海外大中型光熱電站管道焊接方法選擇探討

周建美

中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司 江西南昌 330001

1 序言

近年來，我國施工企業(yè)在海外工程履約過程中，因工期延誤而遭受巨額賠償?shù)氖录r(shí)有發(fā)生，每延誤一天工期就會被處以10～20萬美元的罰款。有報(bào)道顯示，個(gè)別項(xiàng)目因工期延誤而被處以10億美元罰款。

中國電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司于2019年下半年承接了海外某大型光熱電站工程管道施工任務(wù)，該工程開工初期便遭遇新冠疫情，人員、設(shè)備進(jìn)場困難，工程存在較大的工期延誤處罰風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)施工合同的規(guī)定，關(guān)鍵工期節(jié)點(diǎn)每延誤1天，承建方應(yīng)支付違約金4萬余元人民幣。該工程焊接工作量大、質(zhì)量要求高，焊縫要求100%無損檢測，焊接作業(yè)將是制約整個(gè)工期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了滿足工期需要，焊接技術(shù)人員對200MW槽式光熱電站項(xiàng)目導(dǎo)熱油區(qū)、熔鹽區(qū)導(dǎo)熱油管道，以及熔鹽管道的焊接方法選用進(jìn)行了分析、探討，通過海外某光熱發(fā)電站的現(xiàn)場實(shí)踐，取得了較為顯著的效果，可為同類項(xiàng)目提供借鑒與參考。

2 槽式光熱電站焊接工程量簡介

海外某200MW槽式光熱電站項(xiàng)目導(dǎo)熱油區(qū)、熔鹽區(qū)管道材質(zhì)為SA106 Gr.B，規(guī)格主要有DN1600×31.75mm，DN1400×31.75mm，DN1300×31.75mm，DN1100×23.83mm/30.18mm，DN1000×20.62mm/28.58mm等，總焊接當(dāng)量約為19萬DI左右。

焊接當(dāng)量修正系數(shù)＝[（厚度－8）/2.0]×0.1+1

焊接當(dāng)量DI＝管道外徑（單位為英寸）×焊接當(dāng)量修正系數(shù)（當(dāng)焊接當(dāng)量修正系數(shù)＜1.0時(shí)，按1.0考慮納入計(jì)算公式）[1]。

3 海外光熱電站工程焊接、檢測特點(diǎn)

（1）焊接工作量大 光熱電站管道與同等容量的火電機(jī)組相比，一般壓力、溫度低，多為大口徑、厚壁管道，焊接工作量多集中在鏡場區(qū)、導(dǎo)熱油區(qū)、熔鹽區(qū)等，主要包括大管徑高壓導(dǎo)熱油管道、熔鹽不銹鋼管道，以及附屬其他管道等焊接工作[2]。

（2）無損檢測工作量大、效率相對低 光熱電站附屬管道、導(dǎo)熱油管道、熔鹽管道等必須做100%射線檢測（現(xiàn)場常采用伽馬射線檢測），為了提高工作效率，經(jīng)多次協(xié)調(diào)，業(yè)主同意增加PAUT檢測。根據(jù)合同規(guī)定，項(xiàng)目現(xiàn)場應(yīng)由業(yè)主方認(rèn)可的當(dāng)?shù)氐谌綑z驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行管道焊縫的無損檢測，并由當(dāng)?shù)氐谌綑z驗(yàn)檢測機(jī)構(gòu)出具檢測合格報(bào)告后，閉口前需經(jīng)總包方和業(yè)主方審核并簽字確認(rèn)所有報(bào)告。由于要經(jīng)過三方全程審核，各方對焊接缺欠的判定標(biāo)準(zhǔn)掌握有一定偏差，在對各水壓試驗(yàn)文件包進(jìn)行檢查時(shí)，對焊接缺欠爭議的判定需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，為了加快意見的統(tǒng)一，對存在爭議缺欠的焊接接頭采用了多種檢測方法，增加了無損檢測的工作量。

