原作者：隋永莉 孫冬梅
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【關(guān)鍵詞】管道,油氣管道,焊接,氣體保護(hù)自動(dòng)焊,閃光對(duì)焊 【論文摘要】介紹了國(guó)外長(zhǎng)輸管線自動(dòng)焊接技術(shù)，就“實(shí)芯焊絲+氣體保護(hù)”自動(dòng)焊接系統(tǒng)、“藥芯焊絲+氣體保護(hù)”自動(dòng)焊接系統(tǒng)和“閃光對(duì)焊”自動(dòng)焊接系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)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 Oil and Gas Transmitting Pipeline Welding Gas-Shield Automatic Welding Flash Butt Welding
1 前 言
管道輸送是一種安全、經(jīng)濟(jì)、對(duì)環(huán)境破壞小的運(yùn)輸方式。其建設(shè)地區(qū)跨度大，沿線施工環(huán)境惡劣，加之管道輸送逐步向高壓(7.5MPa)、大口徑(1420mm)方向發(fā)展，這對(duì)管道環(huán)焊縫的焊接提出了更高的要求。管道環(huán)焊縫的焊接成為制約整個(gè)工程質(zhì)量和建設(shè)周期的關(guān)鍵工序。
目前，我國(guó)管道焊接施工仍以手工電弧焊為主，半自動(dòng)焊為輔，在施工過(guò)程中，由于人為因素造成的質(zhì)量不穩(wěn)定問(wèn)題比較突出。近20多年來(lái)，在國(guó)外迅速發(fā)展了管道焊接施工高新技術(shù)，現(xiàn)已經(jīng)初步形成技術(shù)和設(shè)備的系列化。美國(guó)、加拿大、前蘇聯(lián)等*在管道施工中均已大量采用了自動(dòng)化焊接設(shè)備，實(shí)踐證明其自動(dòng)化焊接系統(tǒng)焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊接速度快，是一項(xiàng)比較成熟的管道施工技術(shù)。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止至少有8個(gè)*的20多家公司開(kāi)發(fā)了比較先進(jìn)的技術(shù)和相應(yīng)的成套設(shè)備。用于現(xiàn)場(chǎng)且比較成熟的自動(dòng)焊接技術(shù)主要有三類，即以美國(guó)CRC公司為代表的“實(shí)芯焊絲+氣體保護(hù)”管道環(huán)縫強(qiáng)迫成型自動(dòng)電弧焊技術(shù)和設(shè)備；以及烏克蘭巴頓焊接研究所為代表的“藥芯焊絲+氣體保護(hù)”管道環(huán)縫強(qiáng)迫成型自動(dòng)電弧焊技術(shù)和設(shè)備；以及巴頓焊接研究所開(kāi)發(fā)的管道環(huán)縫閃光對(duì)焊技術(shù)和設(shè)備。
2 實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)自動(dòng)電弧焊技術(shù)
實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊(GMAW)通過(guò)連續(xù)送進(jìn)焊絲填充焊縫，焊接時(shí)向焊接區(qū)輸送保護(hù)氣體，使焊絲端部、熔池及附近的母材金屬與周?chē)諝飧綦x。
2.1 氣體保護(hù)自動(dòng)焊設(shè)備
“實(shí)芯焊絲+氣體保護(hù)”管道環(huán)縫自動(dòng)電弧焊設(shè)備主要包括供電設(shè)備、坡口機(jī)、對(duì)口器和弧焊裝置。其中弧焊裝置是實(shí)現(xiàn)管段對(duì)接的關(guān)鍵，由軌道、弧焊電源、焊接小車(chē)、送絲機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、供氣系統(tǒng)及過(guò)程控制器等組成。
