單槍自動焊在管道連頭口應用中的改進研究

劉曉文 牛連山 梁明明 李陽

摘要：利用內焊機根焊+實心焊絲氣保下向自動焊進行長輸管道焊接施工具有過程易于控制、焊接效率高、質量穩定的優勢。然而，由于組對和坡口因素，原有的自動焊技術在管道連頭施工中難以應用。連頭口具有寬窄不一、錯邊量大的特點，為實現管道連頭的自動化焊接，以CPP900-W1單焊炬管道自動焊系統為基礎，采用藥芯焊絲氣保護焊工藝，通過試驗對裝備功能及工藝參數進行優化，在坡口組對錯邊量3 mm，平焊位置和仰焊位置組對間隙相差2 mm（平焊位置組對間隙2.5 mm，仰焊位置組對間隙4.5 mm），得到能夠滿足連頭口自動焊要求的焊接裝備和焊接工藝參數，焊縫無損檢測結果及力學性能均滿足相關標準的要求。該設備和工藝現已在中俄東線現場得到應用且效果良好，大幅降低了焊工勞動強度，同時提高了焊接效率。

關鍵詞：油氣管道;自動焊;單焊炬;焊接效率

中圖分類號：TG457.6? ? ? 文獻標志碼：B? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0082-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.15

0? ? 前言

人類對石油和天然氣需求的不斷增加推動著油氣管道向大口徑、大壁厚、高鋼級方向發展，與之相適應的管道焊接技術和焊接裝備也在發生著巨大變化。近年來，自動焊在我國管道建設中已逐漸占據主體地位[1-3]。然而，管道施工建設中往往不可避免地會受到地理條件、人文和社會環境等外界因素的影響，導致現場多處留頭[4]，而連頭口組對后的焊口尺寸難以控制，容易出現寬窄不一、錯邊量大的情況，這嚴重制約了自動焊在連頭口焊接施工領域的應用，目前現場連頭口仍多使用手工和半自動焊的方法，焊接效率較低，影響焊接進度，嚴重的還會延誤工期、增大施工成本[5-6]。此外，近年來管道失效案例證明，手工和半自動焊已難以適應高鋼級管道焊接要求[7-8]。

目前我國長輸管道自動焊最常用的焊接方法是內焊機根焊+實心焊絲氣保下向自動焊（單焊炬熱焊、雙焊炬填蓋）。相比傳統的焊條電弧焊和半自動焊具有焊接效率高、焊接熱輸入小、接頭性能好的優勢，該焊接方法多用于主體管線施工，如近兩年建設的漠大二線、陜四線、中靖線和正在建設的中俄東線等，其主體管線建設主要采用的正是這種焊接方法[9-11]。但這種焊接方法需要使用內焊機在內部進行根焊，且外焊工藝對坡口尺寸精度要求較高，坡口適應性較差，很難滿足連頭口的焊接。因此，亟需開發一種能夠適應連頭口焊接的自動焊焊接方法和設備[12-14]。

1 試驗條件

1.1 管道連頭口特點

受地理條件、人文和社會環境等外界因素的影響，管道施工往往不能連續作業，而需要在建設受阻的位置留頭（如未完成征地協調的位置，鐵路、河流、公路、山區等需要開挖或者穿越的位置等），在其他位置重新起頭進行敷設。在管線交付投產前，在留頭的位置將未連接完成的管道連接起來即為管道連頭，管道連頭口可分為自由口和固定口，自由口中母管相對固定，待組對的管子可進行旋轉和移動，而固定口中兩端的管道均無法進行旋轉和自由移動。管道連頭口由于作業面小、作業區域分散，不適宜流水作業施工，且使用的鋼管多為主線路施工剩余或反復切割后的管道，管口變形較大、橢圓度較高。因此，由于管道和組對條件受限，連頭口具有錯邊量大、組對間隙寬窄不一的特點，是管道焊接施工的難點和重點。