（3）焊接質(zhì)量要求高 光熱電站的管道介質(zhì)大多為導(dǎo)熱油和熔鹽，屬于特種介質(zhì)管道，一旦發(fā)生滲漏，容易引起火災(zāi)、爆炸，對環(huán)境造成污染，危害非常大，因此對焊接質(zhì)量要求很高。

（4）焊接前期技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間長 光熱項(xiàng)目開工前，需要編寫ITP和施工方案。由于施工方案的編寫理念和方法在國內(nèi)外存在一定的差異，所以要想通過業(yè)主工程師的認(rèn)可，一般要經(jīng)過2～3輪的修改，往往一個(gè)方案審批下來需要2個(gè)月甚至更長的時(shí)間。

（5）管道焊接工藝評定（WPQ）與焊接人員現(xiàn)場認(rèn)證 所有現(xiàn)場使用的焊接工藝評定，均需在現(xiàn)場并由焊接檢測工程師見證完成，本項(xiàng)目所有管道焊縫的焊接均應(yīng)進(jìn)行WPS確認(rèn)、安裝對口、焊接作業(yè)、無損檢測及力學(xué)性能檢測等工作，合格后方可進(jìn)行焊接。所有焊工進(jìn)場作業(yè)前，均需經(jīng)過現(xiàn)場焊接檢測工程師的見證考試并測試合格，合格證書頒發(fā)后方可參加工程焊接[3]。

（6）焊接環(huán)境惡劣 光熱電站大多布置在沙漠地帶，施工現(xiàn)場環(huán)境溫度高、風(fēng)沙大、光照強(qiáng)，焊工的戶外作業(yè)勞動強(qiáng)度大。

4 焊接方法選擇與實(shí)際應(yīng)用效果對比

4.1 焊條電弧焊

焊條電弧焊涉及的設(shè)備與材料有交直流焊機(jī)、電焊鉗、焊接皮線、焊條及母材焊件等。根據(jù)焊接操作順序的不同分為上向、下向焊接技術(shù)兩類。根據(jù)采用的焊條藥皮化學(xué)成分不同，分為纖維素型焊條、氧化鈦藥皮焊條、低氫堿性焊條等三大類。

在光熱電站的管道安裝焊接施工中，一般使用下向焊接工藝，它是指在管道水平固定的情況下，在管道上頂部引弧，自上而下進(jìn)行全位置焊接，焊接部位的焊接先后順序?yàn)槠胶浮⒘⑵胶浮⒘⒑浮⒀隽⒑讣把龊浮＿@種焊接方法一般采用的是纖維素型下向焊焊條，要求管道加工時(shí)采用大鈍邊、小間隙、小坡口夾角，相對于上向焊技術(shù)，焊接速度快，焊縫成形較好，也可以節(jié)約部分焊接材料，因此，廣泛應(yīng)用于海內(nèi)外光熱電站的管道焊接工程中。但下向焊接技術(shù)也存在一些問題，即焊條的熔敷金屬擴(kuò)散氫含量較高，在施焊前及施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制好預(yù)熱溫度和層間溫度，從而減少冷裂紋的產(chǎn)生[4]。

4.2 自動焊

大口徑長輸管道自動焊接技術(shù)一般分為兩大類：管道固定位置自動焊接、管道全位置自動焊接。管道固定位置自動焊接指的是焊機(jī)位置固定不動，管道沿著周向360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)管道自動焊接，多用于工廠化預(yù)制。管道全位置自動焊接指的是管道相對固定，焊機(jī)帶動焊槍圍繞管壁運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)自動焊接，多用于工程項(xiàng)目的現(xiàn)場組合、安裝。

管道全位置自動焊接裝置有集成式、分體式兩類，自動焊接設(shè)備主要由焊機(jī)、自動控制系統(tǒng)、送絲機(jī)構(gòu)、坡口機(jī)及行走軌道等組成，焊接裝置分為內(nèi)、外焊機(jī)。根據(jù)送絲方式的不同分為：拉絲和推絲兩種。

