù)在1996年的庫鄯線管道工程中首次應(yīng)用，隨后在蘇丹、蘭成渝、澀寧蘭等管道工程中推廣應(yīng)用，這種焊接方法操作靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，焊接熔敷率高，焊接質(zhì)量好，焊工易于掌握，焊接合格率高，是目前國內(nèi)管道工程中重要的填充、蓋面焊接方法（見圖2）。

半自動(dòng)藥芯保護(hù)焊特點(diǎn)是：（1）采用氣渣聯(lián)合保護(hù)，焊縫成形美觀，電弧穩(wěn)定性好，飛濺少。 （2） 焊絲熔敷速度快，熔敷效率（大約為85%-90%）和生產(chǎn)率都較高（生產(chǎn)率比手工焊高3-5倍）。（3） 對(duì)各種鋼材適應(yīng)性強(qiáng)，通過調(diào)整焊劑的成分與比例可提供所要求的焊縫金屬化學(xué)成分。（4） 在管道施工中主要是應(yīng)用下向焊技術(shù)，規(guī)范大、焊速度高。其缺點(diǎn)是，焊工勞動(dòng)強(qiáng)度高，焊藥焊接時(shí)產(chǎn)生的氣體對(duì)焊工傷害較大。

2、CO2氣保護(hù)半自動(dòng)焊

我國目前CO2氣保護(hù)焊接目前在管道建設(shè)中主要以STT（Surface tension tremsfer）技術(shù)和RMD技術(shù)為主。

（1） STT技術(shù)是美國林肯公司在2002年左右研發(fā)的一種通過熔滴金屬表面張力過渡實(shí)現(xiàn)管道環(huán)焊縫根焊的一種單面焊雙面成型根焊技術(shù)（見圖3）。林肯公司在該技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了STT-1型、STT-2型專用焊接電源和專用送絲機(jī)，由于送絲機(jī)為開放式結(jié)構(gòu)，且采用外加氣體保護(hù)的焊接方式，致使該工藝受外界影響較大，在施工現(xiàn)場應(yīng)用很難保證焊接質(zhì)量。

（2） RMD（ Regulated metal deposition ）是Miller公司開發(fā)的熔滴精確控制的短路過渡技術(shù)，能通過檢測短路電流發(fā)生時(shí)間來及時(shí)改變焊接電壓和焊接電流，是一種半自動(dòng)的根焊技術(shù)。

RMD根焊參數(shù)設(shè)置簡單，焊接程序確定后，只需設(shè)置送絲速度即可自動(dòng)匹配其他焊接參數(shù)，易于操作。且具有電弧挺力大、融合性能好、焊縫成形美觀、飛濺小、與傳統(tǒng)根焊技術(shù)相比用時(shí)較短、焊接缺陷率低等特點(diǎn)，極為適合野外環(huán)境下的施工作業(yè)。

總結(jié)：隨著管道施工技術(shù)及高強(qiáng)鋼管材的發(fā)展，以及QHSE管理制度的完善，由于藥芯半自動(dòng)焊焊絲在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生的大量氣體對(duì)焊工和環(huán)境造成污染，大大限制了半自動(dòng)焊技術(shù)在施工現(xiàn)場的應(yīng)用，在歐洲基本上已經(jīng)不允許藥芯半自動(dòng)焊的應(yīng)用了。

（三） 全位置自動(dòng)焊

管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)是二十世紀(jì)90年代才在國內(nèi)管道施工中應(yīng)用的先進(jìn)的焊接技術(shù)及工藝。管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)改變了人工直接焊接的方法，改而采用先進(jìn)的焊接小型機(jī)器人代替人工實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接過程；采用程序控制整個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和焊接參數(shù)，剔除了人為干擾的因素，從而能夠保證焊縫力學(xué)性能的穩(wěn)定性和一致性。

