小口徑管道全自動焊設備適用性改進技術研究

（中石化 江蘇油建工程有限公司，江蘇揚州225009）

0 前言

在長輸管道焊接方面，全自動焊接高效高速，質(zhì)量穩(wěn)定，操作簡便，焊縫外觀成形美觀、內(nèi)在質(zhì)量狀況穩(wěn)定，目前主要應用于大口徑、大壁厚管道，大機組流水作業(yè)[1-2]。如在沙特SWCC輸水管線建設就采用SERIMAX SATURNAX 05自動焊接系統(tǒng)進行壁厚15.88～22.22mm、直徑1930mm的API5L標準B、X42、X60、X65鋼管焊接。管線建設的關鍵在于焊接施工技術，焊接質(zhì)量決定著管線運行的安全性[3]。我國西氣東輸二線管道建設選用中油管道所生產(chǎn)的PAW2000A和PAW3000型管道自動焊機分別進行大管徑管道的熱焊與填充蓋面焊接[4]，但是在小口徑領域暫未見實際應用。

目前針對大管徑一般采用SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統(tǒng)，主要適用于直徑500 mm以上的長輸管道焊接。為了進行小口徑φ168mm管道焊接，對SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統(tǒng)進行改裝。但在將大口徑改造為小口徑管道焊接的過程中，由于管道直徑變化，焊槍角度、焊接小車行走輪以及焊接參數(shù)等都會發(fā)生變化，在此重點研究小口徑、大壁厚管道的全自動焊適應性改進技術，以及厚壁小口徑管道電弧焊接過程中不同參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。

1 試驗方法

試驗設備采用改造的SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統(tǒng)，如圖1所示。主要試驗條件如表1所示。

表1 主要試驗條件

每套SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統(tǒng)包括1個電源分配箱、4個焊接電源、2個電氣控制箱、2個送絲控制箱、2個雙槍頭焊接小車，如圖1所示。

圖1 SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統(tǒng)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊槍角度

由于管道直徑變化，焊槍角度隨之發(fā)生變化，在焊接小口徑管道時，采用原大口徑焊槍角度對焊縫成形和焊接質(zhì)量都有較大影響，需調(diào)整至與小口徑管道匹配的焊槍角度進行焊接。

2.1.1 焊槍結(jié)構(gòu)

SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統(tǒng)采用雙槍下向焊技術，如圖2所示。管道外作業(yè)，兩把焊炬固定在同一支架上，一前一后同步進行，焊接過程中采用垂直跟蹤系統(tǒng)以確保電弧穩(wěn)定。根焊時使用銅襯墊內(nèi)對口器[5-6]，單面焊雙面成型。填充焊雙槍處于鋼管橫向同一平面，蓋面焊時為得到一定的焊縫寬度，通過調(diào)節(jié)相關旋鈕使雙槍獲取一定的偏移量（前后“錯開”），實現(xiàn)排焊蓋面。

圖2 φ813 mm大口徑雙槍下向焊接示意與焊槍

2.1.2 焊接工作角分析及區(qū)間劃分確定

為了獲得適當?shù)娜凵钊蹖捄头奖阌^察熔池以保證良好的焊接質(zhì)量和焊縫外觀，焊接時焊槍角度一般約為90°。以直徑813 mm焊接系統(tǒng)的焊槍支架為基礎，分別選取直徑168 mm、336 mm、356 mm、610 mm、660 mm、813 mm和1 930 mm的鋼管（直徑小于168mm的鋼管不適用全自動焊接，暫不考慮），依次分析各個形成的焊槍角度，各管徑焊槍角度示意如圖3所示。1槍表示同一臺焊接小車的前焊炬，2槍表示同一臺焊接小車的后焊炬，焊槍支架中心線的延長線平行于各管徑的橫截面并過其圓心（下同），焊槍角度為焊槍與其和管道交點切線的夾角。

圖3 各管徑焊槍角度示意

比較分析發(fā)現(xiàn)：直徑813 mm鋼管上，1槍和2槍的焊槍角度分別為82°和83°，如圖4所示，焊接時焊槍角度與90°偏差在10°范圍內(nèi)，焊接質(zhì)量較穩(wěn)定；直徑660 mm和1 930 mm鋼管上，1槍的焊槍角度分別為80°和84°，2槍的焊槍角度分別為85°和82°，焊接時焊槍角度與90°偏差都在 10°范圍內(nèi)，焊接質(zhì)量較穩(wěn)定。隨著直徑的減小，從直徑610mm到直徑356mm鋼管上，1槍的焊槍角度逐漸減小至76°，焊接時 1 槍的焊槍角度與 90°偏差在 10°～15°。通過實驗可知，此時采用直徑813mm鋼管上所用的焊槍支架焊縫成形和焊接質(zhì)量均較差，2槍同理。

