小口徑管道全自動(dòng)焊設(shè)備適用性改進(jìn)技術(shù)研究

（中石化 江蘇油建工程有限公司，江蘇揚(yáng)州225009）

0 前言

在長(zhǎng)輸管道焊接方面，全自動(dòng)焊接高效高速，質(zhì)量穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，焊縫外觀(guān)成形美觀(guān)、內(nèi)在質(zhì)量狀況穩(wěn)定，目前主要應(yīng)用于大口徑、大壁厚管道，大機(jī)組流水作業(yè)[1-2]。如在沙特SWCC輸水管線(xiàn)建設(shè)就采用SERIMAX SATURNAX 05自動(dòng)焊接系統(tǒng)進(jìn)行壁厚15.88～22.22mm、直徑1930mm的API5L標(biāo)準(zhǔn)B、X42、X60、X65鋼管焊接。管線(xiàn)建設(shè)的關(guān)鍵在于焊接施工技術(shù)，焊接質(zhì)量決定著管線(xiàn)運(yùn)行的安全性[3]。我國(guó)西氣東輸二線(xiàn)管道建設(shè)選用中油管道所生產(chǎn)的PAW2000A和PAW3000型管道自動(dòng)焊機(jī)分別進(jìn)行大管徑管道的熱焊與填充蓋面焊接[4]，但是在小口徑領(lǐng)域暫未見(jiàn)實(shí)際應(yīng)用。

目前針對(duì)大管徑一般采用SERIMAX SATURNAX 05全自動(dòng)焊接系統(tǒng)，主要適用于直徑500 mm以上的長(zhǎng)輸管道焊接。為了進(jìn)行小口徑φ168mm管道焊接，對(duì)SERIMAX SATURNAX 05全自動(dòng)焊接系統(tǒng)進(jìn)行改裝。但在將大口徑改造為小口徑管道焊接的過(guò)程中，由于管道直徑變化，焊槍角度、焊接小車(chē)行走輪以及焊接參數(shù)等都會(huì)發(fā)生變化，在此重點(diǎn)研究小口徑、大壁厚管道的全自動(dòng)焊適應(yīng)性改進(jìn)技術(shù)，以及厚壁小口徑管道電弧焊接過(guò)程中不同參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用改造的SERIMAX SATURNAX 05全自動(dòng)焊接系統(tǒng)，如圖1所示。主要試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 主要試驗(yàn)條件

每套SERIMAX SATURNAX 05全自動(dòng)焊接系統(tǒng)包括1個(gè)電源分配箱、4個(gè)焊接電源、2個(gè)電氣控制箱、2個(gè)送絲控制箱、2個(gè)雙槍頭焊接小車(chē)，如圖1所示。

圖1 SERIMAX SATURNAX 05全自動(dòng)焊接系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊槍角度

由于管道直徑變化，焊槍角度隨之發(fā)生變化，在焊接小口徑管道時(shí)，采用原大口徑焊槍角度對(duì)焊縫成形和焊接質(zhì)量都有較大影響，需調(diào)整至與小口徑管道匹配的焊槍角度進(jìn)行焊接。

2.1.1 焊槍結(jié)構(gòu)

SERIMAX SATURNAX 05全自動(dòng)焊接系統(tǒng)采用雙槍下向焊技術(shù)，如圖2所示。管道外作業(yè)，兩把焊炬固定在同一支架上，一前一后同步進(jìn)行，焊接過(guò)程中采用垂直跟蹤系統(tǒng)以確保電弧穩(wěn)定。根焊時(shí)使用銅襯墊內(nèi)對(duì)口器[5-6]，單面焊雙面成型。填充焊雙槍處于鋼管橫向同一平面，蓋面焊時(shí)為得到一定的焊縫寬度，通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)旋鈕使雙槍獲取一定的偏移量（前后“錯(cuò)開(kāi)”），實(shí)現(xiàn)排焊蓋面。