1、自動(dòng)根焊

自動(dòng)根焊機(jī)包括自動(dòng)內(nèi)焊機(jī)和外焊機(jī)單面焊雙面成型。

（1）自動(dòng)外焊機(jī)單面焊雙面成型根焊

單面焊雙面成型根焊設(shè)備主要為意大利PWT公司的CWS.02NRT型自動(dòng)外焊機(jī)，以及美國林肯公司的STT電源匹配自動(dòng)焊機(jī)。這項(xiàng)焊接技術(shù)具有適用范圍廣、根焊成型好、根焊強(qiáng)度高、力學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。其缺點(diǎn)是對(duì)焊接組對(duì)要求很高，焊接質(zhì)量很難控制，受外界影響較大，和STT一樣需要做防風(fēng)處理（見圖4）。

（2）內(nèi)焊機(jī)

內(nèi)焊機(jī)。集管口組對(duì)和內(nèi)焊接于一體，采用起保護(hù)焊，直流反接。從管內(nèi)部沿加工成型的內(nèi)坡口實(shí)現(xiàn)根部焊接。由于內(nèi)焊機(jī)焊接過程采用的是多個(gè)焊接單元同時(shí)進(jìn)行焊接，因此內(nèi)焊機(jī)的焊接速度非常快，純焊接速度僅需1 min半左右，而且內(nèi)焊道的成形相當(dāng)美觀、力學(xué)性能非常好。內(nèi)焊機(jī)以其焊接速度快，焊接質(zhì)量好，力學(xué)性能穩(wěn)定，受外界焊接影響較少，而且操作簡單，非常易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在大口徑管道建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用（見圖5）。其缺點(diǎn)是成本高（一臺(tái)內(nèi)焊機(jī)只適用于一定范圍內(nèi)的管徑焊接），且體積大，不利于設(shè)備搬遷。

2、自動(dòng)外焊機(jī)

在西氣東輸二線以及中亞ABC自動(dòng)外焊機(jī)都大量采用了美國CRC公司出的雙槍雙弧全位置自動(dòng)焊機(jī)。雙槍頭焊接小車是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它安裝在焊接軌道上，帶著焊槍沿管壁作圓周運(yùn)動(dòng)。它的核心部分是行走機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)和焊槍擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，為使行走電機(jī)執(zhí)行計(jì)算機(jī)控制單元發(fā)出的位置和速度指令，電機(jī)帶有測速反饋機(jī)構(gòu)，以保證電機(jī)在管道環(huán)縫的各個(gè)位置準(zhǔn)確對(duì)位，而且具有較好的速度跟蹤功能。送絲機(jī)構(gòu)的送絲速度準(zhǔn)確穩(wěn)定，具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，動(dòng)態(tài)性能較好，同時(shí)具有足夠的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。焊槍擺動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有焊槍相對(duì)焊縫左右擺動(dòng)、左右端停留、上下左右姿態(tài)可控、焊槍角度可以調(diào)節(jié)的功能。焊接小車的上述各個(gè)部分，均由計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)可編程的自動(dòng)控制，程序啟動(dòng)后，焊接小車各個(gè)部分按照程序的邏輯順序協(xié)調(diào)動(dòng)作。而需要時(shí)也可由人工干預(yù)焊接過程，而此時(shí)。程序可根據(jù)干預(yù)，可在一定范圍內(nèi)的自動(dòng)調(diào)整焊接參數(shù)并執(zhí)行。CRC雙槍雙弧全位置自動(dòng)焊機(jī)大大降低了工人的勞動(dòng)力，很大的提高了焊接效率。以西氣東輸和中亞C線工程Ф1219管線為例，壁厚為18.4mm， 純填充蓋面焊接速度為20分鐘左右（見圖6）。

CRC自動(dòng)雙槍雙弧全位置自動(dòng)焊機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度小，操作簡單，焊工易于掌握；