目前美國(guó)、法國(guó)、意大利、日本等國(guó)的焊機(jī)制造商均生產(chǎn)各種不同規(guī)格型號(hào)的管道對(duì)接氣體保護(hù)自動(dòng)焊設(shè)備。圖1至圖3所列為CRC公司“實(shí)芯焊絲+氣體保護(hù)”自動(dòng)焊主要設(shè)備的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，表1為CRC公司自動(dòng)焊系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。
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圖1 加工特殊復(fù)合坡口的坡口機(jī) |
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圖2 帶有管內(nèi)焊機(jī)的內(nèi)對(duì)口器 |
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圖3 管外自動(dòng)焊機(jī) 表1 CRC公司自動(dòng)焊系統(tǒng)技術(shù)參數(shù) |
| 焊機(jī)型號(hào) | 根部 內(nèi)焊機(jī) |
熱焊 外焊機(jī) |
填充 外焊機(jī) |
蓋面 外焊機(jī) |
| 焊接機(jī)頭數(shù) | 4～6 | 2 | 2 | 2 |
| 焊絲直徑(mm) | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 |
| 送絲速度 (mm/min) |
9652 | 12700 | 11430 | 9652 |
| 保護(hù)氣種類 | 75%Ar +25% CO2 |
* CO2 |
* CO2 |
* CO2 |
| 保護(hù)氣流量 (l/min) |
50 | 75 | 100 | 75 |
| 焊接電流(A) | 185 | 240 | 190 | 185 |
| 焊接電壓(V) | 19.5 | 25 | 23.5 | 19.5 |
| 焊接速度 (mm/min) |
762 | 1270 | 381± 20% |
330± 20% |
| 備 注 | (1)電源為直流 (2)根部?jī)?nèi)焊機(jī)為多弧自動(dòng)焊機(jī)，焊 小口徑管子時(shí)用四弧焊機(jī)(內(nèi)焊機(jī)機(jī) 頭數(shù)為4個(gè))，焊大口徑管子時(shí)用六 弧焊機(jī)(內(nèi)焊機(jī)機(jī)頭數(shù)為6個(gè)) | |||
| 2.2 焊接工藝 氣體保護(hù)自動(dòng)焊技術(shù)采用CO2或CO2與Ar的混合氣為保護(hù)氣體，每道焊縫包括根焊、熱焊、填充焊和蓋面焊。所有焊道的焊接普遍采用全位置下向焊，以提高熔敷速度。但有些自動(dòng)焊系統(tǒng)如法國(guó)“Saturne”系統(tǒng)根焊采用上向焊，防止未焊透和熔穿。 對(duì)于不同的管材、管徑、壁厚及不同焊道，其焊接參數(shù)是各不相同的。實(shí)際應(yīng)用的焊接參數(shù)是經(jīng)焊接工藝評(píng)定后預(yù)置到過(guò)程控制器中的。CRC自動(dòng)焊接系統(tǒng)采用不同焊機(jī)焊接不同的焊道，但國(guó)外大部分自動(dòng)焊接系統(tǒng)都采用同一焊機(jī)焊接不同的焊道，各焊道的焊接參數(shù)用程序切換。焊接過(guò)程中過(guò)程控制器控制和調(diào)節(jié)的主要參數(shù)有：焊接電壓、送絲速度、焊接速度、擺動(dòng)速度、擺動(dòng)寬度、擺動(dòng)延遲時(shí)間等。 氣體保護(hù)自動(dòng)焊施工時(shí)，由于管子裝配無(wú)法保證環(huán)焊縫均勻一致的鈍邊、對(duì)口間隙及錯(cuò)邊量，所以大多在現(xiàn)場(chǎng)加工管端坡口，以保證管端圓度，及內(nèi)對(duì)口器裝配后坡口表面不變形。