1.2 試驗方法和設備

相比實心焊絲氣保下向焊，藥芯焊絲氣保上向焊具有焊接質量穩定、焊接過程易于控制、操作簡便等優勢[15-17]，更適用于連頭口的焊接。試驗采用藥芯焊絲氣保上向焊的方法進行熱焊、填充和蓋面焊接;使用手工氬弧焊進行根焊，在文中不做討論（現場亦有使用STT、RMD進行根焊，手工氬弧焊根焊質量較好）。

在管道自動焊作業中，用到的主要加工和焊接設備有管道坡口機、管道內焊機和管道外焊機。管道外焊機按照焊炬個數分為單焊炬和雙焊炬外焊機[18]。目前國內外生產管道自動焊設備的廠家主要有美國CRC-evans公司、法國Serimax公司、中國石油天然氣管道科學研究院有限公司、四川成都熊谷加世電器有限公司，在近兩年的工程中，國產自動焊設備已逐漸取代了進口設備，成為國內自動焊作業的主力軍[19-22]。試驗選用CPP900-W1單焊炬外焊系統（見圖1），該焊接系統為中國石油天然氣管道科學研究院自主研發、設計、生產的管道全位置自動焊系統，包括智能控制系統、焊接電源、焊接小車和軌道[23]。試驗所用管材是X80管線鋼，尺寸規格為φ1 422 mm×21.4 mm。試驗所用焊材為京雷AFR-91K2M，保護氣體為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%混合氣，氣體流量為20～25 L/min。使用單V型坡口進行試驗（見圖2）。首先，按要求的尺寸組對焊接進行焊接工藝參數的摸索;其后，針對模擬現場連頭口對口間隙不勻、錯變量大的特點，進行坡口適應性焊接試驗，坡口組對時調整錯邊量最大達到3 mm（焊接工藝規程內允許的最大錯邊量），平焊位置和仰焊位置的組對間隙相差2 mm（平焊位置組對間隙2.5 mm，仰焊位置組對間隙4.5 mm）。

完成管口組對和打底焊后，進行熱焊、填充和蓋面焊接工藝參數的摸索。CPP900-W1自動焊系統中可調的焊接參數有送絲速度、焊接速度、電壓修正、擺動寬度、擺動時間、邊緣停留時間，焊接程序選擇一元化藥芯氣保焊（1-MIG-R004）程序，焊接過程中電流、電壓值根據給定的送絲速度和電壓修正值按照工藝曲線自動匹配。整個焊口按空間位置劃分為12個區域，每個區域的參數可單獨設置（見圖3）。

2 設備及工藝改進

2.1 設備功能改進

2.1.1 擺寬調節功能改進

對于坡口寬度變化較大的連頭口的焊接，要求控制系統對手持盒的焊接速度和擺動寬度調整響應速度快，原CPP900-W1主控系統在接收到手持盒焊接速度或擺動寬度參數調整信號后，對信號分析處理，為避免在擺動電機轉動過程中調整參數，應在下一個擺動周期開始時做出調整。以焊接速度180 mm/min、單程擺動時間500 ms（不含邊停時間）、邊緣停留時間（200 ms）為例，一個擺動單程焊槍沿焊接方向移動距離為3 mm，邊緣停留時間內焊槍移動距離為1.2 mm，則一個擺動周期內（包含兩個擺動單程和兩個邊緣停留）焊槍移動距離為8.4 mm。當在t時刻焊工通過觀察發現焊槍擺寬不足，假設焊工反應時間小于200 ms，即在邊緣停留時間內（t1時刻）按下擺動增幅按鍵，忽略程序內信號判讀及預處理時間（小于10 ms），在優化前，程序設定為當前擺動周期內接收到的按鍵信號經過處理之后需等待焊槍進入下一個擺動周期時再執行動作，則從焊工按下擺動增幅按鍵（t1時刻）到實際擺寬增大（t2時刻）焊槍沿焊接方向的移動距離為7.2 mm，若擺寬與實際焊道寬度差距較大，則在該段距離內容易出現坡口邊緣未熔合或夾渣缺陷，這對焊接質量極其不利。為此，對程序進行優化，焊接過程中系統通過擺動電機控制信號和反饋信號對焊槍位置（擺動階段或者邊停階段）進行實時監控，當主控系統接收到焊槍擺寬調整信號，首先對當前焊槍位置進行判斷，如焊槍處于擺動階段，則在下一個邊停階段進行電機參數調整，如焊槍處于邊停階段，則立即對電機參數進行調整，程序優化后當按鍵在t1時刻按下，在t1'時刻（即下一個擺動單程時刻）焊槍擺寬即做出調整（見圖4），這大大減小了因寬度差異造成的坡口邊緣未熔合和夾渣的幾率。

