葛華

國家管網(wǎng)集團西南管道公司

摘  要：鑒于山區管道環(huán)境特點(diǎn)和全自動(dòng)焊的質(zhì)量、效率優(yōu)勢，廣泛了解國內外焊接技術(shù)現狀，開(kāi)展了內（外）焊機研發(fā)、適應性設計研究、焊接質(zhì)量控制和施工技術(shù)研究，通過(guò)試驗和實(shí)踐認證，形成一套適用于山區管道的全位置自動(dòng)焊接技術(shù)。

關(guān)鍵詞：山區管道；溝下；全位置；自動(dòng)焊

我國地形總體呈現西高東低的三級臺階，山區包含山地、丘陵分布地區和崎嶇高原，占國土面積三分之二。隨著(zhù)國民經(jīng)濟對油氣資源需求的持續增長(cháng)，高鋼級、大口徑的山區管道占比越來(lái)越大。無(wú)論是東西走向的中緬管道，還是南北走向的中貴管道，山區管道占比達70%，中緬管道坡度≤ 25°的管段占比達90%。

目前，國內外大口徑管道在平原地區已實(shí)現全自動(dòng)焊接大流水施工，中俄東線(xiàn)采用全自動(dòng)焊和組合自動(dòng)焊。全自動(dòng)焊是指內焊機+外焊機組合的自動(dòng)焊工藝。組合自動(dòng)焊工藝是指手工或半自動(dòng)方法完成根焊，外焊機自動(dòng)焊完成填充和蓋面焊。全自動(dòng)焊接大流水施工技術(shù)優(yōu)勢在于：焊接工藝參數易控制、焊接過(guò)程穩定、焊縫力學(xué)性能優(yōu)良，焊口質(zhì)量易保證，焊接效率高。其主要使用條件：管道坡度不大于12°、土質(zhì)管溝、施工作業(yè)面大、施工斷點(diǎn)少。

山區管道不同于平原管道，具有起伏頻繁、坡度大、坡長(cháng)面窄、土層薄、石方多、彎頭多、施工斷點(diǎn)多等特點(diǎn)，嚴重約束了現有的全自動(dòng)焊接技術(shù)使用。山區管道使用手工焊和半自動(dòng)焊，施工效率低，管理難度大，焊口質(zhì)量不易保障。據了解，正在開(kāi)展的中緬天然氣管道環(huán)焊縫質(zhì)量排查結果顯示，缺陷焊口仍然占一定比例。

為適應油氣管網(wǎng)建設需求，在已實(shí)現平緩地帶管道全自動(dòng)焊的基礎上，通過(guò)創(chuàng )新和技術(shù)突破，實(shí)現山區管道自動(dòng)焊焊接，獲得高質(zhì)量的管道焊口，發(fā)展山區管道全位置自動(dòng)焊接技術(shù)是非常必要的。

1  山區管道全自動(dòng)焊接主要技術(shù)

根據山區管道環(huán)境條件的復雜性，全位置自動(dòng)焊按坡度劃分為：管道縱向坡度不大于25°溝下全自動(dòng)焊接技術(shù)和大坡度全自動(dòng)焊接技術(shù) 。

1.1  管道縱向坡度不大于25°溝下全自動(dòng)焊接技術(shù)

管溝成型后，在管溝內采用內焊機+雙焊炬外焊機，實(shí)現管道縱向坡度25°且帶有曲率半徑6D熱煨彎管的管道焊口全自動(dòng)焊接流水作業(yè)。 主要涉及到內焊機研發(fā)、限坡度設計、作業(yè)帶設計、施工機具適應性技改、溝下流水作業(yè)施工技術(shù)等。 

（1）內焊機研發(fā)�，F有工程使用的內焊機（圖 1）適應12°的縱向坡度和曲率半徑為40D的冷彎管。不能適應山區管道溝下全自動(dòng)焊接，需進(jìn)行山區內焊機研發(fā)。 研制的山區用內焊機（圖 2），從結構、動(dòng)力、制動(dòng)等方面突破了爬坡能力和過(guò)彎能力（能通過(guò)6D熱彎、爬坡25°），解決了不大于25°的山區地形內焊機能力的適用性。 

（2）線(xiàn)路設計。通過(guò)路由選擇和線(xiàn)路縱斷面設計控制管道縱向坡度為不大于25°，同時(shí)減少施工斷點(diǎn)，為溝下全自動(dòng)焊接流水作業(yè)創(chuàng )造條件。 通過(guò)管線(xiàn)作業(yè)帶寬度、坡度和地耐力、截排水、水工保護設計，為管道溝下全自動(dòng)焊接提供施工條件。 

