高級(jí)鋼、大口徑長(zhǎng)輸管道全自動(dòng)焊技術(shù)研究

孔令飛

中海油石化工程有限公司 山東濟(jì)南 250000

《中長(zhǎng)期油氣管網(wǎng)規(guī)劃》指出，2020年我國(guó)長(zhǎng)輸管道為16.9萬(wàn)公里，到2025年將提升至24萬(wàn)公里。近年來(lái)，隨著長(zhǎng)輸管道建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，質(zhì)量事故也隨之增多，其中管道焊接缺陷是引發(fā)事故的重要誘因，改進(jìn)焊接方法、提升焊接質(zhì)量尤為重要。

1 焊接方法選擇分析

1.1 半自動(dòng)焊

20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)管道焊接開始引進(jìn)自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱半自動(dòng)焊)[1]。與傳統(tǒng)焊接方法相比，半自動(dòng)焊的焊接效率有所提升，且焊道成形效果更好、材料利用率更高。

（1）優(yōu)點(diǎn)。實(shí)踐證明，較大管徑管子采用半自動(dòng)焊不僅能夠提升工作效率，而且具備根焊效果好、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊絲無(wú)需烘烤等優(yōu)點(diǎn)，與此同時(shí)也降低了焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）缺點(diǎn)。①該方法無(wú)外加氣體保護(hù)，氣體是在施焊過(guò)程中產(chǎn)生的。在熔池內(nèi)產(chǎn)生的氣體釋放不均勻，導(dǎo)致金屬熔滴得不到很好保護(hù)，空氣中的氮?dú)鉄o(wú)法避免接觸焊接區(qū)域，不僅會(huì)對(duì)焊道的沖擊韌性和延展性產(chǎn)生不良影響，也易造成氣孔和裂紋等缺欠的產(chǎn)生。②焊絲配合比和藥粉質(zhì)量均對(duì)焊接造成影響。在實(shí)際的焊絲生產(chǎn)過(guò)程，受藥粉特性限制，藥粉填充沒(méi)有理論上均勻，可能造成焊接斷續(xù)和穩(wěn)定性差，導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。③當(dāng)高鋼級(jí)管道采用半自動(dòng)焊時(shí)，焊道的沖擊韌性受母材成分、焊絲質(zhì)量、空氣濕度等因素影響，這些因素很難控制。

1.2 全自動(dòng)焊

全自動(dòng)焊是在管子相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)下，將相關(guān)數(shù)據(jù)錄入焊接設(shè)備，通過(guò)電弧追蹤和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)管道焊速、焊絲、電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)控制。全自動(dòng)焊技術(shù)借助設(shè)備，對(duì)施工人員要求不高，焊工只起輔助作用。全自動(dòng)焊能確保熱輸入量符合工藝規(guī)程要求，進(jìn)而保證焊道的沖擊韌性和延展性。

某施工單位對(duì)不同鋼材供應(yīng)商和壓力管道供應(yīng)商組合管道的環(huán)向焊縫質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)溫度為零下10℃，鋼管為X80材質(zhì)，采用全自動(dòng)焊、進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)半自動(dòng)焊三種技術(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下圖所示：

數(shù)據(jù)表明，全自動(dòng)焊優(yōu)于半自動(dòng)焊，兩種半自動(dòng)焊技術(shù)均未達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)，且離散度大。

1.3 經(jīng)濟(jì)性分析

焊接成本由設(shè)備、材料和人工薪酬構(gòu)成。全自動(dòng)焊每機(jī)組每天的費(fèi)用約為半自動(dòng)焊的2.7倍，但焊接質(zhì)量好、工作效率高，費(fèi)用分?jǐn)傊撩康篮缚诩s相差5%。研究表明，當(dāng)管道焊接距離不足194.45公里時(shí)，半自動(dòng)焊更為經(jīng)濟(jì)；當(dāng)管道焊接總里程超過(guò)194.45公里時(shí)，選用全自動(dòng)焊技術(shù)更為合理[2]。

2 對(duì)口器選擇

大口徑、高級(jí)鋼管道作為大型焊接構(gòu)件，其組對(duì)間隙、錯(cuò)邊量、橢圓度等參數(shù)直接影響最終的焊接質(zhì)量，選擇合適的對(duì)口器十分關(guān)鍵。

2.1 外對(duì)口器

管道外對(duì)口器自上世紀(jì)70年代開始應(yīng)用，適用于手工焊和半自動(dòng)焊，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，主要有液壓、螺桿和鏈?zhǔn)饺N類型。

