白芳 鐘桂香

中國石油天然氣管道工程有限公司

 

摘要：全自動焊接由于其焊接質量好、效率高等顯著優勢，在油氣管道工程建設中逐步成為焊接施工的主導技術�？偨Y了常用的幾種全自動焊接工藝，從設計、鋼管原材、焊接材料、焊接設備以及無損檢測等方面分析了全自動焊接應用保障措施。以工程應用案例，為推廣全自動焊接工藝的普適性應用提供經驗借鑒。

關鍵詞：全自動焊；焊接工藝；中俄東線；大口徑管道；長輸管道

 

手工焊、半自動焊因受到焊接速度、焊接質量、環境適應能力等因素限制，已無法滿足管道工程建設對質量和進度不斷提高的需要。最初推廣使用自動焊接工藝，主要在地勢平坦、地形坡度起伏較小的西氣東輸二線西段，以及西氣東輸三線管道設計系數0.8的地段。中靖聯絡線和陜京四線開始大規模推廣應用自動焊接工藝，主要在荒漠、戈壁和平原地段。到中俄原油管道二期工程，自動焊接工藝應用比例達到了68.8%。中俄東線天然氣管道工程開啟全自動焊接工藝應用里程碑，其使用比例占90%以上[1-2]。隨著全自動焊技術應用普及，環焊縫焊接質量得到了極大提升[3]。

1  全自動焊接常用技術

內焊機根焊+外焊機自動焊技術。采用多焊炬內焊機進行組對和根焊，外焊機自動焊進行熱焊、填充和蓋面焊。自動焊機組整體效率較高，但由于內焊機爬坡能力以及自身可通過的曲率半徑等受限，僅適用于地形起伏普遍小于15°的平原、戈壁等主線路焊接段的連續焊接。

銅襯墊內對口器+外焊自動焊技術。采用銅襯墊技術實現根焊單面焊接雙面成形。在進行單面焊接時，在焊縫背面貼附一種陶質或者銅質襯墊，封堵焊件對接處的坡口縫隙，從而約束焊接熔池形態，形成良好的焊縫質量。

外焊機自動根焊+單焊炬外焊機填充蓋面技術。采用外焊機根焊，單焊炬外焊機熱焊、填充和蓋面。焊接設備配置簡單靈活，便于組織施工，施工成本較低�？捎糜谡系K物較多、不能實現大流水作業的一般地段連續施工，特殊地段預制或連續施工，以及連頭段施工。

2  全自動焊接應用保障措施

2.1  設計方面

使用內焊機全自動焊接工藝的流水作業容易受線路斷點的影響，如連頭段、穿跨越段等。需要對線路走向進行優化，確定大型河流穿跨越、隧道穿越等重點控制性工程位置。管道轉向的設計可以采用彈性敷設代替冷彎彎管、多個冷彎彎管代替熱煨彎管的方式，為全自動焊接工藝應用提供“便利”。穿越三級、四級及以下等級公路，使用組裝式蓋板涵代替套管；穿越鄉村道路采用提前“下臥預埋”的敷設方式 ，以滿足連續焊接要求[4]。

2.2  鋼管原材方面

（1）鋼管化學成分。在全自動焊接工藝全面推廣之前，我國高鋼級管道的成分要求基于API Spec 5L《管線鋼管規范》，不同廠家制造的鋼板及鋼管合金元素差異較大，對焊接質量影響較為不利。為提高環焊縫質量和環焊縫質量一致性，對管材合金成分進行了嚴格限定。如要求X80級鋼管碳含量降低至0.07 %，碳當量降低至0.22 %，對鋼管焊接性能影響較大的Mo、Ni等合金元素的含量波動范圍進行限定以保證焊接工藝質量的穩定性。如圖 1所示。

