长输管线自动化焊接技术

【关键词】管道,油气管道,焊接,气体保护自动焊,闪光对焊
【论文摘要】介绍了国外长输管线自动焊接技术，就“实芯焊丝+气体保护”自动焊接系统、“药芯焊丝+气体保护”自动焊接系统和“闪光对焊”自动焊接系统的技术特点进行了分析。

Automatic Welding Technique for Long Distance Pipeline
Sui Yongli Sun Dongmei
ABSTRACTS This article introduces the automatic welding technique for long distance abroad,and analyzes the technical features of automatic welding system such as GMAW,FCAW and flash butt welding
Subject terms:Pipeline Oil and Gas Transmitting Pipeline Welding Gas-Shield Automatic Welding Flash Butt Welding
1前言
管道输送是一种安全、经济、对环境破坏小的运输方式。

其建设地区跨度大，沿线施工环境恶劣，加之管道输送逐步向高压(7.5MPa)、大口径(1420mm)方向发展，这对管道环焊缝的焊接提出了更高的要求。

管道环焊缝的焊接成为制约整个工程质量和建设周期的关键工序。

目前，我国管道焊接施工仍以手工电弧焊为主，半自动焊为辅，在施工过程中，由于人为因素造成的质量不稳定问题比较突出。

近20多年来，在国外迅速发展了管道焊接施工高新技术，现已经初步形成技术和设备的系列化。

美国、加拿大、前苏联等国家在管道施工中均已大量采用了自动化焊接设备，实践证明其自动化焊接系统焊接质量稳定、焊接速度快，是一项比较成熟的管道施工技术。

据不完全统计，到目前为止至少有8个国家的20多家公司开发了比较先进的技术和相应的成套设备。

用于现场且比较成熟的自动焊接技术主要有三类，即以美国CRC公司为代表的“实芯焊丝+气体保护”管道环缝强迫成型自动电弧焊技术和设备；以及乌克兰巴顿焊接研究所为代表的“药芯焊丝+气体保护”管道环缝强迫成型自动电弧焊技术和设备；以及巴顿焊接研究所开发的管道环缝闪光对焊技术和设备。

2实芯焊丝气体保护自动电弧焊技术
实芯焊丝气体保护焊(GMAW)通过连续送进焊丝填充焊缝，焊接时向焊接区输送保护气体，使焊丝端部、熔池及附近的母材金属与周围空气隔离。

2.1气体保护自动焊设备
“实芯焊丝+气体保护”管道环缝自动电弧焊设备主要包括供电设备、坡口机、对口器和弧焊装置。

其中弧焊装置是实现管段对接的关键，由轨道、弧焊电源、焊接小车、送丝机构、摆动机构、供气系统及过程控制器等组成。

目前美国、法国、意大利、日本等国的焊机制造商均生产各种不同规格型号的管道对接气体保护自动焊设备。

图1至图3所列为CRC公司“实芯焊丝+气体保护”自动焊主要设备的机构简图，表1为CRC公司自动焊系统的技术参数。

图1加工特殊复合坡口的坡口机图2带有管内焊机的内对口器
图3管外自动焊机
表1CRC公司自动焊系统技术参数
焊机型号
根部
内焊机
热焊
外焊机
填充
外焊机
盖面
外焊机
焊接机头数4～6 2 2 2 焊丝直径(mm) 0.9 0.9 0.9 0.9 送丝速度
(mm/min)
9652 12700 11430 9652
保护气种类75%Ar
+25%
CO2
100%
CO2
100%
CO2
100%
CO2
保护气流量50 75 100 75
2.2焊接工艺
气体保护自动焊技术采用CO2或CO2与Ar的混合气为保护气体，每道焊缝包括根焊、热焊、填充焊和盖面焊。