圖2 φ813 mm大口徑雙槍下向焊接示意與焊槍

2.1.2 焊接工作角分析及區(qū)間劃分確定

為了獲得適當(dāng)?shù)娜凵钊蹖捄头奖阌^(guān)察熔池以保證良好的焊接質(zhì)量和焊縫外觀(guān)，焊接時(shí)焊槍角度一般約為90°。以直徑813 mm焊接系統(tǒng)的焊槍支架為基礎(chǔ)，分別選取直徑168 mm、336 mm、356 mm、610 mm、660 mm、813 mm和1 930 mm的鋼管（直徑小于168mm的鋼管不適用全自動(dòng)焊接，暫不考慮），依次分析各個(gè)形成的焊槍角度，各管徑焊槍角度示意如圖3所示。1槍表示同一臺(tái)焊接小車(chē)的前焊炬，2槍表示同一臺(tái)焊接小車(chē)的后焊炬，焊槍支架中心線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)平行于各管徑的橫截面并過(guò)其圓心（下同），焊槍角度為焊槍與其和管道交點(diǎn)切線(xiàn)的夾角。

圖3 各管徑焊槍角度示意

比較分析發(fā)現(xiàn)：直徑813 mm鋼管上，1槍和2槍的焊槍角度分別為82°和83°，如圖4所示，焊接時(shí)焊槍角度與90°偏差在10°范圍內(nèi)，焊接質(zhì)量較穩(wěn)定；直徑660 mm和1 930 mm鋼管上，1槍的焊槍角度分別為80°和84°，2槍的焊槍角度分別為85°和82°，焊接時(shí)焊槍角度與90°偏差都在 10°范圍內(nèi)，焊接質(zhì)量較穩(wěn)定。隨著直徑的減小，從直徑610mm到直徑356mm鋼管上，1槍的焊槍角度逐漸減小至76°，焊接時(shí) 1 槍的焊槍角度與 90°偏差在 10°～15°。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，此時(shí)采用直徑813mm鋼管上所用的焊槍支架焊縫成形和焊接質(zhì)量均較差，2槍同理。

隨著直徑的進(jìn)一步減小，從直徑336mm開(kāi)始到直徑168 mm鋼管上，1槍的焊槍角度逐漸減小至64°，焊接時(shí)1槍的焊槍角度與90°偏差大于等于15°。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，此時(shí)采用直徑813 mm鋼管上所用的焊槍支架焊縫難以成形，2槍同理。

初步可確定同一個(gè)焊槍角度支架無(wú)法滿(mǎn)足直徑168～1 930 mm所有口徑的使用。

綜上所述并考慮實(shí)際應(yīng)用影響因素：a.長(zhǎng)輸管線(xiàn)口徑設(shè)計(jì)選用率；b.焊槍角度與90°偏差控制在10°以?xún)?nèi)確保電弧穩(wěn)定；c.安裝便利性（減少焊槍支架角度種類(lèi)）等。設(shè)直徑336 mm和直徑610 mm規(guī)格為臨界點(diǎn)，將焊接系統(tǒng)焊槍支架的適用范圍定為3種，分別適用直徑168～336mm、直徑356～610mm、直徑660～1 930 mm的管道焊接。新型焊槍支架的焊槍角度及其實(shí)物如圖5所示。

圖4 直徑813 mm鋼管上焊槍角度示意

圖5 各范圍焊槍角度及焊槍支架

管道直徑為168～336 mm時(shí)，焊槍角度80°～90°，焊接時(shí)焊槍角度與90°偏差在0°～10°；管道直徑為356～610 mm時(shí)，焊槍角度87°～90°，焊接時(shí)焊槍角度與90°偏差在 0°～3°；管道直徑為 660～1 930 mm 時(shí)，焊槍角度 81°～84°，焊接時(shí)焊槍角度與 90°偏差在1°～4°。采用新型焊槍支架焊接時(shí)工作角與90°偏差都在10°范圍內(nèi)，焊接時(shí)能確保電弧穩(wěn)定。