管子加工出合格的坡口后，由內(nèi)對(duì)口器裝配、固定管子，開(kāi)始施焊。根焊有從管道內(nèi)壁焊接的，也有從管道外壁焊接的。管內(nèi)焊接采用與內(nèi)對(duì)口器組裝在一起的管內(nèi)自動(dòng)根焊機(jī)，如CRC公司、日本川崎制鐵公司的自動(dòng)焊接系統(tǒng)就采用這種技術(shù)。管外焊接采用與內(nèi)對(duì)口器組裝在一起的墊板強(qiáng)迫根焊成型，如法國(guó)“Saturne”系統(tǒng)、意大利PASSO系統(tǒng)等。 氣體保護(hù)自動(dòng)焊在現(xiàn)場(chǎng)采用流水作業(yè)進(jìn)行管道對(duì)接，工序分別為吊管、坡口加工、軌道安裝、對(duì)口及根焊、熱焊、填充和蓋面等。 2.3 焊接實(shí)例 在科洛尼爾成品油管道、阿意輸氣管線等的施工過(guò)程中，都采用了氣體保護(hù)自動(dòng)焊接系統(tǒng)。 美國(guó)德克薩斯州的班德拉附近，CRC—Crose自動(dòng)電焊機(jī)經(jīng)受了嚴(yán)酷自然條件的考驗(yàn)，在一條30in X60管線5英里長(zhǎng)的區(qū)段上焊出優(yōu)良的焊縫。*記錄每小時(shí)25個(gè)焊口，8小時(shí)半的工作日內(nèi)完成188道焊口。 1993年，荷蘭北海天然氣開(kāi)發(fā)工程中，Allseas公司自動(dòng)焊接系統(tǒng)(phoenix)首次使用，焊接了約40km的26in×16mm防水碳鋼輸氣管線。據(jù)Allseas公司介紹，焊接返修率低于任何現(xiàn)有焊接系統(tǒng)。 3 藥芯焊絲氣體保護(hù)自動(dòng)電弧焊技術(shù) 藥芯焊絲自動(dòng)焊(FCAW)是以藥芯焊絲代替實(shí)芯焊絲，并強(qiáng)迫焊縫成型的電弧焊技術(shù)。其主要工藝及設(shè)備與實(shí)芯焊絲自動(dòng)焊相似，如法國(guó)的Saturne系統(tǒng)、Allseas公司的phoenix系統(tǒng)等既可以用實(shí)芯焊絲，也可以用藥芯焊絲進(jìn)行焊接。 |
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圖4 “對(duì)接1”設(shè)備焊接示意圖 表2 藥芯焊絲自動(dòng)焊系統(tǒng)技術(shù)參數(shù) |
| 機(jī)型 | 對(duì)接號(hào) |
| 管徑范圍(mm) | 1220～1420 |
| 管段長(zhǎng)(m) | 24～36 |
| 焊接電流(A) | 300～450 |
| 焊接電壓(V) | 24～26 |
| 焊絲直徑(mm) | 2.3～3.0 |
| 焊接速度(m/s) | 1.4×10-2 |
| 送絲速度(m/s) | 4.2×10-2 |
| 施焊效率(焊口/h) | (1420) 3 |
| 焊機(jī)外形尺寸(mm) | 4000×2600×3500 |
| 機(jī)重(kg) | 16500 |
| 根據(jù)藥芯焊絲中的焊劑成分，保護(hù)氣體分別采用CO2或CO2+Ar，而自保護(hù)藥芯焊絲在焊接時(shí)則不需要外加保護(hù)氣。 “對(duì)接1”藥芯焊絲自動(dòng)焊接系統(tǒng)對(duì)于10～20.5mm管子，每道焊縫需焊接2至3層，采用全位置上向焊，焊接過(guò)程中，與內(nèi)對(duì)口器組裝在一起的墊板和與焊接小車(chē)組裝在一起的滑塊強(qiáng)迫焊縫成型。 4 閃光對(duì)焊技術(shù) 閃光對(duì)焊是一種電阻壓力焊接方法。焊接時(shí)在對(duì)接管端通以低電壓強(qiáng)電流，使兩管端接觸點(diǎn)迅速被加熱至熔化狀態(tài)，形成蒸汽，并以爆炸形式破裂，金屬顆粒在氣體壓力作用下以火花形式噴射出來(lái)，發(fā)出強(qiáng)光及聲響。隨著管子以較大的頂鍛力和頂進(jìn)速度不斷送入，在短時(shí)間內(nèi)形成高質(zhì)量的環(huán)焊縫。 表3 閃光對(duì)焊機(jī)型號(hào)及技術(shù)參數(shù) |
