鋼管數(shù)字化預(yù)精焊技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀

楊戰(zhàn)利，張善保，劉成坤，唐麒龍，王永江，白德濱，付 傲

（1.哈爾濱焊接研究院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028；2.資陽(yáng)石油鋼管有限公司，四川 資陽(yáng) 641300）

油氣長(zhǎng)輸管線動(dòng)輒數(shù)千公里，穿越地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、多變，服役環(huán)境十分惡劣，須適應(yīng)沙漠、湖泊、山區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)，耐受嚴(yán)寒、酷暑、霜凍等各類嚴(yán)峻氣候條件，穿越城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等人口稠密地區(qū)，且干線管道輸送壓力高（中俄東線管道壓力12 MPa），輸送介質(zhì)易燃、易爆，而油氣的安全輸送不僅關(guān)系到國(guó)家能源安全，且嚴(yán)重威脅管線穿越地區(qū)居民人身安全和財(cái)產(chǎn)安全［1-6］；因此，高質(zhì)量油氣輸送鋼管制造是國(guó)家能源動(dòng)脈工程規(guī)劃和建設(shè)的前提和必備條件。

鋼管預(yù)精焊技術(shù)是大直徑油氣鋼管制造的先進(jìn)技術(shù)，主要用于油氣輸送高質(zhì)量直縫/螺旋縫焊管的優(yōu)質(zhì)高效焊接生產(chǎn)。2000年以前預(yù)精焊相關(guān)技術(shù)掌握在國(guó)外公司手中，成為國(guó)家西氣東輸?shù)认盗兄卮蠊芫€工程亟需突破的“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)。該工藝技術(shù)成功將鋼管成形和最終焊接分開，擺脫成形機(jī)組對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生的不利影響，焊接質(zhì)量更加可靠；同時(shí)也擺脫了焊接速度對(duì)成形機(jī)組的束縛，在確保鋼管質(zhì)量的前提下成倍提高生產(chǎn)效率［7-12］。在建設(shè)西氣東輸工程之前，我國(guó)鋼管預(yù)精焊技術(shù)在關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備方面均處于空白，陜京輸氣管道工程等所需的高質(zhì)量預(yù)精焊直縫焊管全部依靠進(jìn)口。為此，哈爾濱焊接研究院有限公司（簡(jiǎn)稱哈焊院）聯(lián)合清華大學(xué)、湖北三環(huán)鍛壓設(shè)備有限公司及制管行業(yè)骨干企業(yè)等，結(jié)合國(guó)家需要和用戶需求，針對(duì)鋼管制造關(guān)鍵預(yù)精焊技術(shù)及裝備開展了持續(xù)研究與創(chuàng)新，并取得了系列突破，其成果在國(guó)內(nèi)制管企業(yè)得到推廣應(yīng)用?，F(xiàn)介紹哈焊院在油氣鋼管數(shù)字化預(yù)精焊技術(shù)與裝備方面的研究成果及工程應(yīng)用情況。

1 焊管預(yù)精焊技術(shù)原理

傳統(tǒng)鋼管生產(chǎn)采用“一步法”工藝，是指在鋼帶彎曲成型為管坯的同時(shí)完成內(nèi)外雙面埋弧自動(dòng)焊接，因鋼管成型合縫兩側(cè)穩(wěn)定區(qū)間相對(duì)較小、存在成型應(yīng)力、易受機(jī)組振動(dòng)等因素影響，焊縫易產(chǎn)生熱裂紋、夾渣等焊接缺陷。而焊管預(yù)精焊技術(shù)通過(guò)工藝方法創(chuàng)新和關(guān)鍵技術(shù)裝備突破，在焊管成型/合縫形成管坯時(shí)，先進(jìn)行高速預(yù)焊（定位焊），再將預(yù)焊后的焊管輸送到多條埋弧精焊生產(chǎn)線進(jìn)行最終焊接，成型和最終焊接分兩步完成，也稱“兩步法”工藝，徹底解決了焊管成型對(duì)焊接質(zhì)量的不利影響和焊接速度對(duì)效率的束縛，充分發(fā)揮預(yù)焊機(jī)組快速高效和精焊機(jī)組質(zhì)量可靠的雙重優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)油氣輸送用焊管的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)。焊管預(yù)精焊技術(shù)原理如圖1所示。

圖1 焊管預(yù)精焊技術(shù)原理示意

2 典型關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

2.1 高效預(yù)焊技術(shù)

預(yù)焊是焊管在高速成型的同時(shí)進(jìn)行的連續(xù)定位焊，其焊縫雖是工藝焊縫，但焊縫質(zhì)量和管坯形體尺寸精度會(huì)直接影響后序精焊工序。因此，高效預(yù)焊的基本條件是在高速連續(xù)焊接條件下獲得可靠的良好預(yù)焊縫成形。