2.1.2 速度調節功能改進

當坡口寬度增大時，增大擺寬的同時也需要減慢焊接速度，以保證焊層填充高度，這給焊工操作帶來很大不便，可能會由于某一參數調節滯后而產生焊接缺陷，因此，需建立一種擺寬與焊接速度聯動的調節機制。假設兩側坡口角度一致，即寬度變化僅是由組對間隙差異引起的，經過簡單推導，可以得到以下聯動關系式：

式中 ?v為進行擺寬調節時的速度調整量（單位：mm/min）;η為使用該工藝焊接時焊絲的熔敷率，經實際測算約為90%;Sw為焊絲截面積，對于φ1.2 mm藥芯焊絲Sw為1.13 mm2;vf為送絲速度（單位：mm/min）;vs為焊接速度（單位：mm/min）;ρw為焊絲密度（單位：kg/m3），試驗使用的焊絲密度約為6 318 kg/m3;ρ鋼為鋼的密度，7 800 kg/m3;?os為擺寬調整量（單位：mm）;h為單層填充高度（單位：mm），對于此工藝方法焊縫單層厚度一般設計為3～4 mm，此處h取4 mm。

將該聯動關系放入程序中對擺寬調節時的速度調整量進行計算，其中vf、vs、?os可通過程序讀取，其余參數按上述給定進行設置，實現了擺寬調節與焊接速度的同步調整。通過反復試驗，使用該算法進行焊接速度隨擺寬的同步調節，能夠保證焊口寬窄不一時，焊層厚度維持一致。

2.1.3 邊緣停留調節功能改進

當坡口組對錯邊量較大，在進行最后一層填充焊時，為保證兩側坡口均熔合良好，需要使電弧在較高一側坡口停留更長時間，以保證該側坡口熔合并填入足夠的填充金屬。原CPP900-W1擺動焊時，兩側邊緣停留時間相同，不能單獨調節。為適應錯邊量大的連頭口焊接，在每一層的焊接參數中增加一組變量用于分別調節擺動時的左、右邊停時間，同時增加觸摸屏左右邊停時間顯示功能，使焊工在焊接時可以根據實際情況對左、右邊停時間單獨進行調整，并能夠通過觸屏實時觀察當前執行的參數（見圖5）。

2.2 焊接工藝優化

2.2.1 焊接工藝參數摸索

對于試驗采用的坡口和壁厚，根焊后需進行熱焊1層，填充焊3層，蓋面焊1層，接頭的宏觀金相照片（見圖6）顯示，各層間和坡口熔合良好，焊層單層厚度適中。通過反復焊接試驗對不同位置的焊接參數進行摸索及優化，獲得最佳焊接工藝參數，如表1所示。可見，越靠近外層，擺動寬度越大，擺動時間與邊停時間增大，焊接速度相應降低;對于同一焊層不同位置，仰焊和立焊位置由于熔池受力狀態特殊，為保證焊縫成形及坡口熔合，需將焊接速度與送絲速度設置較小，擺寬、擺動時間、邊停時間設置較大，從立焊到平焊位置，焊接速度與送絲速度逐漸加大，擺寬、擺動時間、邊停時間逐漸減小。