| 焊機(jī)型號(hào) | K-805 | K-830 | K-700-1 |
| 管徑(mm) | 377～530 | 320～720 | 1420 |
| 壁厚(mm) | 16 | 10 | 20 |
| 焊接截面積(mm2) | 22000 | 25000 | 100000 |
| 消耗動(dòng)力(kV.A) | 300 | 600 | 1000 |
| 生產(chǎn)率(焊口/h) | 8～10 | 6～8 | 6～8 |
| 質(zhì)量(kg) | 12000 | 10000 | 25000 |
| 管端清理機(jī)用于鋼管管端焊前的處理，以去除管口附近的油污和銹層，保證焊接電極與鋼管良好接觸。 焊縫打磨機(jī)的作用是清除焊縫內(nèi)、外表面的飛邊。對(duì)于大口徑管道，管內(nèi)焊縫打磨機(jī)與閃光對(duì)焊機(jī)連接在一起，當(dāng)一道焊口完成后隨著閃光焊機(jī)的前移完成焊縫內(nèi)表面的打磨。管外焊縫打磨機(jī)清理焊縫外表面。 發(fā)電機(jī)組為焊接設(shè)備提供動(dòng)力。 過(guò)程控制器實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊接過(guò)程的程序化控制，可充分保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。 4.2 焊接工藝 閃光對(duì)焊過(guò)程為：首先用管端清理機(jī)在管子內(nèi)部或外部(視閃光對(duì)焊機(jī)而定)清理出足夠的接觸帶，布管，用閃光對(duì)焊機(jī)對(duì)口，按程序自動(dòng)焊接，焊縫冷卻后用焊縫打磨機(jī)清除內(nèi)、外飛邊，當(dāng)環(huán)境溫度低于-40℃時(shí)還需進(jìn)行焊后熱處理。 電阻閃光對(duì)接焊的工藝參數(shù)包括：伸出長(zhǎng)度、閃光留量、閃光電流、頂鍛電流、閃光速度、頂鍛留量、頂鍛速度、頂鍛壓力等。表4為閃光對(duì)焊的主要焊接工藝參數(shù)。 表4 閃光對(duì)焊主要焊接工藝參數(shù) |
| 管徑(mm) | 920 | 1420 |
| 壁厚(mm) | 14～15 | 25 |
| 鋼材 | X60，X65 | X60，X65 |
| 焊機(jī)型號(hào) | K775 | K810 |
| 閃光速度 (mm/s) |
0.4～1.1 | 0.17～1.1 |
| 閃光電壓(V) | 7.5～6.0 | 7.5～7.5 |
| 閃光留量(mm) | 40 | 47 |
| 頂鍛留量(mm) | 8 | 9 |
| 焊接時(shí)間(s) | 140 | 220 |
| 4.3 焊接實(shí)例 1980年，前蘇聯(lián)建設(shè)烏連戈依中央輸氣系統(tǒng)時(shí)，成功地在這六條輸氣管線上應(yīng)用了閃光對(duì)焊技術(shù)和藥芯焊絲自動(dòng)焊技術(shù)，5年時(shí)間完成2萬(wàn)km。其中依靠自動(dòng)焊完成了50%的焊接工作量。 其中亞馬爾管道是*的干線，全長(zhǎng)4451km，其施工難度之大、管徑之大、里程之長(zhǎng)、壓氣站之多及輸量之大等均堪稱世界之最，但建成投產(chǎn)僅用了14個(gè)月。對(duì)亞馬爾管道施工中60km的焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查分析后認(rèn)為，自動(dòng)焊方法焊接的焊縫，其缺陷百分率僅為手工焊的52%。 5 結(jié) 論 在國(guó)外管道自動(dòng)化焊接已成為一項(xiàng)比較成熟的管道施工技術(shù)，其焊接質(zhì)量、焊接效率、經(jīng)濟(jì)效益都明顯優(yōu)于手工焊。 隋永莉(*石油天然氣管道局焊接試驗(yàn)培訓(xùn)中心 065000) 參考文獻(xiàn) 1，［蘇］К.И.扎依采夫等，李榮恩譯.長(zhǎng)輸管道焊接安裝工程手冊(cè).北京：石油出版社 |
