坡地新型內焊機及全自動焊接工藝

楊天冰 王長江 劉然 馮大勇 馬培勇

摘要：如何實現管道連續性、安全性作業逐漸成為坡地管道施工亟待解決的難題。為此，研制了CPP900-FIW48新型內焊機，制定了“內焊機根焊+雙焊炬自動焊機外焊”全自動焊接工藝。通過力學性能試驗和現場工藝試驗進行相關試驗研究。試驗結果表明：新型內焊機及其配套的全自動焊接工藝可在山區、丘陵等坡地管道上坡與下坡施工中實現連續、安全及根焊至蓋面焊全工序的自動焊接；其自動對中定位、一鍵遙控自動焊接等功能，可提高焊炬中心基于管端定位的精度與效率，從而實現內環縫焊接全過程自動化；15°～30°坡度范圍內管道環縫焊接應重點控制熱輸入量、焊接電壓、焊接電流等，且通過焊接參數的適時調整控制熔池下墜。所得結論可為坡地管道自動焊作業提供技術指導。

關鍵詞：坡地管道；內焊機；全自動焊接工藝；坡口形式；焊接參數；性能試驗

0 引 言

以中俄東線管道工程為標志的智慧管道建設對全線100%采用自動焊技術的要求，推動了管道自動焊技術的快速發展及其在不同管道工程中的規模化應用，其中以內焊機與雙焊炬外焊機組合的自動焊應用最多［1-3］。隨著國內長輸油氣管道覆蓋范圍的持續擴大，途徑山區、丘陵等復雜施工環境的坡地管道建設愈來愈多，且30°的縱向坡度已不罕見，彎管用量較大且彎度不斷增加，曲率半徑6D（D為管徑）的熱煨彎管已普遍應用［4-5］。以西氣東輸三線管道工程中段及川氣東送二線天然氣管道川渝段為例，其管道安裝地多為低山丘陵，地形起伏頻繁，30°內的坡度占比達90%以上，熱煨彎管使用量約10 個/km。受常規內組對設備的過彎管能力、坡度爬升能力及焊接工藝制約，目前高鋼級管道的坡地焊接施工主要采用手工焊接及“手工焊根焊+自動焊填充蓋面焊”的組合焊接等方式，存在遇彎管留頭且量多、焊接作業不連續、人為因素影響多、焊接質量不穩定、焊接效率低等問題，嚴重影響管道工程整體施工質量與效率［6-10］。

連續作業是坡地管道施工追求的目標，即上坡施工與下坡施工中間不留頭，以保證整體施工質量與效率。施工安全性是坡地管道連續作業的前提，對于上坡施工可采取的安全保障措施較多，但對于連續作業的下坡施工安全性保障甚少，只能依靠提升設備自身安全性解決下坡安全施工問題。如何實現管道連續性、安全性作業逐漸成為坡地管道施工亟待解決的難題。為此，研制了具有曲率半徑≥6D熱煨彎管通過能力及30°縱向坡度爬升能力的CPP900-FIW48新型內焊機（以下簡稱新型內焊機），并通過確定坡口形式與尺寸參數、焊接參數、工藝試驗、焊接接頭力學性能試驗等，制定了適用于15°～30°縱向坡度范圍的“新型內焊機根焊+雙焊炬自動煤機外焊（熱焊、填充焊與蓋面焊）”的全自動焊接工藝，以期為坡地管道自動焊作業提供技術指導。

1 坡地新型內焊機

1.1 結構

新型內焊機的機械部分主要由前機籠、焊炬同步定位機構、漲緊機構、焊炬同步焊接驅動機構、焊接單元、自動對中機構、力控行走及制動機構、儲氣罐等組成，如圖1所示。

1.2 主要技術參數

適應管徑系列508～1 422 mm（20～56 in），最小曲率半徑/彎管直管段最小長度5D/0.5 m，最大安全施工坡度30°，最大水平行走速度25 m/min，管口組對間隙0～0.5 mm，內根焊焊接速度0～1.5 m/min，控制系統電壓24 V，無線遙控距離≤50 m，下坡速度智能控制范圍≤3 m/min。

1.3 關鍵技術

1.3.1 自動對中定位技術

對上坡與下坡管道及彎管焊接施工時，新型內焊機機頭部分會因重力、彎管軸線軌跡等因素影響而出現不同方向的偏轉，焊炬準確定位難度極大（尤其是內焊機出彎管時的焊炬定位），嚴重影響后續的管口組對與焊接質量。為此，開發了可有效解決坡度管道焊接時焊炬定位難題的自動對中定位技術。其借助焊炬同步定位機構與自動對中機構及二者聯動控制，實現所有焊接單元的焊炬中心面與被焊鋼管的坡口鈍邊端面重合，以達到焊炬快速、準確定位的目的，可確保所有焊炬完成的焊道處于同一平面，避免單邊未熔，保證焊接質量。自動對中定位控制流程如圖2所示。