1）采用拉絲方式時(shí)，送絲機(jī)和焊絲盤安裝在焊接小車上，焊接小車的重量增加，人工安裝和拆卸的難度加大，易造成焊接小車行走不順暢。送絲過程中，由于送絲機(jī)距焊槍較近，焊絲離開送絲機(jī)后所受的阻力小，因此送絲過程平穩(wěn)。采用φ0.8mm或φ1.0mm的小盤焊絲時(shí)（焊絲重約為5kg），焊接小車的總重量減輕，焊接過程更容易控制，但由于一次裝載的焊絲少，因此焊接效率略有降低。

2）采用推絲方式時(shí)，送絲機(jī)構(gòu)安裝在焊接小車外，焊接小車總的體積減小、重量減輕，因此安裝相對簡單。推絲時(shí)，由于送絲機(jī)距焊槍較遠(yuǎn)，送絲機(jī)與焊槍之間配置送絲軟管相連接，因此會導(dǎo)致焊絲在推向焊槍嘴過程中受到的摩擦阻力增大。此外，送絲軟管在焊接過程中的彎曲度也會影響送絲的平順性，可能造成送絲不暢。推絲時(shí)，一般采用大功率的送絲機(jī)和φ1.2mm的大盤焊絲（重量約為20kg），與拉絲方式相比，焊接效率大為提高。

管道全位置自動焊接工藝有三個(gè)重要參數(shù)：焊接小車的行進(jìn)速度、送絲速度和焊槍的左右擺動頻率。參數(shù)的合理與匹配性對焊接質(zhì)量有重大影響，且參數(shù)的調(diào)節(jié)相互關(guān)聯(lián)。因此，在正式開始管道焊接前，需經(jīng)過一段時(shí)間的摸索、調(diào)整，才能做到相互匹配性。基于此，先建立一個(gè)工藝參數(shù)的三維坐標(biāo)體系，時(shí)間作為自變量，焊接電流、電弧電壓作為邊界條件，3個(gè)工藝參數(shù)作為因變量，得出三維空間坐標(biāo)方程的邏輯關(guān)系，以此獲得焊接小車行進(jìn)速度、送絲速度、焊槍的左右擺動頻率。在施焊過程中，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場遇見的實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，且每一次調(diào)節(jié)三個(gè)工藝參數(shù)必須同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，以保證三者的匹配性。

在自動焊焊接過程中，如果出現(xiàn)坡口寬窄尺寸變化大、參數(shù)不合適、焊工操作不當(dāng)?shù)惹闆r時(shí)，易導(dǎo)致出現(xiàn)坡口邊緣未熔合缺陷，因此應(yīng)嚴(yán)格控制坡口的加工尺寸，設(shè)置合適的參數(shù)，應(yīng)在光線合適的部位觀察焊縫熔池，確保管道焊縫坡口兩側(cè)金屬熔合良好。此外，如果焊接過程中焊槍對中調(diào)節(jié)不及時(shí)，則易產(chǎn)生偏移，因此需及時(shí)調(diào)整擺幅寬度與送絲速度。在填充層焊接過程中，焊接操作人員應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況及時(shí)增加焊縫中間填充層的擺動頻率，并提供足夠的焊接熱輸入，以保證焊縫厚度整體均勻，不出現(xiàn)駝峰狀焊縫成形。一般情況下，管道自動焊接過程中易出現(xiàn)飛濺，因此應(yīng)使用防飛濺劑，避免飛濺堵塞導(dǎo)電嘴，從而保證送絲順暢。

自動焊具有焊接質(zhì)量高、勞動生產(chǎn)率高、可減輕工人勞動強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，因此，廣泛適用于場地平整的工地組合場和工廠化焊接，但自動焊接方法對周邊環(huán)境和管道安裝精度的要求較高，適用于制造質(zhì)量高、圓度偏差小的無縫鋼管，管壁＞25.4mm的碳素鋼管道及其他需預(yù)熱的管道焊接不宜采用自動焊接的方式。