圖 1 Mo和Ni合金元素含量波動范圍前后對比情況

（2）強度區間限定。國內外研究表明，實現環焊縫以及熱影響區與母材屈服強度的高強匹配，可避免接頭應力應變集中，是保證接頭完整性、解決高鋼級管道安全風險的根本途徑[5]。因此，通過限定鋼管屈服強度上限值、縮窄屈服強度波動范圍等手段，實現環焊縫與母材高強匹配目的。相關企業或工程標準對鋼管屈服強度區間限定較為嚴格，如法國燃氣和殼牌，不同鋼級鋼管屈服強度統一規定為120 MPa。統計制管廠家提供的L555M級鋼管屈服強度，限定為120 MPa的達到98%以上。

（3）鋼管管端坡口加工。全自動焊接對坡口尺寸和組對精度的容錯能力較差，容易引發坡口壁的未熔合。因此，在工程設計中對鋼管管端不圓度和周長差提高標準要求，便于現場組對焊接，控制錯邊，提高全自動焊接效率和質量。經統計3456個中俄東線（管徑1219 mm×22.0 mm ）L555M級鋼管，其管端不圓度偏差全部滿足設計文件要求的0.5%D；管端周長差為0～3 mm的占全部統計試樣的99.8%（圖 2）。同時為了提高現場組對效率和組對精度，對鋼管管端周長差進行分級，環焊縫兩側選用同一類周長范圍進行極配和鋼管組對焊接。這些控制要求在國際上也處于領先水平。

圖 2 中俄東線用鋼管管端尺寸統計

（4）鋼管管端坡口。不等壁厚對接焊口是焊接工程質量的最薄弱環節。為消除其不利影響，從中俄東線北段開始，在彎管、管件不等壁厚連接處采用內孔錐型坡口，使其成為等壁厚對接，減小應力集中。中俄東線南段首次在直管對直管不等壁厚對接處也采用內錐孔型坡口。通過內錐孔型坡口加工工藝技術、嚴格的坡口表面檢測和過程質量管控，中俄東線天然氣管道全自動焊環焊縫質量得到有效提升[6]。

2.3  焊材方面

焊材也是決定全自動焊接質量的關鍵因素。通過焊接工藝評定優選焊材，并且限定同一工程焊材采購廠家。同時，細化焊材技術條件，穩定焊材生產水平，提高焊材質量管控，以保障全自動焊成功應用。

2.4  焊接設備方面

目前，管徑為1219 mm的全自動焊接裝備數量最多。對于坡度較大地段，內焊機行走過程中易打滑，容易發生危險。通過對內焊機材料和部件的優化和更換，以及調整外焊機工藝參數和焊槍傾角等，可以初步實現坡度30°以下的管道內焊機全自動焊接。我國關于銅襯墊內對口器的研發起步較晚，目前設備可適應管徑32 mm～1422 mm，可實現銅襯間的精準組圓、快速無間隙管口組對及銅襯與鋼管內壁的良好貼合，可用于平原、山地、丘陵、水網等不同施工環境。

2.5  焊接工藝評定方面

隨著全自動焊接工藝的推廣應用，焊接工藝評定要求逐步提高。在性能指標上，針對X70和X80鋼管增加了焊縫金屬裂紋尖端張開位移試驗（CTOD）和全焊縫縱向拉伸試驗，結合焊接接頭其他力學性能試驗綜合評定焊接工藝，以保證現場全自動焊環焊縫的優良性能和質量穩定可靠。

2.6  無損檢測方面

使用氣保護實心焊絲的全自動焊接環焊縫缺欠多是未熔合和氣孔，宜選用全自動超聲波 (AUT) 檢測方法。根據標準規范要求，部分工程增加5%～20%不等的射線抽檢，保證各類缺陷/缺欠檢出。