（3）施工機具技改。BGY60山地布管機是管道山地施工過(guò)程中運管、布管、對口等專(zhuān)用設備，適應海拔高度為3000 m以下，自重44 t、履帶板寬度600 mm、設計最大爬坡能力30°。為增加設備穩定性和爬坡能力，加裝了輔助履帶助推裝置，提高設備的山地施工性能（圖 3）。

（4）移動(dòng)電站改造。技術(shù)方案如下：①增加發(fā)動(dòng)機功率。發(fā)動(dòng)機采用不低于國III及以上排放標準，水冷6～8缸、電控高壓共軌、渦輪增壓、在1500 r/min時(shí)功率不小于149 kW、設備在35°斜坡運行時(shí)發(fā)動(dòng)機燃油系統、潤滑系統以及設備其他部件液壓系統正常工作；②增加坡道駐車(chē)裝置、增加履帶寬度不小于600 mm、采用全液壓驅動(dòng)；③前后端安裝牽引鉤（牽引強度要大于設備自重），設備前端安裝卷?yè)P機，后端預留安裝卷?yè)P機位置及安裝孔等，卷?yè)P機為液壓驅動(dòng)，具備自鎖、自救功能、牽引力不小于8 t、鋼絲繩的長(cháng)度不低于30 m，達到爬坡能力不小于25°、牽引爬坡能力不小于35°；④吊臂采用折疊臂360°(全回轉)、起重量不小于6.3 t、最大工作幅度不小于8 m、最大工作幅度起重量不小于1.2 t、不側向偏轉設計； ⑤配置電流、電壓、頻率穩壓裝置。見(jiàn)圖 4。

（5）機械防腐車(chē)。集拋丸除銹、中頻加熱和紅外線(xiàn)加熱于一體，增加坡道駐車(chē)裝置，可實(shí)現坡度≤ 25°防腐補口作業(yè)。 

（6）焊接施工方案。管溝成型后，在管溝內采用內焊機+雙焊炬外焊機開(kāi)展全自動(dòng)焊接流水作業(yè)。根據內焊機焊前準備和焊接時(shí)間，配置雙焊炬外焊機數量，實(shí)現溝下全自動(dòng)焊流水作業(yè)。挖掘機掃線(xiàn)并完成作業(yè)帶整理和碾壓，形成有5 km左右的連續焊接作業(yè)面。機械開(kāi)挖管溝和焊坑；吊管機進(jìn)行布管和組對；移動(dòng)電站提供焊接電源；內焊機進(jìn)行對口和根焊；雙焊炬自動(dòng)焊機進(jìn)行填充和蓋面焊接；AUT無(wú)損檢測；機械防腐補口；水工砌筑和管溝回填。

1.2  大坡度全自動(dòng)焊接技術(shù)

采用自適應單焊炬自動(dòng)焊機與內（外）對口器協(xié)同作業(yè)，可實(shí)現管道大坡度焊口和連頭口全自動(dòng)焊接。 主要涉及外焊機和內對口器研發(fā)、焊接工藝及焊接接頭質(zhì)量控制等。 

自適應自動(dòng)焊機可實(shí)現管道大坡度焊口和連頭口“根焊―填充―蓋面”全自動(dòng)焊接。研制的山區管道內對口器，可適用于坡度40°的焊口內對口，并能通過(guò)曲率半徑為6D的熱煨彎管。研制了外對口器，配合單焊炬自動(dòng)焊，適用于內焊機或內對口器不能使用的環(huán)境。

陡坡段焊接施工采用單焊炬自動(dòng)焊工藝。配置一個(gè)工作站的機組施工。 方案一采用輕軌或者索道布管，逐根管道組對焊接（作業(yè)帶允許的情況下，也可采用之字形道路，搭設施工平臺）；方案二可采用自動(dòng)焊預制，吊裝到位，該方案適用于短陡坡地段（圖 5）。

1.3  焊接工藝

研究6G位置單焊炬外焊機單面焊雙面成型的根焊技術(shù)，和單焊炬外焊機氣保護藥芯焊絲下向焊填充、蓋面焊技術(shù)，可使用金屬粉芯焊絲、實(shí)心焊絲以及氣保護藥芯焊絲，適用于溝下、山區等各類(lèi)地形的焊接。

研究管道縱向坡度不大于25°的內焊機+雙焊炬全自動(dòng)焊技術(shù)，匹配實(shí)心焊絲或者金屬粉芯焊絲進(jìn)行根焊和填蓋焊接，通過(guò)優(yōu)化焊接工藝參數，可適應不大于25°坡度的自動(dòng)焊焊接。

