全自动焊接工艺设计

管道全自动焊接工法

天津大港油田集团工程建设有限责任公司

近几年，长输管道市场明显地向着高压力、大口径、厚壁厚的趋势发展。目前中国石油行业大多数施工单位采用全自动焊接的方式从事长输管道施工。

目前中国石油行业各施工单位都在管道焊接装备、施工能力等方面取得长足的进步，陆续装备了自动焊接机组，进入了大口径管道施工市场。

近年来，成品油管线工程及各种天然气支线工程建设累计将有数万公里正在施工。在未来的几年里，石油天然气管输管道工程施工市场容量巨大，给大港油田集团工程建设公司带来了更大的商机，市场发展前景看好。

通过近几年的研究，从室内试验到现场实践，进行了全自动焊接设备优化配置及各项资源的优化配置，合理调整了工艺参数，并针对不同地形地貌制定了适宜性的施工方案和施工组织方式，目前已形成了一套行之有效的施工工法——大口径长输管道全自动焊接工法，并在全公司范围内推广应用，达到了预期的研究效果，取得了良好的经济效益和社会效益。

一、工法特点

1．全自动焊接采用药心焊丝和气体保护，可以获得优良的焊接质量。该焊接工艺以其小电流、低电压、细直径实心焊丝、短路过渡为主要特点，下向焊时熔池体积小、可实现全焊接及抗锈低氢的内在优势，特别适合于填充焊，盖面焊时Ar气体和CO2气体的保护作用使其焊缝表面成型规则、饱满，且与母材过渡圆滑。

2．全自动焊接合格率高，焊接参数调定之后，即可实现自动化作业，减少人为操作因素对焊接质量的影响，提高焊口一次合格率。

3．全自动焊接参数调定后能进行连续性作业，提高了生产效率，与其他焊接方法比较，减少了频繁更换焊条、焊丝产生的材料浪费，降低施工成本。同时全自动化焊接作业也降低了工人的劳动强度，但对工人的自身素质和操作能力有更高的要求。

4．全自动焊接工艺对管道组对坡口质量和坡口型式要求严格，需要配套的坡口整形机等设备。

5．全自动焊接的保护气体为Ar气体和CO2气体，因此与其他焊接方法比较，施工环境更为苛刻，现场施工时要求环境风速小于2m/s。

二、适用范围

1．本工法适用于管径DN700以上、壁厚11mm以上的油气长距离输送管道水平固定对接的全位置下向焊焊接施工。

2．本工法需要良好的工程施工环境，适于在地势平坦开阔的地段。

三、工艺原理

管道全自动气体保护下向焊接工艺使用可熔化的焊丝与主要焊金属之间的电弧为热焊来溶化焊丝和钢管，在焊接时向焊接区域输送保护气体以隔离空气的有害作用，通过连续送丝完成焊接。

管道全自动焊接其整个焊接过程是一个从平焊状态到立焊状态再到仰焊状态的平滑过度过程。管道全自动焊机的焊接速度、送丝速度、摆动宽度、摆动速度、焊接电压和焊接电流都要随着状态的变化而变化。圆周各点参数均由计算机程序自动控制完成，实现焊接工艺参数的连续变化。

本工法采用STT半自动根焊+自动外焊机填充、盖面。根焊设备为林肯STT－Ⅱ型焊接电源＋相匹配的送丝机，填充焊、盖面焊设备为PAW2000型自动外焊机。保护气体采用Ar气体和CO2气体。

四、施工工艺流程及操作要点

（一）施工工艺流程

图1 工艺流程图

（二）操作要点

大港油田工程建设公司在西气东输—陕京二线联络线工程第8标段中采用了全自动气体保护下向焊焊接方法，根据该工法在工程中的实际运用，概括总结出以下几点操

作要点。

1．管口清理

组装前使用专用清管工具清除管内的所有杂物；使用棉纱和钢丝刷等工具将管口两端100mm范围内的尘土、油污、铁锈等清理干净，露出金属光泽，螺纹管端口焊缝处需把余高打磨平滑，严禁使用砂轮机打磨坡口以外的管材表面，然后由管工用对口器进行管口组对，用间隙板定间隙。并检查管口是否存在压痕、裂纹等缺陷，如果发现要及时按要求修复，不符合要求的管子不得组装。