（2）熱輸入低、力學(xué)性能非常好、焊接施工速度快、效率高、表面成型好；

CRC自動(dòng)雙槍雙弧全位置自動(dòng)焊機(jī)的缺點(diǎn)是，

（1）故障率較高。

（2）焊接質(zhì)量受外界影響很大，對(duì)氣體中的雜質(zhì)、坡口上的銹和油等反應(yīng)敏感，易出現(xiàn)氣孔，且由于其使用的是1mm的實(shí)心焊絲，產(chǎn)生的熔池較小，如果坡口有變化，很容易出現(xiàn)單邊未熔等缺陷，所以一次焊接合格率較低。

隨著管道焊接工程建設(shè)對(duì)質(zhì)量要求越來越高，大管徑高強(qiáng)度鋼的使用越來越廣泛，自動(dòng)焊以其力學(xué)性能好，功效高的特點(diǎn)已經(jīng)被廣泛的得到認(rèn)可和應(yīng)用，自動(dòng)焊內(nèi)焊機(jī)和CRC全位置外焊機(jī)就在西氣東輸、中亞ABC線等大型管道建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。

二、管道焊接技術(shù)的發(fā)展方向

隨著“西氣東輸”和“中亞管道”等國內(nèi)外大型工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)在管道建設(shè)施工的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來；隨著新型管線鋼的研制和應(yīng)用，管道環(huán)焊縫的質(zhì)量和力學(xué)性能對(duì)焊接技術(shù)及裝備的要求越來越高，所以對(duì)新型高效智能焊接技術(shù)及焊接裝備的研發(fā)和應(yīng)用，就成了管道建設(shè)重要的課題。

（一）雙弧四絲焊接技術(shù)

1、雙弧四絲焊接技術(shù)研發(fā)

面對(duì)全位置自動(dòng)焊接的廣泛應(yīng)用，雖然其有著的得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，但是也存在著很多先天的不足。其中重要的一點(diǎn)就是：由于自動(dòng)焊接技術(shù)是采用氣體保護(hù)焊接，使用直徑較細(xì)的實(shí)心焊絲，這就決定了它與其它焊接方法相比存在著一個(gè)重要缺點(diǎn)：焊縫未融合比率很高。目前自動(dòng)焊接技術(shù)發(fā)展中，焊道未熔合缺陷已經(jīng)成了一道技術(shù)屏障。各個(gè)國家的管道全位置自動(dòng)焊接技術(shù)人員以及世界上比較著名的管道技術(shù)專業(yè)公司（如：美國的CRC-EVANS公司等），都開展了對(duì)管道全位置自動(dòng)焊接設(shè)備及技術(shù)的研究，以解決全位置自動(dòng)焊接過程中焊縫未熔合問題。雙弧四絲焊接技術(shù)的出現(xiàn)就很好的解決了這一問題。

雙弧四絲的焊接技術(shù)是從單弧雙絲焊機(jī)技術(shù)衍生而來的（見圖7）。單弧雙絲焊接是指在特定的焊接工藝下，在焊接過程中通過設(shè)備和一定焊接技術(shù)支持，來實(shí)現(xiàn)兩根焊絲同時(shí)在同一電弧工作，以此來增大電流密度，增加熔寬從而在一定程度上消除焊接中易出現(xiàn)的焊接未熔合缺陷的一種焊接方法。目前單弧雙絲管道焊接技術(shù)及設(shè)備是我國自動(dòng)焊接技術(shù)的主要研究課題。如果我們將單弧雙絲的焊接技術(shù)與雙焊炬自動(dòng)焊技術(shù)相結(jié)合，就可以推出雙弧四絲焊接技術(shù)。

2、雙弧四絲焊接技術(shù)前景

世界著名的美國CRC—EVANS公司從2001年正式推出P600雙焊炬自動(dòng)焊機(jī)開始，就著手進(jìn)行管道全位置雙弧多絲焊接技術(shù)的研究，但到目前位止也停留在實(shí)驗(yàn)室階段。國內(nèi)單弧雙絲、多弧多絲等焊接工藝在造船、大型結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)、設(shè)備生產(chǎn)中已有應(yīng)用，但僅局限與埋弧焊接工藝中，在管道全位置自動(dòng)焊接中未有應(yīng)用。