（1）通過(guò)對(duì)高速焊接時(shí)電弧形態(tài)、熔滴過(guò)渡、外在條件等多重因素的系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)粗絲超大電流焊接時(shí)熔滴的后托旋轉(zhuǎn)拋射獨(dú)特過(guò)渡形式，探明了熔池傾斜液面（電弧沖擊力、后向流體力與熔池靜壓力的動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)）與電弧中心間距影響焊縫成形的規(guī)律，認(rèn)為任何促進(jìn)動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)移向電弧的因素，均有利于獲得高速焊時(shí)的良好焊縫成形［13］。高速預(yù)焊駝峰焊道形成機(jī)理分析如圖2所示。哈焊院開發(fā)出了6 m/min高速M(fèi)AG（熔化極活性氣體保護(hù)焊）焊接工藝，實(shí)現(xiàn)了“一拖四”（1條預(yù)焊線配4條精焊線）不間斷連續(xù)焊接生產(chǎn)。

圖2 高速預(yù)焊駝峰焊道形成機(jī)理分析

（2）螺旋縫焊管預(yù)焊工序?yàn)檫B續(xù)焊接，預(yù)焊機(jī)組連續(xù)工作時(shí)間越長(zhǎng)，焊管的生產(chǎn)效率就越高；因此，防黏渣焊槍的設(shè)計(jì)成為提高預(yù)焊生產(chǎn)效率的又一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)國(guó)外焊槍容易黏渣、連續(xù)焊接時(shí)間短、清理焊槍困難的行業(yè)共性難題，筆者研究認(rèn)為異種材料晶格結(jié)構(gòu)相似度與飛濺黏結(jié)噴嘴難易度之間存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)；因此，通過(guò)發(fā)明防飛濺黏附大電流MAG焊槍及狹窄空間原位快速清槍方法，將不清理焊槍連續(xù)焊接時(shí)間延長(zhǎng)至240 min左右，并將狹窄空間焊槍清理時(shí)間縮短到0.5 min左右，實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)時(shí)間不間斷的高速連續(xù)預(yù)焊。防黏渣焊槍設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 防黏渣焊槍設(shè)計(jì)示意

2.2 優(yōu)質(zhì)多弧精焊技術(shù)

精焊是確保焊管焊接質(zhì)量的核心工序，其焊接焊縫為產(chǎn)品最終服役焊縫，焊接質(zhì)量會(huì)直接影響到管線服役的安全性和可靠性。因此，高質(zhì)量多弧共熔池焊接技術(shù)和高可靠性關(guān)鍵裝備制造技術(shù)是高質(zhì)量多弧精焊的必備條件。

（1）多弧焊接時(shí)，異種電弧之間會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜交互影響的電磁場(chǎng)，而且隨著電弧數(shù)量的增加，電磁場(chǎng)的復(fù)雜程度及其相互影響會(huì)變得愈加復(fù)雜，單個(gè)電弧不再是孤立的因素，而是和其他電弧一起形成一個(gè)相互作用、相互影響的整體。筆者通過(guò)對(duì)交、直流多電弧間的電磁力學(xué)關(guān)系以及50余項(xiàng)工藝參數(shù)的多個(gè)匹配方案的試驗(yàn)研究，探明了多弧共熔池交、直流復(fù)雜電磁場(chǎng)交互影響規(guī)律，開發(fā)出六弧共熔池焊接工藝方案，為更加高效的多弧共熔池精焊工藝開發(fā)奠定基礎(chǔ)。鋼板厚度40 mm時(shí)的六弧共熔池內(nèi)/外單道焊如圖4所示。

圖4 六弧共熔池內(nèi)/外單道焊（板厚40 mm）

（2）焊管采用多弧內(nèi)焊時(shí)，內(nèi)焊懸臂梁為細(xì)長(zhǎng)桿件，受管內(nèi)空間及管長(zhǎng)等因素影響，設(shè)計(jì)時(shí)要兼顧其截面尺寸和剛性強(qiáng)度。懸臂梁最前端安裝有多絲焊接機(jī)頭、跟蹤滑板、多根焊接線纜、焊劑斗等部件，是內(nèi)焊裝置的核心部件。因此，懸臂梁工作時(shí)的穩(wěn)定性非常重要，會(huì)直接影響到整個(gè)焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。內(nèi)焊懸臂梁及其上布置的多根線纜在大電流焊接時(shí)，產(chǎn)生的交、直流強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)引起鋼管復(fù)雜交變磁化，在交變強(qiáng)磁場(chǎng)的交互作用下極易引起懸臂梁的機(jī)械振動(dòng)，使穩(wěn)定的焊接過(guò)程難以為繼。