所有焊道的焊接普遍采用全位置下向焊，以提高熔敷速度。

但有些自动焊系统如法国“Saturne”系统根焊采用上向焊，防止未焊透和熔穿。

对于不同的管材、管径、壁厚及不同焊道，其焊接参数是各不相同的。

实际应用的焊接参数是经焊接工艺评定后预置到过程控制器中的。

CRC自动焊接系统采用不同焊机焊接不同的焊道，但国外大部分自动焊接系统都采用同一焊机焊接不同的焊道，各焊道的焊接参数用程序切换。

焊接过程中过程控制器控制和调节的主要参数有：焊接电压、送丝速度、焊接速度、摆动速度、摆动宽度、摆动延迟时间等。

气体保护自动焊施工时，由于管子装配无法保证环焊缝均匀一致的钝边、对口间隙及错边量，所以大多在现场加工管端坡口，以保证管端圆度，及内对口器装配后坡口表面不变形。

管子加工出合格的坡口后，由内对口器装配、固定管子，开始施焊。

根焊有从管道内壁焊接的，也有从管道外壁焊接的。

管内焊接采用与内对口器组装在一起的管内自动根焊机，如CRC公司、日本川崎制铁公司的自动焊接系统就采用这种技术。

管外焊接采用与内对口器组装在一起的垫板强迫根焊成型，如法国“Saturne”系统、意大利PASSO系统等。

气体保护自动焊在现场采用流水作业进行管道对接，工序分别为吊管、坡口加工、轨道安装、对口及根焊、热焊、填充和盖面等。

2.3焊接实例
在科洛尼尔成品油管道、阿意输气管线等的施工过程中，都采用了气体保护自动焊接系统。

美国德克萨斯州的班德拉附近，CRC—Crose自动电焊机经受了严酷自然条件的考验，在一条30in X60管线5英里长的区段上焊出优良的焊缝。

最高记录每小时25个焊口，8小时半的工作日内完成188道焊口。

1993年，荷兰北海天然气开发工程中，Allseas公司自动焊接系统(phoenix)首次使用，焊接了约40km的26in×16mm防水碳钢输气管线。

据Allseas公司介绍，焊接返修率低于任何现有焊接系统。

3药芯焊丝气体保护自动电弧焊技术
药芯焊丝自动焊(FCAW)是以药芯焊丝代替实芯焊丝，并强迫焊缝成型的电弧焊技术。

其主要工艺及设备与实芯焊丝自动焊相似，如法国的Saturne系统、Allseas公司的phoenix系统等既可以用实芯焊丝，也可以用药芯焊丝进行焊接。

“药芯焊丝+气体保护”管道环缝自动电弧焊设备主要包括供电设备、内对口器和弧焊装置。

在原苏联，药芯焊丝自动化焊接技术曾得到广泛应用，焊接的管线长达数千公里。

图4为药芯焊
丝自动焊“对接1”设备的焊接过程示意图，表2为原苏联药芯焊丝自动焊系统的主要技术参数。

图4“对接1”设备焊接示意图
表2药芯焊丝自动焊系统技术参数
机型对接号
管径范围(mm) 1220～1420
管段长(m) 24～36
焊接电流(A) 300～450
焊接电压(V) 24～26
焊丝直径(mm) 2.3～3.0
焊接速度(m/s) 1.4×10-2
送丝速度(m/s) 4.2×10-2
施焊效率(焊口/h) (1420) 3
焊机外形尺寸(mm) 4000×2600×3500
机重(kg) 16500
根据药芯焊丝中的焊剂成分，保护气体分别采用CO2或CO2+Ar，而自保护药芯焊丝在焊接时则不需要外加保护气。

“对接1”药芯焊丝自动焊接系统对于10～20.5mm管子，每道焊缝需焊接2至3层，采用全位置上向焊，焊接过程中，与内对口器组装在一起的垫板和与焊接小车组装在一起的滑块强迫焊缝成型。

4闪光对焊技术
闪光对焊是一种电阻压力焊接方法。

焊接时在对接管端通以低电压强电流，使两管端接触点迅速被加热至熔化状态，形成蒸汽，并以爆炸形式破裂，金属颗粒在气体压力作用下以火花形式喷射出来，发出强光及声响。

随着管子以较大的顶锻力和顶进速度不断送入，在短时间内形成高
质量的环焊缝。

4.1焊接设备
管道闪光对焊设备包括：闪光对焊机、管端清理机、焊缝打磨机、发电机组、过程控制器等。

闪光对焊机是实现焊接过程的关键，由环状变压器和液压装置组成。

其主要作用为：对口，为焊接管口提供低压大电流，在钢管轴向移动管子和顶锻管子。

按其结构可分为管外焊机和管内焊机两类。

表3为电阻闪光对接焊机型号及主要技术参数。

表3闪光对焊机型号及技术参数
管端清理机用于钢管管端焊前的处理，以去除管口附近的油污和锈层，保证焊接电极与钢管良好接触。

焊缝打磨机的作用是清除焊缝内、外表面的飞边。

对于大口径管道，管内焊缝打磨机与闪光对焊机连接在一起，当一道焊口完成后随着闪光焊机的前移完成焊缝内表面的打磨。

管外焊缝打磨机清理焊缝外表面。

发电机组为焊接设备提供动力。

过程控制器实现整个焊接过程的程序化控制，可充分保证焊接质量的稳定性。

4.2焊接工艺
闪光对焊过程为：首先用管端清理机在管子内部或外部(视闪光对焊机而定)清理出足够的接触带，布管，用闪光对焊机对口，按程序自动焊接，焊缝冷却后用焊缝打磨机清除内、外飞边，当环境温度低于-40℃时还需进行焊后热处理。

电阻闪光对接焊的工艺参数包括：伸出长度、闪光留量、闪光电流、顶锻电流、闪光速度、顶锻留量、顶锻速度、顶锻压力等。

表4为闪光对焊的主要焊接工艺参数。

表4闪光对焊主要焊接工艺参数
4.3焊接实例
1980年，前苏联建设乌连戈依中央输气系统时，成功地在这六条输气管线上应用了闪光对焊技术和药芯焊丝自动焊技术，5年时间完成2万km。

其中依靠自动焊完成了50%的焊接工作量。

其中亚马尔管道是最大的干线，全长4451km，其施工难度之大、管径之大、里程之长、压气站之多及输量之大等均堪称世界之最，但建成投产仅用了14个月。

对亚马尔管道施工中60km 的焊接质量进行检查分析后认为，自动焊方法焊接的焊缝，其缺陷百分率仅为手工焊的52%。

5结论
在国外管道自动化焊接已成为一项比较成熟的管道施工技术，其焊接质量、焊接效率、经济效益都明显优于手工焊。

气体保护自动电弧焊技术开发较早，技术比较成熟，设备投资相对较小，且具有效率高，适合于流水作业，不需要清渣等优点。

闪光对焊技术适合于焊接大口径管道，其焊接速度快，焊接质量高，环境适应能力强，对钢管坡口及对口错边量要求不高。

但焊接设备庞大，针对性强，一次性投资大，焊接电源容量较大。

隋永莉(中国石油天然气管道局焊接试验培训中心065000)
孙冬梅(中国石油天然气管道局焊接试验培训中心065000)
参考文献
1，［苏］К.И.扎依采夫等，李荣恩译.长输管道焊接安装工程手册.北京：石油出版社
2，梁翕章等.世界著名管道工程.北京：石油工业出版社
3，隋永莉.长输管线环缝全位置过程控制系统的研究.清华大学硕士学位论文。