2.2.2 坡口適應性試驗

使用程序優化后的CPP900-W1采用上述焊接參數進行坡口適應性試驗。按焊接工藝規程允許范圍內的極限進行組對，即錯邊量最大位置達到3 mm，對口間隙最大和最小位置相差2 mm。對焊后接頭進行無損檢測，RT根據《石油天然氣鋼制管道無損檢測》SY/T 4109-2013評定Ⅰ級合格（驗收等級為Ⅱ級），PAUT根據《油氣管道工程相控陣檢測技術規定》CDP-G-OGP-OP-153-2019-2評定Ⅰ級合格（驗收等級為Ⅱ級）。由錯邊量3 mm位置接頭宏觀金相（見圖7）及對口間隙最大和最小位置接頭宏觀金相（見圖8）可見，接頭內各層間及與坡口熔合良好，無明顯缺陷。

2.2.3 接頭性能試驗

依據《中俄東線天然氣管道工程技術規范》、《油氣管道工程焊接技術規定》CDP-G-OGP-OP-081.01-2016-1和國家標準GB/T 31032-2014《鋼質管道焊接及驗收》對焊接接頭進行取樣和性能分析試驗，檢測項目及試樣數量為：橫向拉伸試樣4個、全焊縫拉伸試樣2個、刻槽錘斷試樣4個、側彎試樣8個、背彎試樣4個、金相試樣3個、硬度試樣3個、沖擊（-20 ℃）試樣36個、系列沖擊（0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃、-45 ℃、-60 ℃）試樣72個。試驗數據如表2～表6所示，沖擊試驗數據量較大，此處不一一列舉，表6列出了各組沖擊試驗的單個最低值和最低平均值。各項力學性能指標均滿足相關標準和規范要求。

3 現場應用及后期工作展望

目前，經過升級優化的CPP900-W1設備已在中俄東線北段管道連頭焊接中得到廣泛應用且效果良好，自動焊焊層缺陷率較低，其合格率可達90%以上。與傳統的手工和半自動焊相比，大大降低了焊工的勞動強度，同時焊接效率提高了約50%。在使用CPP900-W1自動焊連頭施工中發現，制約連頭口焊接合格率的主要因素為根焊質量不穩定，由于管道自動外根焊技術現場應用較少，目前連頭口根焊仍采用手工或半自動焊，根焊質量受焊工水平和狀態影響極大，高水平的根焊工資源稀缺，用工成本也大幅增加。此外，近年來的管道失效案例證明根焊質量對管道環焊縫力學性能及管道服役安全性影響巨大，管道工程對根焊質量的要求也日益嚴格。因此，在具備連頭自動焊功能的CPP900-W1基礎上增加根焊功能，解決管道全位置自動根焊的問題，將成為后續解決管道連頭自動焊問題的工作重點。

4 結論

（1）針對管道連頭口開口不勻、錯邊量大的特點，優化CPP900-W1自動焊系統的擺動寬度調節功能、速度調節功能和邊緣停留調節功能，能夠滿足連頭口焊接的使用要求，實現了長輸管道連頭口的自動化焊接。

（2）使用優化后的CPP900-W1自動焊系統開展焊接工藝試驗，得到了一套φ1 422 mm×21.4 mm管道自動焊工藝參數;坡口適應性試驗表明使用該自動焊系統及焊接工藝能夠滿足連頭口焊接要求，焊縫成形美觀、焊接質量滿足現場檢測標準要求;接頭力學性能試驗表明，各項性能指標均滿足相關規范要求。

（3）CPP900-W1自動焊系統及工藝已在中俄東線北段連頭焊接中得到廣泛應用，焊接合格率高、降低了焊工勞動強度并大幅提高了焊接效率。

（4）目前管道連頭自動焊主要應用于填充和蓋面焊接，根焊仍采用手工和半自動焊方式，根焊效率低且質量不穩定，因此在原自動焊基礎上開發適用于管道連頭應用的根焊功能將成為后面的工作重點。

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