全自动焊技术在油田小口径集输管道施工中的应用

全自动焊技术在油田小口径集输管道施工中的应用

张长青

中石化中原油建工程有限公司    河南省     457001

摘要：随着石化建设项目的规模和数量越来越大，对质量、安全和工期的要求也越来越高，传统的建设模式也随着市场的发展而不断变化。我国已开始在大口径油气管道行业大力推广自动焊接技术，该技术具有焊接生产效率高、焊接质量优良、劳动强度低的特点，可有效解决传统施工方法在施工效率、焊接质量和力学性能等方面存在的问题。结合现状和实际问题，通过焊接设备和焊接工艺的选择与优化、填充盖面焊接试验、工艺参数的确定、现场试验等一系列研究。实现了油田小口径原油集输管道的全自动焊接。

关键词：小口径管道；自动焊；气保护；防风机具；

针对油气田中小口径管道焊接施工现状，叙述了适用于中小口径管道的自动焊设备及焊接方法，研制了管道组对卡具及防风罩配套施工机具，改变了当前小口径管道一般采用人工焊接的现状，实现了全自动机械化焊接，形成了1套适合φ114 mm以下小口径管道的全自动焊技术。

一、焊接方法选择

油田集输管道材质多为碳素结构钢，壁厚较薄，常用焊接方法主要有焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、自保护焊等。熔化极气体保护焊可采用纯氩气或氩气与二氧化碳混合气作为保护气体，具有无飞溅、质量高、不受焊件位置限制，可进行全位置焊接的特点。而自保护焊多用于大口径管道，焊接生产效率相较于气保护焊较低，且焊道成形较差，焊后焊渣较多，焊后清理工作量大，且焊材成本较高，因此选用气体保护焊方法更加适用于小口径集输管道焊接。因此，对于φ48 mm～φ114 mm管选用熔化极气体保护焊相对于其他焊接方法在施工效率、施工质量、施工成本方面具有较强的优势。

二、常见全自动焊接方法

1.熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊分为实芯焊丝、药芯焊丝和金属粉芯焊丝。实芯焊丝焊渣少，但抗风能力弱，飞溅大；药芯焊丝焊接合格率高，熔敷速度更快，焊接工艺性能及成形较好，适用性更广，但熔敷系数相对较低，容易产生气孔等缺陷；金属粉芯焊丝由钢带和金属粉药芯组成，焊接工艺性能和力学性能好，速度快，焊缝成形好，飞溅少，保存条件要求干燥、密闭。

2.埋弧自动焊。埋弧自动焊是指焊丝在焊剂覆盖下的焊道内完成电弧焊接的方法，有单丝和多丝之分。优点有：设备投资较小、焊接质量稳定、生产效率高、粉尘少、无弧光伤害等。在长输管道焊接时，使用双联管预制作业方式，可以有效减少现场焊接作业的工程量，节省人力并缩短施工周期。

3.闪光对焊。闪光对焊是指焊口两侧在低电压、强电流作用下产生的强光及火花使焊道瞬间达到高温，挤压焊接成形。优点是：焊接质量好、效率高、天气适应能力强、经济成本较低。缺点是：对供电系统要求极高，焊后管子内外表面毛刺较多，焊缝无损检测困难，国内应用较少。

4.其它焊接方法。其它焊接方法还有：自保护药芯焊丝自动焊、等离子焊、激光-电弧复合焊等。自保护药芯焊丝全自动焊：具有抗风能力强、适合户外作业等特点，该焊丝目前多用于半自动焊接。等离子焊：以等离子弧产生的高温来完成熔焊的方法，具有高熔深、焊接效率高、单面焊双面成形好、变形小等特点。激光-电弧复合焊：是一种具有高焊速、深熔透、焊缝深宽比大、变形小等特点的焊接方法，它同时具备激光焊与电弧焊的优势。这几种焊接方法在长输管道应用上还不够成熟，需进一步改进。

三、焊接设备的选择

中小口径管道自动焊设备按照安装固定形式主要有轨道式、磁力式、卡盘式三大类。轨道式自动焊设备是沿焊接小车行走方向周向布置运行轨道，焊前需进行轨道装配，准备工作量大，且多用于DN500 mm以上管道的焊接。磁力式自动焊设备主要通过焊接行走机构上加装磁力吸附滚轮，无需轨道焊接行走机构即可完成沿管道周向行走，但此类型设备对管口清洁程度要求较高，在行走过程中如遇杂质或焊接螺纹管时会影响行走机构的稳定性，并且DN200 mm以下管径由于管道弧度过小，行走机构滚轮弧度难以进行匹配，所以该类设备更多适用于DN200 mm以上无缝管焊接。卡盘式自动焊设备利用配套卡具直接固定在管道上，无需安装轨道，可实现周向360°全位置焊接，并且卡具安装方便快捷，适用于DN100 mm以下小口径管道焊接。