4.3 半自動焊

管道半自動焊是由焊工手工操作和自動機(jī)械設(shè)備一起完成焊接操作的一種焊接工藝。常用的管道半自動焊方法有CO2焊機(jī)埋弧焊和半自動氣體（混合）保護(hù)焊。

埋弧焊是指焊接電弧在焊劑履蓋層下面進(jìn)行燃燒的焊接工藝。焊接設(shè)備主要有根焊設(shè)備及填充、蓋面焊接設(shè)備兩類。埋弧焊具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、外觀成形好、焊接生產(chǎn)率高、無弧光及煙塵很少、綜合性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，對焊接人員的技能及理論水平要求相對高些，需要焊工能及時(shí)進(jìn)行焊接參數(shù)匹配、調(diào)節(jié)，從而保證焊縫質(zhì)量。打底焊時(shí)，易出現(xiàn)根部未熔合現(xiàn)象，因此在管道焊接工程中主要應(yīng)用于蓋面及填充，較多使用在壓力容器、管道管件、異形柱梁等的加工制作中。

半自動氣體保護(hù)焊是利用氣體保護(hù)的焊接技術(shù)，焊絲和氣體自動供給，焊槍的上下、左右及前后移動靠手動。焊機(jī)系統(tǒng)設(shè)備主要是由保護(hù)氣體供氣系統(tǒng)、焊機(jī)、送絲裝置及焊槍等組成。半自動焊接方法操作靈活、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，常用的保護(hù)氣體有CO2活性氣體。CO2氣體保護(hù)焊通常采用短路和熔滴縮頸爆斷，與熔化極惰性氣體保護(hù)焊熔滴金屬自由過渡相比，其產(chǎn)生熔滴飛濺較多。因此，需要根據(jù)焊件的實(shí)際情況來選擇合適的焊接設(shè)備及合理的工藝參數(shù)，達(dá)到減少飛濺產(chǎn)生的效果。CO2氣體保護(hù)焊在焊接時(shí)不能有風(fēng)，常用于密封及角焊縫的焊接，因此更適合室內(nèi)作業(yè)。半自動氣體保護(hù)焊接工藝對操作人員的技能水平要求較高，焊縫質(zhì)量主要依靠焊接人員的技能水平來保證。由于CO2氣體成本低，因此廣泛應(yīng)用于大型容器、板狀部件的焊接，但在承壓管道焊接中的應(yīng)用較少[5]。

4.4 3種焊接方法應(yīng)用效果對比

經(jīng)過以上比較，可以總結(jié)出3種焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對比見表1。

表1 3種焊接方法對比

以國外某200MW光熱電站DN1000×20.62mm的導(dǎo)熱油管道為例，管道根部采用鎢極氬弧焊打底，管道焊縫中間層的填充及蓋面焊接使用管道全位置自動焊，設(shè)備選用佛山市金圓潤自動化焊接設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JYR1100A全位置管道自動焊機(jī)，現(xiàn)場焊接試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2 現(xiàn)場焊接試驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)際焊接過程中，由于受現(xiàn)場環(huán)境及管道制造質(zhì)量的影響，該工程管道焊接大多采用手工焊，在管道條件適合時(shí)，采用全位置自動焊。

5 結(jié)束語

由于海外大型光熱電站管道焊接工程量大，因此焊接方法合理選擇對工程總體質(zhì)量和工期的實(shí)現(xiàn)非常關(guān)鍵。經(jīng)過理論分析和工程實(shí)踐，證明在選擇焊接方法時(shí)，需要前期對項(xiàng)目的工期要求、焊接工作量、場地條件、管道特點(diǎn)及焊接方法等情況進(jìn)行綜合分析，海外某大型光熱電站工程現(xiàn)場采用鎢極氬弧焊+全位置自動焊方法組合，提高了焊接效率，保證了焊接工期，且質(zhì)量受控，同時(shí)降低了工程成本和焊工勞動強(qiáng)度。該施工經(jīng)驗(yàn)可為其他類似工程提供借鑒。