1.4  焊口質(zhì)量控制

在現有焊接工藝評定和質(zhì)量控制要求外，補充以下內容。

（1）焊接接頭未熔合控制。研究熱輸入、擺寬、邊緣停留時(shí)間、擺動(dòng)速度等工藝參數對未熔合的影響規律，根焊層、熱焊層及填充層中對未熔合影響因素主次為：熱輸入＞擺寬＞邊緣停留時(shí)間；熱輸入及擺寬偏小，表現為上下坡口連續未熔合缺陷；停留時(shí)間偏小表現為有規律間斷未熔合缺陷，擺動(dòng)速度偏下表現為“冷溶”現象及下坡口單邊未熔合缺陷，而擺動(dòng)速度是克服重力對熔池影響，維持熔池形態(tài)的最重要參數；通過(guò)適當增加熱輸入、邊緣停留時(shí)間和擺動(dòng)速度可有效降低未熔合缺陷。

（2）焊接接頭微觀(guān)組織和斷裂韌性。通過(guò)對自動(dòng)焊焊接接頭進(jìn)行RT檢測、組織觀(guān)察、拉伸、彎曲、﹣20℃夏比沖擊及CTOD系列試驗，結果表明優(yōu)化后的焊接工藝合格，接頭綜合性能達到標準要求，內焊機根焊接頭斷裂韌性?xún)?yōu)于外焊機根焊。試驗過(guò)程中，存在沖擊試驗合格而CTOD試驗不合格的情況，建議在焊接工藝評定中增加CTOD試驗以充分評價(jià)焊接接頭韌性。

（3）焊接接頭缺陷容限分析與工程臨界評估。通過(guò)大量的焊接接頭性能試驗，得到強度、斷裂韌性等試驗數據，繪制ECA研究所需的FAD圖。參照BS 7910《金屬結構缺陷驗收評定方法導則》推薦的缺陷評定相關(guān)計算公式編制用于X70管道焊接接頭缺陷容限尺寸計算的C語(yǔ)言程序，從而完成了可放寬缺陷容限驗收標準的ECA分析，制定了工程臨界評估企業(yè)標準。

（4）焊接接頭殘余應力與致裂邊界條件。使用有限元模擬與試驗相結合的方法，揭示了坡度及組對應力對長(cháng)輸管道連頭口焊接殘余應力的影響，得出長(cháng)輸管道焊接連頭口上坡口根焊HAZ距焊縫中心2.5～5.5 mm處殘余應力較大，該區域為危險區域。使用數值模擬及C語(yǔ)言編程，根據彈塑性變形公式，得到在上坡口根焊HAZ區2.5～5.5mm以及蓋面焊HAZ區5.0 mm～7.5 mm處在焊接過(guò)程中及焊后極易開(kāi)裂結論。

2  試驗

在試驗場(chǎng)地和焊接工作臺對山區管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)的裝備性能、焊接工藝和施工工序等進(jìn)行試驗。

大坡度管道焊口和連頭口的焊接試驗在焊接工作臺進(jìn)行。坡度45°，采用單焊炬外焊機單面焊雙面成型的根焊技術(shù)，單焊炬外焊機氣保護藥芯焊絲下向焊填充、蓋面焊技術(shù)。試驗效果：焊口成型質(zhì)量好、沖擊韌性好，焊接效率高（表 1、表 2、表 3）。進(jìn)行25°縱坡的場(chǎng)地試驗，驗證了布管機、焊接工程車(chē)、機械防腐等性能。

3  結論

通過(guò)對設計方法、裝備研發(fā)、焊接工藝、施工技術(shù)等研究和實(shí)踐，山區管道全位置自動(dòng)焊技術(shù)可在管道坡度25°及以下的焊口實(shí)現內焊機+雙焊炬外焊機自動(dòng)焊溝下流水作業(yè)，在管道坡度大于25°和連頭以及特殊地段的焊口實(shí)現單焊炬外焊機自動(dòng)焊作業(yè)，完全實(shí)現山區管道所有焊口全自動(dòng)焊接。

作者簡(jiǎn)介：葛華，國家管網(wǎng)集團西南管道公司技術(shù)專(zhuān)家，高級工程師。1985年畢業(yè)于華東石油學(xué)院儲運專(zhuān)業(yè)，大學(xué)本科。畢業(yè)后從事管道工程設計工作27年，完成大天池構造帶地面集輸工程等40余項，榮獲2004年國家工程設計金獎等多項獎勵。2012年調入西南管道公司，完成中緬油氣管道工程建設監管，現主要擔任工程技術(shù)管理和科研工作。聯(lián)系方式：18085810801，1581362180@qq.com。