1.3.2 坡度速度控制技術

坡度速度控制采用速度傳感器、角度傳感器、信號采集系統、算法與控制等方法，借助速度檢測機構、驅動機構及制動機構實現不同坡度時上坡與下坡行走速度的調節，以使新型內焊機安全、平穩行走。坡度速度控制技術基于PLC開發，采用“順序掃描，持續循環”的工作方式，即PLC運行時，CPU根據用戶存儲器中的程序，以指令步序號（或地址號）作周期性循環掃描，且在掃描過程中完成輸入信號采樣和對比輸出狀態刷新。坡度速度控制流程如圖3所示。

1.3.3 一鍵遙控自動焊接技術

一鍵遙控式自動焊接技術采用無線遙控與多點傳感技術，通過正向與反向焊接起始點、起弧/熄弧位置的識別與定位及送絲、電源與保護氣聯控，實現管道內環縫全位置的一鍵遙控自動焊接，可有效保證焊接質量。

一鍵遙控式自動焊接技術的焊接控制流程如圖4所示。

2 全自動焊接工藝

15°以內坡度范圍的焊接工藝可直接采用平緩段的現有“內焊機根焊+雙焊炬自動外焊機填蓋焊”焊接工藝［11-17］，無需改變坡口形式及焊接參數。本文重點研究適用15°～30°范圍的“新型內焊機根焊+雙焊炬自動焊機外焊”焊接工藝。

2.1 設備與材料

“新型內焊機根焊+雙焊炬自動焊機外焊”焊接工藝試驗所需的材料與設備主要為：鋼管、焊絲、保護氣體、新型內焊機、雙焊炬自動外焊機、中頻加熱設備及坡口機等，具體型號與數量如表1所示。

2.2 坡口形式與尺寸參數

在保證焊接質量的前提下，綜合考慮15°～30°坡度范圍內坡口形式通用、提高加工一致性考慮，確定該工藝的坡口形式為雙V形復合坡口，如圖5所示。其尺寸參數及確定依據分別為：δ為鋼管壁厚；綜合考慮不同縱向坡度時坡口上開口寬度對熔池和鐵水狀態的可控性影響、外焊機施焊時焊槍所需坡口空間及對比試驗結果，確定上坡口角度β=4°±0.5°、坡口面角度α=45°±1°；為避免坡度熱焊焊接時坡口接刀位置出現未熔缺陷及熱焊層表面覆蓋變坡口拐點，確定坡口拐點至鋼管內壁的距離H=5.1 mm±0.2 mm；綜合考慮鈍邊熔透性對焊接質量的影響，確定鈍邊寬度p=1.25 mm±0.2 mm；為確保坡度焊接時管道內環縫的良好成形，確定內坡口角度γ=37.5°±0.5°，高度h=1.35 mm±0.15 mm；基于自動焊可焊性及焊接質量，要求管口組對間隙b≤0.5 mm、錯邊量c≤1.5 mm。

2.3 焊接參數

工藝試驗的焊槍擺動采用平擺和角擺2種方式，每臺焊接小車的前槍角度垂直于焊接方向，后槍角度相比前槍角度前傾3°～5°。在15°～30°坡度范圍內以每5°為1組探索焊接參數的共性，以確定適宜于不同坡度的基礎焊接參數，進行不同坡度環縫焊接時只需在基礎焊接參數上進行微調即可。熔池下墜是影響坡度焊接焊縫成形和產生缺陷的關鍵因素。焊接過程中，根據每層坡口寬度、焊層及焊接位置的變化，適時調整焊接速度、送絲速度、擺動寬度、邊緣停留時間、焊接電壓及焊接電流等參數，通過改變熔池重力、表面張力、電弧力及熔池冷卻時間等控制熔池下墜，確保焊縫成形與焊接質量［18］。

由工藝試驗得知，15°～30°坡度范圍內的環縫焊接應重點控制熱輸入量、焊接電壓、焊接電流等參數。其中，熱輸入量為3.5～5.1 kJ/cm，避免熱輸入過大造成熔池紊亂；焊接電壓為20～27 V、焊接電流為160～240 A，且焊接電壓、焊接電流沿焊縫周向逐漸減小，以保證整體焊縫的焊接狀態穩定性。具體焊接參數見表2。

2.4 焊接工藝要求

“新型內焊機根焊+雙焊炬自動焊機外焊”焊接工藝的施工工序為：焊前準備（含加工坡口）→焊前預熱→根焊→熱焊→填充焊→蓋面焊。具體焊接工藝要求如表3所示。

3 力學性能試驗

針對15°～30°坡度內采用“新型內焊機根焊+雙焊炬自動焊機外焊”焊接工藝完成的且經超聲波和射線雙檢合格的焊口，按照Q/SY GJX 0110—2007標準要求的取樣位置對焊接接頭取樣并制作成滿足規格要求的試樣，對其進行了拉伸、刻槽錘斷、側彎、沖擊、金相、硬度及抗氫致開裂（HIC）等力學性能試驗，試驗環境溫度25 ℃、相對濕度56% RH。