2.2 焊接小車(chē)行走輪的影響

由于管道直徑變化，焊接小車(chē)底部夾緊輪失效，小車(chē)易從軌道脫落，無(wú)法正常工作，需更換小車(chē)行走輪或加減相應(yīng)墊片使焊接小車(chē)在軌道上穩(wěn)定行走，確保整個(gè)焊接過(guò)程的順利進(jìn)行。

2.2.1 行走結(jié)構(gòu)

焊接小車(chē)上有2個(gè)與軌道嚙合的齒輪（驅(qū)動(dòng)小車(chē)），和夾緊輪配合完成行走，如圖6所示。R為軌道外側(cè)半徑，B為軌道圓心到兩嚙合齒輪圓心連線(xiàn)的垂直距離，L為內(nèi)側(cè)夾緊輪與軌道接觸點(diǎn)到兩嚙合齒輪圓心連線(xiàn)的垂直距離（關(guān)鍵值），內(nèi)側(cè)夾緊輪兩嚙合齒輪之間的距離A=126 mm，嚙合輪半徑r=11 mm。

圖6 小車(chē)嚙合齒輪、夾緊輪實(shí)物及簡(jiǎn)化示意

2.2.2 焊接小車(chē)夾緊輪結(jié)構(gòu)

焊接小車(chē)夾緊輪結(jié)構(gòu)如圖7所示。E為內(nèi)側(cè)夾緊輪與小車(chē)體之間安裝的墊圈厚度（通過(guò)調(diào)節(jié)此厚度可緊固夾緊機(jī)構(gòu)）。A、B型號(hào)的內(nèi)側(cè)夾緊輪實(shí)物及示意如圖8所示。H為存放備用墊圈厚度。A型：頸部高度8.5 mm；B型：頸部高度2 mm。

圖7 焊接小車(chē)夾緊輪結(jié)構(gòu)

圖8 A、B型號(hào)的內(nèi)側(cè)夾緊輪實(shí)物及示意

2.2.3 結(jié)構(gòu)分析

（1）關(guān)鍵值L的確定。根據(jù)圖6的幾何關(guān)系：

由式（1）、式（2）可得

由式（3）可知，A=126 mm，r=11 mm 都是定值，當(dāng)軌道半徑R即管徑發(fā)生變化時(shí)，L有一個(gè)確定的對(duì)應(yīng)值。當(dāng)R為直徑813 mm鋼管的軌道半徑（軌道周長(zhǎng)為 2 802.3 mm）時(shí)，由式（3）得 L1≈6.64 mm，如圖9所示。直徑813 mm鋼管使用的是A型夾緊輪，夾緊輪與小車(chē)體之間安裝E=6.7 mm厚度的墊圈。

圖9 直徑813 mm鋼管?chē)Ш淆X輪、夾緊輪方位簡(jiǎn)化示意

（2）關(guān)鍵值L的適配分析。

由于管道直徑變化，L值為變量，原焊接小車(chē)底部夾緊輪失效，焊接小車(chē)易從軌道脫落。若使夾緊輪夾緊牢固正常工作，需匹配小車(chē)行走輪或加減相應(yīng)墊片。

當(dāng)R為直徑168 mm鋼管的軌道半徑（軌道周長(zhǎng)為 791.7 mm）時(shí)，由式（3）得 L2≈-4.34 mm，如圖10所示。

圖10 直徑168 mm鋼管上嚙合齒輪、夾緊輪方位簡(jiǎn)化示意

若在原直徑813 mm鋼管上行走的焊接小車(chē)上改動(dòng)，內(nèi)側(cè)夾緊輪需向內(nèi)移（上移）L=L1-L2=10.98mm，約為11.0mm。另外由于直徑813mm與直徑168 mm制作工藝不同，直徑168 mm軌道的嚙合齒輪比直徑813 mm軌道的嚙合齒輪突出0.5 mm。