雙弧四絲管道全位置自動(dòng)焊機(jī)具有熔敷效率高、焊接速度快、焊接電流密度高、自然熔寬大、電弧穩(wěn)定、飛濺小等技術(shù)特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的自動(dòng)焊工藝相比，可減少金屬填充量25%以上。該技術(shù)不僅可以大幅提高焊接效率、大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還可節(jié)省焊材、節(jié)約施工成本，帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益。是目前國際管道高效焊接技術(shù)發(fā)展的主要方向之一，目前還處在實(shí)驗(yàn)階段，在不久的將來雙弧四絲自動(dòng)焊接技術(shù)定會(huì)成為管道全位置自動(dòng)焊接的主流技術(shù)。

（二）藥芯焊絲管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)

藥芯焊絲自保管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)是結(jié)合現(xiàn)有成熟自動(dòng)焊技術(shù)和自保藥芯焊絲基礎(chǔ)上發(fā)展起來的（見圖8）。藥芯焊絲自動(dòng)焊技術(shù)具有焊接規(guī)范大、焊接質(zhì)量可靠、無需防風(fēng)棚、機(jī)組配置簡單、施工費(fèi)用低等特點(diǎn)，是目前國際管道焊接技術(shù)發(fā)展的方向之一。CRC-EVANS公司在俄羅斯、印度等地區(qū)有應(yīng)用；我研究院也正在進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。

（三）多點(diǎn)同步管道全位置自動(dòng)焊

多焊炬管道全位置自動(dòng)焊是自動(dòng)焊技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。該技術(shù)通過將焊縫參數(shù)分段和多點(diǎn)同步焊接實(shí)現(xiàn)高焊接效率。多焊炬自動(dòng)焊技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了鋼制管道外環(huán)焊縫的自動(dòng)焊化、智能化焊接，該技術(shù)目前還處于研發(fā)階段（見圖9）。

三、結(jié)束語

我國管道焊接技術(shù)在焊接材料、方法、工藝和設(shè)備等應(yīng)用方面與國外的技術(shù)差距越來越小，自動(dòng)焊技術(shù)已基本普及應(yīng)用。但是國內(nèi)的焊接材料多滿足于手工焊，半自動(dòng)焊絲和自動(dòng)焊絲自主研發(fā)和生產(chǎn)不足，相當(dāng)一部分還需要進(jìn)口。同時(shí)國內(nèi)焊接材料的性能也有待改善，產(chǎn)品系列化不足。在焊接電源方面，主要還是依靠美國林肯公司生產(chǎn)的焊機(jī)，用于打底的自動(dòng)根焊機(jī)電源國內(nèi)還沒有生產(chǎn)，最近國外發(fā)達(dá)過節(jié)在深熔電子束焊、激光輔助熔化極氣體保護(hù)電弧焊方面也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

隨著國內(nèi)X80管線鋼材在大型管道建設(shè)的應(yīng)用成功，更高級(jí)的管線鋼材X100和X120不久也將應(yīng)用在國內(nèi)管道建設(shè)上。管線鋼材級(jí)別的提高，必然對(duì)焊接技術(shù)要求越來越高，尤其是對(duì)焊接材料和焊接設(shè)備的性能要求越來越高，因此國內(nèi)在焊接技術(shù)方面還有很大的提升空間，對(duì)焊接材料和設(shè)備的需求也會(huì)進(jìn)一步增加。

【參考文獻(xiàn)】

[1]《現(xiàn)代焊接》 2010年第六期

[2]《管道焊接技術(shù)》 北京：石油工業(yè)出版社 2007

[3]《管道焊接主要技術(shù)及裝備專題講座》 作者 張峰