采用有限元計(jì)算及實(shí)物驗(yàn)證方法分析計(jì)算細(xì)長(zhǎng)懸臂梁應(yīng)力分布，設(shè)計(jì)新型內(nèi)焊懸臂梁結(jié)構(gòu)，采取變截面、預(yù)彎曲等彎矩設(shè)計(jì)理念，優(yōu)選高強(qiáng)度材料，降低內(nèi)焊懸臂梁自身重量，提高細(xì)長(zhǎng)懸臂梁的承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通過(guò)研究19 m長(zhǎng)、高長(zhǎng)徑比（懸臂梁的總長(zhǎng)度與懸臂截面最大外圓直徑之比60∶1）懸臂梁機(jī)械振動(dòng)與交直流強(qiáng)磁場(chǎng)之間的交互影響規(guī)律，總結(jié)出消減多弧交變磁場(chǎng)干擾的方法，降低了磁場(chǎng)對(duì)懸臂梁穩(wěn)定性的不利影響，解決了螺旋縫精焊機(jī)組多弧內(nèi)焊時(shí)焊接機(jī)頭振動(dòng)的難題。

（3）內(nèi)焊機(jī)頭是精焊設(shè)備的核心部件，特別是小直徑鋼管受管內(nèi)空間限制，如何在滿足自動(dòng)跟蹤、便捷調(diào)槍、視頻監(jiān)視等20余項(xiàng)功能的前提下，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、穩(wěn)定可靠的多絲內(nèi)焊機(jī)頭成為設(shè)計(jì)難題之一。筆者創(chuàng)新采用回中柱外調(diào)、滑塊中移、槍纜上部迂回、焊絲漸進(jìn)彎曲導(dǎo)向等設(shè)計(jì)思路和方法，通過(guò)三維再現(xiàn)優(yōu)化布局，成功研制出結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全的系列內(nèi)焊機(jī)頭，滿足焊管機(jī)組多規(guī)格直縫/螺旋縫焊管的焊接要求；并設(shè)計(jì)出功能齊全、性能穩(wěn)定的冶金復(fù)合管內(nèi)焊機(jī)頭，滿足冶金復(fù)合管等特殊材質(zhì)鋼管的焊接需要。內(nèi)焊機(jī)頭設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

圖5 內(nèi)焊機(jī)頭設(shè)計(jì)方案

（4）創(chuàng)新采用螺旋縫焊管內(nèi)外焊間隔1.5個(gè)螺距同步精焊工藝方法，成功解決了原內(nèi)外焊間隔0.5個(gè)螺距同步焊接時(shí)內(nèi)焊余熱對(duì)外焊縫沖擊性能影響突出的難題［14］?；赑LC（可編程邏輯控制器）構(gòu)建了多傳感信息交互、多位置自動(dòng)判別、主驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)、焊接和控制參數(shù)焊前數(shù)字預(yù)置、過(guò)程數(shù)字調(diào)整和焊后全程追溯的整線數(shù)字化控制系統(tǒng)。開發(fā)了螺旋縫焊管精焊控制系統(tǒng)，螺旋縫焊管精焊電氣控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示，通過(guò)直線上料、螺旋傳送、精準(zhǔn)定位、內(nèi)外起弧、順序熄弧、成品送出等30多項(xiàng)傳感信息的提取與融合，并在精控?cái)?shù)字焊接系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、激光跟蹤系統(tǒng)等的基礎(chǔ)上，成功開發(fā)出鋼管精焊全過(guò)程“一鍵式”數(shù)字化操控系統(tǒng)，將“無(wú)人值守”智能操控理念植入多弧精焊生產(chǎn)過(guò)程。同時(shí)，該螺旋縫焊管數(shù)字化操控系統(tǒng)還具有模擬運(yùn)行、故障診斷、遠(yuǎn)程控制等系列功能，操作方便性、焊接可靠性和維護(hù)便捷性得到用戶的認(rèn)可。

圖6 螺旋縫焊管精焊電氣控制系統(tǒng)架構(gòu)

3 焊管數(shù)字化預(yù)精焊裝備

我國(guó)2000年開始進(jìn)行焊管預(yù)精焊關(guān)鍵技術(shù)與焊接裝備的研發(fā)，2003年研制出首條國(guó)產(chǎn)直縫焊管預(yù)精焊生產(chǎn)線，2009年研制出首條國(guó)產(chǎn)螺旋縫焊管預(yù)精焊生產(chǎn)線；除此之外，根據(jù)市場(chǎng)需求還相繼開發(fā)出國(guó)內(nèi)首套冶金復(fù)合管帶極電渣焊數(shù)字化焊接裝備，用于長(zhǎng)度12 m冶金復(fù)合管生產(chǎn)的熱絲非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)（TIG：Tungsten Inert Gas）焊數(shù)字化焊接裝備和長(zhǎng)度12 m小直徑鋼管生產(chǎn)的Φ219 mm數(shù)字化埋弧內(nèi)焊設(shè)備。焊管數(shù)字化預(yù)精焊裝備如圖7所示。