a.若選用A型，即使將E=6.7 mm厚度的墊圈全部去掉也無(wú)法滿(mǎn)足上移11.0 mm的要求，故A型不可用。

b.若選用B型，則上移6.5mm（8.5 mm-2 mm），考慮齒輪突出的0.5 mm，此時(shí)上移6 mm（6.5 mm-0.5 mm）。若要滿(mǎn)足上移11.0 mm的要求，只需將墊圈減去5.0 mm。故選用B型。此時(shí)墊圈剩余的厚度為E=1.7 mm（6.7 mm-5.0 mm），故需保留E=1.7 mm厚的墊圈，將多余的5 mm墊圈放在H處。

小結(jié)：通過(guò)安裝B型內(nèi)側(cè)夾緊輪，墊圈厚度E取1.7 mm進(jìn)行試驗(yàn)，嚙合適當(dāng)，夾緊牢固，可以正常工作。

各個(gè)管徑的夾緊輪選用和墊圈厚度匹配如表2所示。

表2 夾緊輪和墊圈厚度匹配

2.3 焊接工藝參數(shù)

由于從直徑813 mm到直徑168 mm鋼管的直徑和厚度發(fā)生巨大變化，原有焊接工藝參數(shù)已不適應(yīng)小口徑鋼管的焊接，主要表現(xiàn)為散熱慢、凝固慢等特點(diǎn)，需對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，即將焊接主要參數(shù)（焊接電流、焊接速度、送絲速度等）以逐步遞減2%的頻率進(jìn)行試驗(yàn)，并用SERIMAX焊接程序軟件進(jìn)行穩(wěn)定性校驗(yàn)，如圖11所示。

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，直徑168 mm鋼管上使用的焊接工藝參數(shù)相對(duì)于直徑813 mm鋼管上使用的焊接參數(shù)有以下變化：焊接電壓基本保持不變；焊接電流降低5%～15%；焊接速度降低5%～10%；送絲速度降低10%～20%。直徑168 mm鋼管的根焊及熱焊的焊接工藝參數(shù)如圖12所示。

2.4 產(chǎn)品件焊接

SERIMAX SATURNAX 05全自動(dòng)焊接系統(tǒng)經(jīng)過(guò)適應(yīng)性改進(jìn)后，在中石化XXX全自動(dòng)焊接技術(shù)服務(wù)中心組織進(jìn)行了24位不同技術(shù)水平的焊工的共計(jì)1 560道焊口的焊接試驗(yàn)，如圖13所示，最終獲得表面魚(yú)鱗紋路清晰，美觀(guān)，基本無(wú)氣孔、表面夾渣、咬邊、凹坑等外觀(guān)表面缺陷的焊縫。經(jīng)無(wú)損探傷（RT，AUT，PAUT），未見(jiàn)未熔合、密集氣孔、未焊透等焊接缺陷。經(jīng)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)均合格。

圖11 焊接參數(shù)軟件曲線(xiàn)

圖13 直徑168 mm鋼管的焊接與焊縫外觀(guān)

3 結(jié)論

SERIMAX SATURNAX 05全自動(dòng)焊接系統(tǒng)從大口徑到小口徑適應(yīng)性改進(jìn)過(guò)程中主要存在3個(gè)問(wèn)題：焊槍角度的變化無(wú)法滿(mǎn)足焊接質(zhì)量要求，焊接小車(chē)行走輪和焊接工藝參數(shù)的不適應(yīng)性。通過(guò)相關(guān)焊接實(shí)驗(yàn)和詳細(xì)分析研究解決了這3個(gè)主要的問(wèn)題，適應(yīng)性改進(jìn)后的SERIMAX SATURNAX 05焊接系統(tǒng)具備穩(wěn)定、可靠的小口徑適應(yīng)性焊接能力，可以進(jìn)行高質(zhì)量、高效率的焊接工作，充分體現(xiàn)了此全自動(dòng)焊接系統(tǒng)在小口徑管道項(xiàng)目上的技術(shù)可行性。