3.1 拉伸試驗

依據試驗標準GB/T 228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，用1 000 kN微機控制電液伺服萬能試驗機（型號：SHT5106-P）進行拉伸試驗，結果如表4所示。可見焊接接頭的抗拉強度滿足X80管線鋼的焊接要求，斷裂處均位于母材上。

3.2 刻槽錘斷試驗

試樣尺寸與刻槽類型：230 mm×25 mm×18.4 mm、三面刻槽；試驗標準：SY/T 0452—2021《石油天然氣金屬管道焊接工藝評定》；試驗設備：1 000 kN微機控制電液伺服萬能試驗機（型號：SHT5106-P）。刻槽錘斷試驗結果表明斷口斷面處未見缺陷。

3.3 側彎試驗

試樣尺寸：230 mm×13 mm×18.4 mm；試驗標準：GB/T 232—2010《金屬材料彎曲試驗方法》；試驗設備：1 000 kN微機控制彎曲試驗機（BHT5106），彎頭直徑4T，彎曲角度180°。試驗后試樣表面未見缺陷。

3.4 低溫沖擊韌性試驗

試樣尺寸：10 mm×10 mm×55 mm；缺口類型：V形；試驗溫度：-10 ℃、酒精保溫不少于5 min；試驗標準：GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗辦法》；試驗設備：450 J擺錘沖擊試驗機ZBC 2452-C。沖擊試驗結果如表5所示。從表5可見，焊縫及熱影響區的沖擊功滿足最小沖擊功≥60 J、平均沖擊功≥80 J的標準要求。

3.5 宏觀組織檢驗

取樣位置：點6、點9、點12；試樣尺寸：50 mm×10 mm×18.4 mm；試驗類型：5×；試驗設備：金相顯微鏡（XJG-05）。檢驗發現所有試樣均未見明顯缺陷。

3.6 硬度試驗

焊接接頭硬度測定在宏觀組織檢驗試樣上進行。試驗類型：維氏硬度（HV）；試驗標準：GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》；試驗設備：布維硬度計（HBV-30A）。硬度測試結果如表6所示。從表6可知，焊縫及熱影響區的硬度值均低于300HV10，滿足標準要求。

3.7 抗氫致開裂（HIC）性能試驗

試樣尺寸：100 mm×20 mm×18.4 mm；溶液類型：質量分數0.5%CH3COOH+質量分數5%NaCl；試驗標準：NACE-TM0284—2003；試驗時間：96 h；試驗類型：100×金相分析。試驗后3個試樣的所有截面均未發現裂紋，其裂紋敏感率（CSR）、裂紋長度率（CLR）、裂紋厚度率（CTR）均為0，滿足標準要求。

4 現場試驗

依托搭建的30°試驗平臺，對新型內焊機進行了上坡與下坡平穩行走、安全制動、焊炬中心平面與坡口鈍邊平面的自動對中定位、曲率半徑6D熱煨彎管的通過性等性能測試，及坡度自動焊接模擬試驗，并在西氣東輸三線中段（中衛-吉安）項目棗陽-仙桃段進行了現場應用測試。試驗結果表明，新型內焊機滿足山區、丘陵等坡地管道上坡與下坡連續焊接及安全施工要求，制定的焊接工藝可實現30°縱向坡度范圍內的管道全自動焊接。

5 結 論

（1）新型內焊機與配套的全自動焊接工藝可在山區、丘陵等坡地管道上坡與下坡施工中實現連續、安全及根焊至蓋面焊全工序的自動焊接。

（2）自動對中定位、一鍵遙控自動焊接等功能可提高焊炬中心基于管端定位的精度與效率，從而實現內環縫焊接全過程自動化，且操作便捷。

（3）15°～30°坡度范圍內管道環縫焊接應重點控制熱輸入量、焊接電壓及焊接電流等，且通過焊接參數的適時調整控制熔池下墜，確保焊縫成形與焊接質量。

（4）全自動焊接已成為坡地管道焊接施工趨勢，它可及時反饋坡地管道施工的焊接質量，為避免因焊接缺陷導致返修甚至產生割口，繼而影響施工效率，焊接工序完成后應及時跟進第三方檢測，且焊接機組宜配置用于每層焊接質量檢測的設備及內焊縫觀測系統，以便盡快發現問題，使自動焊機組及時調整焊接工藝參數。

（5）新型內焊機及全自動焊接工藝可用于西氣東輸三線中段、川氣東送二線等管道工程的坡地焊接施工，能提高坡地管道焊接質量與施工效率，進而保障管道工程安全運營，延長管道使用壽命。

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