1.焊接执行机构。小口径管道采用卡盘式全自动焊设备，主要由焊枪摆动器、行走机构、固定卡盘、送丝机、支架等主要部件构成。该设备具有安装便捷、自身质量轻、集成度高的特点，通过对卡盘布局的重新优化设计，在卡盘上直接安装送机机构，形成一体化设备，无需额外布置送丝机，减少了焊前准备工作。

2.焊接电源系统。焊接电源采用麦格米特数字焊接电源，并集成可编程控制系统、可视执行机构控制盒，采用可编程控制系统不仅可预设焊接小车行走速度、焊枪摆动速度、摆动角度、偏移位置等参数，而且在焊接时可随时利用执行机构控制盒进行纠偏操作，实现360°全位置周向分区焊接，通过预设的控制程序，可避免以往自动焊180°后需重新摆设焊接机头位置方可完成全部焊接，仅通过输入焊枪不同角度分区的焊接参数，可确保施焊的精准参数，焊道成形更好。

四、焊接工艺和配套机具研究

1.焊接工艺研究。在自动焊工艺研究过程中，针对不同坡口形式、不同厂家焊接材料的焊接质量、效率、成本等因素展开研究，优化坡口设计、焊接材料的匹配以及工艺性，达到提高生产效率、节省焊接材料，保证焊道力学性能的目的。记录产生缺陷的位置、种类及尺寸，以及相对应的工艺参数和坡口形式，总结缺陷产生规律，并实时调整工艺参数，控制缺陷的产生，以形成完整的焊接工艺。焊接工艺采用Ar和CO2混合气作为保护气体，混合比例为φ(Ar)80%+φ(CO2)20%，焊丝采用实心EＲ50－6φ1.2 mm。坡口角度60°±5°，钝边(1±0.4)mm，对口间隙2.5～3.5 mm。焊接工艺参数见表1。

表1焊接工艺参数

2. 配套机具研究。（1）管道对口装置。管道组对质量直接影响焊接质量，尤其管道自动焊对管道组对质量要求更为严格。因此研制一种适用于小口径管道的便携式对口装置可实现快速组对，进而保障焊接质量。对口装置由2片夹紧装置通过连接杆进行连接，闭合方式为咬口式，夹紧装置顶部为镂空设计，用于管口组对夹紧后进行点固焊固定，同时对口装置上加装支座，用于安装自动焊接执行机构卡盘，组对完成后对口装置即可用作自动焊接执行机构支座。（2）防风装置。采用气体保护焊工艺时焊接质量受风力影响较大，需要采取防风措施才能保证焊接质量。防风罩设计为闭合式圆筒型，主要由金属保护筒、管道固定密封圈、可开启视窗、咬口式锁扣、拉手等部件构成，在焊接前，将焊接设备固定于焊接位置，将防风罩上下2个半圆形筒体罩在焊接设备上，将筒体两侧管道密封圈锁紧固定即完成防风罩安装，在焊接过程中通过透明视窗观察焊接情况，需要人工干预时可开启视窗对焊接设备进行调整。防风罩外形尺寸为直径600 mm，长900 mm，轻便易安拆，在现场实际应用时有效解决了环境风对焊接的影响，应用效果良好。

3.现场应用。该施工技术应用于大庆油田站外系统建设工程中，焊接材质为20钢，φ48 mm×3.5 mm的管道效果良好，焊接过程中电弧稳定、产生飞溅较少、焊后焊道成形好，经探伤检测焊接一次合格率在98%以上，该工艺能够满足现场实际施工要求。

总之，在油田小管径集输管道施工中采用自动焊方式，施工效率提升2～5倍，具有缩短工期，降低人工费、设备费、材料费以及返工返修成本的优势。同时，由于作业模式的改变，焊接自动化程度的提高，使劳动强度显著降低，并降低了操作门槛，作业受控性大幅度提高。所以应用小口径管道全自动焊技术在降低劳动强度、提高焊接施工质量、降低施工成本、保障安全等方面较传统焊条电弧焊相比具有很大优势，在油气田小口径集输管道施工中具有广阔的推广应用前景。

参考文献：

[1]李振奎.油气管道自动焊技术的发展及展望.2019.

[2]任建明.浅谈全自动焊技术在油田小口径集输管道施工中的应用.2021.