圖7 焊管數(shù)字化預(yù)精焊裝備

通過(guò)持續(xù)創(chuàng)新與突破，預(yù)精焊機(jī)組至今已發(fā)展至第四代智能預(yù)精焊機(jī)組，裝備性能達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，焊管預(yù)精焊數(shù)控裝備主要技術(shù)參數(shù)見表1。此外，第四代智能預(yù)精焊機(jī)組還具備以下特點(diǎn)。

表1 焊管預(yù)精焊數(shù)控裝備主要技術(shù)參數(shù)

（1）焊接系統(tǒng)數(shù)字化。構(gòu)建了多焊接電源數(shù)字化焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有焊接參數(shù)的焊前數(shù)字化預(yù)置、焊接過(guò)程中數(shù)字化精確調(diào)整和焊后數(shù)字化全程追溯。

（2）控制系統(tǒng)精準(zhǔn)化。通過(guò)DeviceNet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)所有控制參數(shù)的數(shù)字化精準(zhǔn)輸入和調(diào)整，顯著提高機(jī)組的操作便捷性。

（3）鋼管過(guò)程信息顯示直觀化。搭建精焊整線多位置傳感探知系統(tǒng)，在控制系統(tǒng)中對(duì)傳感器采集的信息進(jìn)行預(yù)處理，將機(jī)組狀態(tài)和鋼管位置信息直觀地在控制界面上動(dòng)畫顯示。

（4）操控系統(tǒng)智能化。利用激光跟蹤采集的偏差信息，將滑板信息、機(jī)頭位置信息、螺旋驅(qū)動(dòng)姿態(tài)信息導(dǎo)入建立的智控模型，構(gòu)建雙閉環(huán)自適應(yīng)反饋控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精焊機(jī)組“無(wú)人值守”智能化操控。

（5）節(jié)能設(shè)計(jì)綠色化。采用數(shù)字化焊接電源系統(tǒng)+整線大功耗單元的啟停程序優(yōu)化，與傳統(tǒng)機(jī)組比，節(jié)省電能15%～30%。

4 工程應(yīng)用

沿著焊管預(yù)精焊關(guān)鍵技術(shù)與數(shù)字化焊接裝備的發(fā)展方向，目前我國(guó)已成功研制出直縫焊管預(yù)精焊生產(chǎn)線、螺旋縫焊管預(yù)精焊生產(chǎn)線、冶金復(fù)合管內(nèi)覆層帶極電渣焊/熱絲TIG焊設(shè)備、Φ219 mm小直徑直縫焊管數(shù)字化埋弧內(nèi)焊設(shè)備等系列成套裝備，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，促進(jìn)了我國(guó)油氣鋼管制造技術(shù)進(jìn)步。這些裝備在國(guó)內(nèi)制管企業(yè)中發(fā)揮了重要作用，不僅降低了生產(chǎn)成本，而且大幅提高了鋼管質(zhì)量。

某中石油制管企業(yè)的螺旋縫焊管預(yù)精焊生產(chǎn)線與傳統(tǒng)的“一步法”相比，實(shí)現(xiàn)了6個(gè)方面的顯著提升與突破，在生產(chǎn)西氣東輸三線、哈爾濱-沈陽(yáng)輸氣管道、沙特管線、荷蘭殼牌（HAM Norgron）項(xiàng)目、西氣東輸二線廣南支干線、中俄東線等工程用鋼管時(shí)成效顯著：①焊縫一次合格率提高6%左右；②焊縫沖擊韌性提高30%～40%，且離散度??；③產(chǎn)品成材率提高3%～5%；④焊縫成形美觀、表面光潔、過(guò)渡平緩（焊縫潤(rùn)濕角≤50°、內(nèi)焊縫“馬鞍形”基本消除）；⑤節(jié)約電能17%左右；⑥與同規(guī)模的螺旋縫焊管“一步法”機(jī)組相比，采用預(yù)精焊機(jī)組的產(chǎn)能提升50%～70%。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，我國(guó)大直徑油氣鋼管制造所需的關(guān)鍵技術(shù)裝備得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展與進(jìn)步，不僅滿足了國(guó)內(nèi)骨干制管企業(yè)的現(xiàn)實(shí)需求，而且部分研究機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品借助“一帶一路”平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了競(jìng)標(biāo)出口，不僅有力地支撐了我國(guó)西氣東輸二線、三線，川氣東送，中俄東線天然氣管道等能源動(dòng)脈工程的建設(shè)，促進(jìn)國(guó)家能源管網(wǎng)高質(zhì)量快速發(fā)展，而且實(shí)現(xiàn)了出口創(chuàng)匯，進(jìn)一步鞏固了我國(guó)在油氣鋼管領(lǐng)域技術(shù)的領(lǐng)跑地位。