2．管口修整与组对

全自动焊接对坡口要求严格，必要时用坡口整形机对管口进行整形。管道全自动焊接管口组对尺寸如下图：

图2 管口组对

管组对接头的坡口形式应为Ｖ型，管道坡口角度应为22.5°±0.5°，钝边 1.2～2.0mm，间隙2.0～3.0mm，组对错边量按10%管壁厚控制。对口采用内对口器 (连头碰死口及其它不能使用时内对口器时采用外对口器)施工时，应在根焊一遍后，方可卸除内对口器。使用外对口器时，必须在焊口整个圆周上均匀分布4～6处定位焊，每一处定位焊长度不应小于100mm，且在卸下外对口器前，定位焊的累计长度不得少于管周长的50%。两相邻管的螺旋焊缝在对口处应错开不小于100 mm的距离。

3．安装焊接轨道

自动焊接小车行走在焊接轨道上，轨道与管道的同心度和与管口的平行度直接影响着焊接的质量，应采用专用工具安装轨道，轨道专用安装工具可以测量和调整轨道边缘与管道坡口之间的距离，调整轨道的松紧度。轨道安装专用工具的锤面硬度应稍低于焊接轨道的硬度，过硬易造成轨道的损伤。轨道安装后，应保证轨道与管道表面的距离小于3mm，轨道与管口端面的距离小于2mm。

4．输入焊接参数

轨道安装完毕后，将焊机安装在轨道上，按焊接指导书的要求调整焊机的焊枪位

置和角度。通过焊接参数输入器，将焊接参数输入到计算机中。

表1 根焊焊接工艺参数

②根焊电压为参考值，填充、盖面焊电流为参考值。

③（75-90）％Ar+（25-10）％CO2

表2 填充焊、盖面焊焊接工艺参数

②填充、盖面焊电流为参考值

5．焊接

根据焊接工艺规程的要求，管线焊前需预热管口，预热温度≥100℃且小于150℃，预热宽度为坡口两侧不小于75mm的范围内，预热方法应保障在预热范围内温度均匀，可用非接触式温度计在距管口50mm处测量，预热结束温度高于但不超过规定温度50℃，预热源撤离后1～2分钟后，开始焊接，以保证温度均匀。预热源为液化气，配备专用的中环型火焰加热器加热。火焰要远离防腐层，严禁用气焊和其它高温火源。

6．外观检查

外观：宽度为坡口两侧外表面0.5~2.0mm；余高为0~2.0mm，局部不得大于3mm，余高大于2mm且小于3mm部分的长度不得大于50mm；焊缝外表面都不得低于母材表面，咬边深度不得大于0.5mm，咬边深度在0.3～0.5mm的单个长度不得超过30mm，累计长度不得大于焊缝周长的15%；接口错边量小于2mm。

焊缝及附近表面上不得有裂纹、未熔合、气孔、夹渣、凹陷、引弧痕迹、有害的焊瘤、夹具焊点、溶合性飞溅等，外观成形均匀一致。

自检合格后，写焊工号(不准打钢印) 做自检记录，如此流水作业进行组对焊接。

7．探伤检验

焊完的焊缝先检查外观合格后再进行无损探伤。管道焊缝100%进行环向焊缝的X 射线照相，执行《石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级》标准Ⅱ级为合格。将检测结果及时确认核实后，对不合格的焊口安排专人进行返修。

8．不合格焊口返修

组织专门返修小组对不合格焊缝进行返修，焊口返修采用手工焊接返修。二次返修不合格的焊口需割口重新焊接、拍片检查至合格。

五、材料、设备及劳动力组织

（一）工程材料

该工法在西气东输—陕京二线联络线工程第8标段运用时采用地工程材料有：

1．钢管

钢管标准：API Spec 5L（GB/T 9711.2）钢级：X70（L485）

直径：Φ1016mm 壁厚：17.5mm

其化学成分和机械性能见表3。