隨著直徑的進一步減小，從直徑336mm開始到直徑168 mm鋼管上，1槍的焊槍角度逐漸減小至64°，焊接時1槍的焊槍角度與90°偏差大于等于15°。通過實驗可知，此時采用直徑813 mm鋼管上所用的焊槍支架焊縫難以成形，2槍同理。

初步可確定同一個焊槍角度支架無法滿足直徑168～1 930 mm所有口徑的使用。

綜上所述并考慮實際應用影響因素：a.長輸管線口徑設計選用率；b.焊槍角度與90°偏差控制在10°以內(nèi)確保電弧穩(wěn)定；c.安裝便利性（減少焊槍支架角度種類）等。設直徑336 mm和直徑610 mm規(guī)格為臨界點，將焊接系統(tǒng)焊槍支架的適用范圍定為3種，分別適用直徑168～336mm、直徑356～610mm、直徑660～1 930 mm的管道焊接。新型焊槍支架的焊槍角度及其實物如圖5所示。

圖4 直徑813 mm鋼管上焊槍角度示意

圖5 各范圍焊槍角度及焊槍支架

管道直徑為168～336 mm時，焊槍角度80°～90°，焊接時焊槍角度與90°偏差在0°～10°；管道直徑為356～610 mm時，焊槍角度87°～90°，焊接時焊槍角度與90°偏差在 0°～3°；管道直徑為 660～1 930 mm 時，焊槍角度 81°～84°，焊接時焊槍角度與 90°偏差在1°～4°。采用新型焊槍支架焊接時工作角與90°偏差都在10°范圍內(nèi)，焊接時能確保電弧穩(wěn)定。

2.2 焊接小車行走輪的影響

由于管道直徑變化，焊接小車底部夾緊輪失效，小車易從軌道脫落，無法正常工作，需更換小車行走輪或加減相應墊片使焊接小車在軌道上穩(wěn)定行走，確保整個焊接過程的順利進行。

2.2.1 行走結(jié)構(gòu)

焊接小車上有2個與軌道嚙合的齒輪（驅(qū)動小車），和夾緊輪配合完成行走，如圖6所示。R為軌道外側(cè)半徑，B為軌道圓心到兩嚙合齒輪圓心連線的垂直距離，L為內(nèi)側(cè)夾緊輪與軌道接觸點到兩嚙合齒輪圓心連線的垂直距離（關鍵值），內(nèi)側(cè)夾緊輪兩嚙合齒輪之間的距離A=126 mm，嚙合輪半徑r=11 mm。

圖6 小車嚙合齒輪、夾緊輪實物及簡化示意

2.2.2 焊接小車夾緊輪結(jié)構(gòu)

焊接小車夾緊輪結(jié)構(gòu)如圖7所示。E為內(nèi)側(cè)夾緊輪與小車體之間安裝的墊圈厚度（通過調(diào)節(jié)此厚度可緊固夾緊機構(gòu)）。A、B型號的內(nèi)側(cè)夾緊輪實物及示意如圖8所示。H為存放備用墊圈厚度。A型：頸部高度8.5 mm；B型：頸部高度2 mm。

圖7 焊接小車夾緊輪結(jié)構(gòu)

圖8 A、B型號的內(nèi)側(cè)夾緊輪實物及示意

2.2.3 結(jié)構(gòu)分析

（1）關鍵值L的確定。根據(jù)圖6的幾何關系：

由式（1）、式（2）可得

由式（3）可知，A=126 mm，r=11 mm 都是定值，當軌道半徑R即管徑發(fā)生變化時，L有一個確定的對應值。當R為直徑813 mm鋼管的軌道半徑（軌道周長為 2 802.3 mm）時，由式（3）得 L1≈6.64 mm，如圖9所示。直徑813 mm鋼管使用的是A型夾緊輪，夾緊輪與小車體之間安裝E=6.7 mm厚度的墊圈。