外對(duì)口器的優(yōu)勢(shì)：其一，成本較低、便于攜帶、使用簡(jiǎn)單；其二，使用人工操作即可，無(wú)需外部能源供應(yīng)；其三，適用于復(fù)雜環(huán)境，內(nèi)對(duì)口器無(wú)法實(shí)用的沼澤、彎頭、彎管、陡坡等地段，外對(duì)口器都可使用。但外對(duì)口器的矯正精度不高，對(duì)于管道錯(cuò)邊量、組對(duì)間隙和橢圓度無(wú)法精準(zhǔn)控制，且焊工勞動(dòng)強(qiáng)度高。

2.2 內(nèi)對(duì)口器

內(nèi)對(duì)口器是大口徑、高級(jí)鋼長(zhǎng)輸管道焊接作業(yè)應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備，主要有氣動(dòng)和液壓兩種類型。目前，內(nèi)對(duì)口器漲緊力已超過(guò)20MPa，可大幅度降低橢圓度誤差，減少管道錯(cuò)邊量、提升管道的組對(duì)精度，確保焊接參數(shù)符合焊接工藝要求，且設(shè)備操作方便，大幅降低了焊工的工作強(qiáng)度。

內(nèi)對(duì)口器也有一定的局限性：首先，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不能在水下等惡劣條件進(jìn)行作業(yè)；其次，在管道“死口”、“彎頭”、“彎管”、“陡坡”、“沼澤”等地段無(wú)法使用；最后，內(nèi)對(duì)口器費(fèi)用較高，且需要外接能源供應(yīng)，增加了施工成本。

3 全自動(dòng)超聲波檢測(cè)

GB50369-2014指出，當(dāng)采用全自動(dòng)焊技術(shù)時(shí)，優(yōu)先選用全自動(dòng)超聲檢測(cè)，使用射線檢測(cè)進(jìn)行復(fù)核。全自動(dòng)超聲波檢測(cè)和射線檢測(cè)對(duì)缺陷的判定標(biāo)準(zhǔn)存在差異，造成兩種判定結(jié)果時(shí)常會(huì)出現(xiàn)矛盾。相比之下，全自動(dòng)超聲檢測(cè)對(duì)線型焊接缺陷檢出率更高，尤其在快速檢測(cè)、缺陷定位、未融合缺陷檢出等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可更好控制全自動(dòng)焊質(zhì)量。現(xiàn)階段中國(guó)無(wú)損檢測(cè)資質(zhì)核準(zhǔn)還未覆蓋全自動(dòng)超聲技術(shù)，也無(wú)相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行認(rèn)證，所以在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中增加使用射線檢測(cè)復(fù)核全自動(dòng)超聲檢測(cè)結(jié)果的規(guī)定。

全自動(dòng)超聲技術(shù)的缺欠檢出率和靈敏度均優(yōu)于射線檢測(cè)，且缺陷定位更為準(zhǔn)確，對(duì)氣孔的檢出率雖低于射線檢測(cè)，可通過(guò)體積通道和衍射時(shí)差法來(lái)修正。

4 結(jié)語(yǔ)

高鋼級(jí)、大口徑管道采用半自動(dòng)焊技術(shù)存在焊縫沖擊韌性差等問(wèn)題，且很難避免。采用全自動(dòng)焊準(zhǔn)確控制焊接參數(shù)，可有效解決該問(wèn)題，也可提高施工效率。當(dāng)焊接總里程達(dá)到一定量時(shí)，全自動(dòng)焊的效率效果、成本優(yōu)勢(shì)更加明顯。通過(guò)全自動(dòng)超聲檢測(cè)替代射線檢測(cè)，能更加有效控制管道焊接質(zhì)量。

外對(duì)口器只適用于傳統(tǒng)手工焊和半自動(dòng)焊施工，且精度交低。內(nèi)對(duì)口器雖然精度等級(jí)更高，但受制于環(huán)境和能源供應(yīng)等限制。在管道焊接過(guò)程中，應(yīng)統(tǒng)籌考慮焊接方法、環(huán)境等因素，在長(zhǎng)距離、大管徑、高壁厚管道焊接過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇內(nèi)對(duì)口器，在“死口”、“彎頭”、“彎管”、“陡坡”、“沼澤”等地段，應(yīng)選擇使用外對(duì)口器和半自動(dòng)焊技術(shù)作為補(bǔ)充。

現(xiàn)階段全自動(dòng)超聲檢測(cè)需使用射線檢測(cè)復(fù)驗(yàn)，相信隨著全自動(dòng)超聲技術(shù)的逐步推廣和認(rèn)證體系的完善，管道焊縫的全自動(dòng)超聲檢測(cè)可以完全替代射線檢測(cè)，管道的全自動(dòng)焊技術(shù)將成為我國(guó)高鋼級(jí)、大口徑管道焊接的主要方法[3]。