3  全自動焊接工藝推廣應用

3.1  大口徑管道工程應用

中俄東線天然氣管道工程使用L555M級管線鋼，主要鋼管規格有管徑1219 mm/壁厚18.4 mm、22.0 mm、27.5 mm三種，以及管徑1422 mm/壁厚21.4 mm、25.7 mm、30.8 mm三種。中俄東線北段地形平坦且坡度＜10°，主線路采用全自動焊接技術，焊接工藝為內焊機根焊+實心焊絲雙焊炬自動焊，其坡口形式如圖 3所示。隨后，中俄東線中段全線和南段也使用全自動焊接工藝，使用范圍在坡度＜12°地段和通過斷裂帶地區。

從中俄東線施工經驗得出，限定實心焊絲生產廠家數量，可以保證環焊縫焊接接頭質量穩定性。中俄東線北段和中段根焊焊材強度級別對標GB/T 8110―2008《氣體保護電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》G49A型；南段根焊采用GB/T 8110―2008 G55A實心焊絲，提高了根焊焊接材料強度級別，保障了環焊縫根焊部位的強度。

為了驗證現有X80管線鋼焊接工藝評定的適用性和環焊縫質量，分別從中俄東線北段和中段現場隨機抽選全自動焊接焊口，開展拉伸、彎曲、沖擊、刻槽、金相和硬度等力學和理化性能試驗，結果全部滿足工程標準要求，為大口徑X80管線鋼全自動焊接工藝大規模推廣應用奠定了基礎。

3.2  特殊地段工程應用

中俄東線南段南通—甪直試驗段于2021年開工，沿線經過水網地區，空氣濕度大、地下水位高、地表土質承載力低、工程設備行走困難，加之部分地段施工受限，制約了內焊機根焊全自動焊接技術應用。同時，軟地基條件下設備沉降及震動對焊接質量控制帶來了極大的挑戰。針對水網地區進行了銅襯墊自動焊外根焊（雙焊炬和單焊炬）焊接工藝施工試驗及成果驗證。

試驗管道管徑為1422 mm×32.1 mm，材質為 L555M鋼。焊材為GB/T 8110―2008 G55A實心焊絲。對抽檢焊口進行力學和理化性能試驗，結果基本滿足設計要求，但還需對焊接工藝參數進一步優化，以提升其焊縫質量穩定性。

4  結語

總結中俄東線全自動焊接技術應用經驗，對于西氣東輸三線中段（中衛—吉安）等一批新建項目能起到重要指導和借鑒作用，將有力保障和提升管道建設工程施工質量水平。目前，對于坡度較大的山區和丘陵等特殊地段，由于焊接設備使用限制，大規模推廣使用全自動焊接工藝還有一定難度。需要各方共同努力，通過更多特殊地段施工經驗積累和相關科研創新攻關，使全自動焊接工藝更具普適性。

 

參考文獻：

[1]隋永莉.油氣管道環焊縫焊接技術現狀及發展趨勢[J].電焊機，2020，50(09)：53-59.

[2]張小強，蔣慶梅，谷青悅，王琴.銅襯墊自動焊在小口徑管道工程上的應用[J].焊接技術，2020，49(09)：160-162.

[3]隋永莉.新一代大輸量管道建設環焊縫自動焊工藝研究與技術進展[J].焊管，2019，42(7)：83-89.

[4]張振永.高鋼級大口徑天然氣管道環焊縫安全提升設計關鍵[J].油氣儲運，2020，39(07)：740-748.

[5]陳小偉，張對紅，王旭.油氣管道環焊縫面臨的主要問題及應對措施[J].油氣儲運，2021，40(09)：1072-1080.

[6]張小強，蔣慶梅，詹勝文，谷青悅，金鑫，王琴.針對中俄東線高鋼級大口徑輸氣管道自動焊的設計提升[J].天然氣工業，2020，40(10)：126-132.

 

作者簡介：白芳，1985年生，副教授，畢業于北京科技大學材料物理專業，博士。主要從事油氣長輸管道工程管材和焊接設計。聯系方式：17530093895，bf851218@163.com。