圖9 直徑813 mm鋼管嚙合齒輪、夾緊輪方位簡化示意

（2）關鍵值L的適配分析。

由于管道直徑變化，L值為變量，原焊接小車底部夾緊輪失效，焊接小車易從軌道脫落。若使夾緊輪夾緊牢固正常工作，需匹配小車行走輪或加減相應墊片。

當R為直徑168 mm鋼管的軌道半徑（軌道周長為 791.7 mm）時，由式（3）得 L2≈-4.34 mm，如圖10所示。

圖10 直徑168 mm鋼管上嚙合齒輪、夾緊輪方位簡化示意

若在原直徑813 mm鋼管上行走的焊接小車上改動，內(nèi)側(cè)夾緊輪需向內(nèi)移（上移）L=L1-L2=10.98mm，約為11.0mm。另外由于直徑813mm與直徑168 mm制作工藝不同，直徑168 mm軌道的嚙合齒輪比直徑813 mm軌道的嚙合齒輪突出0.5 mm。

a.若選用A型，即使將E=6.7 mm厚度的墊圈全部去掉也無法滿足上移11.0 mm的要求，故A型不可用。

b.若選用B型，則上移6.5mm（8.5 mm-2 mm），考慮齒輪突出的0.5 mm，此時上移6 mm（6.5 mm-0.5 mm）。若要滿足上移11.0 mm的要求，只需將墊圈減去5.0 mm。故選用B型。此時墊圈剩余的厚度為E=1.7 mm（6.7 mm-5.0 mm），故需保留E=1.7 mm厚的墊圈，將多余的5 mm墊圈放在H處。

小結(jié)：通過安裝B型內(nèi)側(cè)夾緊輪，墊圈厚度E取1.7 mm進行試驗，嚙合適當，夾緊牢固，可以正常工作。

各個管徑的夾緊輪選用和墊圈厚度匹配如表2所示。

表2 夾緊輪和墊圈厚度匹配

2.3 焊接工藝參數(shù)

由于從直徑813 mm到直徑168 mm鋼管的直徑和厚度發(fā)生巨大變化，原有焊接工藝參數(shù)已不適應小口徑鋼管的焊接，主要表現(xiàn)為散熱慢、凝固慢等特點，需對焊接工藝參數(shù)進行適應性調(diào)整，即將焊接主要參數(shù)（焊接電流、焊接速度、送絲速度等）以逐步遞減2%的頻率進行試驗，并用SERIMAX焊接程序軟件進行穩(wěn)定性校驗，如圖11所示。

通過大量實驗證實，直徑168 mm鋼管上使用的焊接工藝參數(shù)相對于直徑813 mm鋼管上使用的焊接參數(shù)有以下變化：焊接電壓基本保持不變；焊接電流降低5%～15%；焊接速度降低5%～10%；送絲速度降低10%～20%。直徑168 mm鋼管的根焊及熱焊的焊接工藝參數(shù)如圖12所示。

2.4 產(chǎn)品件焊接

SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統(tǒng)經(jīng)過適應性改進后，在中石化XXX全自動焊接技術服務中心組織進行了24位不同技術水平的焊工的共計1 560道焊口的焊接試驗，如圖13所示，最終獲得表面魚鱗紋路清晰，美觀，基本無氣孔、表面夾渣、咬邊、凹坑等外觀表面缺陷的焊縫。經(jīng)無損探傷（RT，AUT，PAUT），未見未熔合、密集氣孔、未焊透等焊接缺陷。經(jīng)力學性能實驗發(fā)現(xiàn)各項指標均合格。

圖11 焊接參數(shù)軟件曲線

圖13 直徑168 mm鋼管的焊接與焊縫外觀

3 結(jié)論

SERIMAX SATURNAX 05全自動焊接系統(tǒng)從大口徑到小口徑適應性改進過程中主要存在3個問題：焊槍角度的變化無法滿足焊接質(zhì)量要求，焊接小車行走輪和焊接工藝參數(shù)的不適應性。通過相關焊接實驗和詳細分析研究解決了這3個主要的問題，適應性改進后的SERIMAX SATURNAX 05焊接系統(tǒng)具備穩(wěn)定、可靠的小口徑適應性焊接能力，可以進行高質(zhì)量、高效率的焊接工作，充分體現(xiàn)了此全自動焊接系統(tǒng)在小口徑管道項目上的技術可行性。