長輸工程建設(shè)中的外自動(dòng)根焊技術(shù)研究

孫 亮

(中石化石油工程建設(shè)有限公司,北京100020)

中俄東線天然氣管道北段建設(shè)過程中,首次實(shí)現(xiàn)了管道100%自動(dòng)化焊接【1】,為其后在國內(nèi)管道項(xiàng)目全面推行自動(dòng)化焊接打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。國家管網(wǎng)集團(tuán)公司成立以后,制定了《油氣管道工程線路焊接技術(shù)要求規(guī)定》。規(guī)定明確要求:“在符合自動(dòng)焊應(yīng)用條件情況下,X70及以上鋼級(jí)管道線路焊接應(yīng)采用自動(dòng)焊。”在此背景下,國內(nèi)管道項(xiàng)目自動(dòng)焊焊接得以全面推廣。

目前,國內(nèi)長輸管道自動(dòng)焊接主要采用內(nèi)焊機(jī)根焊技術(shù),雖然焊接速度快,質(zhì)量高【2-3】,但是經(jīng)過多個(gè)管道項(xiàng)目實(shí)踐后,其缺點(diǎn)也逐步顯現(xiàn)。如:內(nèi)根焊焊層薄(1～2 mm),必須在管外熱焊一層才能撤離漲緊的內(nèi)焊機(jī);內(nèi)焊機(jī)爬坡能力弱,最大坡度不能超過15°;內(nèi)焊機(jī)通過冷彎管能力弱,最大角度不超6°等。這些固有缺點(diǎn)導(dǎo)致內(nèi)焊機(jī)適用范圍較窄,整體施工效率不高。而管道熔化極氣體保護(hù)外自動(dòng)根焊為下向焊,該技術(shù)具有如下優(yōu)勢:焊縫易于觀察;根焊焊層厚(3～5 mm),根焊完成后可直接撤離內(nèi)對(duì)口器進(jìn)行下一道焊口焊接;適用多種管徑管道焊接,僅需更換不同規(guī)格的行走軌道;適應(yīng)多種復(fù)雜地形等。該技術(shù)使得自動(dòng)焊適用范圍擴(kuò)大,整體施工效率提高。

1 外自動(dòng)根焊設(shè)備情況

1.1 外自動(dòng)根焊設(shè)備組成

外自動(dòng)根焊設(shè)備由左、右2臺(tái)外焊機(jī)組成。每臺(tái)外焊機(jī)包括1臺(tái)焊接電源、1臺(tái)中央控制系統(tǒng)、1臺(tái)焊接小車、1個(gè)手柄遙控器、1套接地裝置、1個(gè)混合保護(hù)氣瓶,以及設(shè)備間連接電纜等,如圖1所示。

圖1 外自動(dòng)根焊機(jī)組成示意

1.2 焊接電源要求

通過對(duì)STT根焊、RMD根焊等成熟半自動(dòng)根焊電源進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),這兩種焊接都是采用控制熔敷金屬過渡方式的技術(shù)控制熔滴過渡和電弧吹力的大小,使熔滴過渡迅速而有規(guī)律,形成穩(wěn)定的熔池,獲得好的根焊質(zhì)量和焊縫成形【4-5】,但由于STT、RMD根焊電源是針對(duì)半自動(dòng)焊而設(shè)計(jì)的,不能滿足自動(dòng)根焊焊接速度快、焊接電流大、電弧穿透力強(qiáng)的需要,所以只能借鑒半自動(dòng)根焊電源控制思路,根據(jù)自動(dòng)根焊的特點(diǎn),利用高速DSP(DigitalSignalProcessing)采集和監(jiān)測電弧電信號(hào),調(diào)整脈沖參數(shù)的方法來設(shè)計(jì)自動(dòng)根焊專用電源【6-8】。也就是說要想獲得高質(zhì)量根焊焊接接頭,只能重新研發(fā)或改進(jìn)已有焊接電源,才可滿足自動(dòng)根焊質(zhì)量要求。

1.3 焊接分區(qū)要求

管道在圓周順時(shí)針(CW)、逆時(shí)針(CCW)的各個(gè)位置焊接過程中,焊接熔池金屬因重力會(huì)影響焊接穩(wěn)定性、焊接質(zhì)量和焊接成形。手工焊和半自動(dòng)焊均是由有經(jīng)驗(yàn)的焊工通過變換手法和參數(shù)來控制焊接,自動(dòng)焊則是通過調(diào)用設(shè)定好的焊接參數(shù)來實(shí)現(xiàn)完美焊接。

一般管道自動(dòng)焊采用不分區(qū)和粗分區(qū)(6分區(qū))模式。實(shí)踐證明,采用細(xì)分區(qū)模式,即沿管道順時(shí)針(CW)或逆時(shí)針方向(CCW)每15°分1個(gè)區(qū)(如圖2所示),根據(jù)每個(gè)區(qū)所處位置,預(yù)先設(shè)定好適合這個(gè)區(qū)的最佳焊接參數(shù),焊接時(shí),焊接小車通過角度傳感器感知所處管圓周位置,并調(diào)用設(shè)定好的分區(qū)參數(shù),可以獲得更加優(yōu)良的焊接質(zhì)量。

圖2 管道焊接分區(qū)示意

1.4 焊縫檢測跟蹤要求

在自動(dòng)根焊焊接小車上加裝焊縫檢測跟蹤裝置,可自動(dòng)識(shí)別、控制焊炬在坡口處位置對(duì)中和干伸長大小,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化根焊焊接。

目前,市面上的管道自動(dòng)焊機(jī)主要應(yīng)用電弧跟蹤、激光視覺焊縫跟蹤兩種方式。電弧跟蹤系統(tǒng)使用電流和電壓傳感器的反饋來識(shí)別焊槍位置的變化,如當(dāng)焊炬偏離焊縫中心時(shí),焊炬到坡口兩側(cè)的距離不同,系統(tǒng)會(huì)不斷對(duì)焊縫左側(cè)和右側(cè)的焊接電流進(jìn)行比較,以控制焊炬保持在中心位置。激光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)使用線結(jié)構(gòu)光,光線投射到坡口的表面上,在焊縫上形成明顯的激光輪廓線;使用相機(jī)在一定角度觀察激光線,觀察到的線條輪廓應(yīng)與焊縫的幾何形狀完全匹配;然后通過輪廓尋找焊縫特征點(diǎn),再由控制器對(duì)特征點(diǎn)位置進(jìn)行分析,并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整焊炬位置,以保證焊炬和焊縫之間保持對(duì)中關(guān)系。與電弧跟蹤系統(tǒng)相比,激光視覺系統(tǒng)分辨率高,能可靠地跟蹤焊縫,更加適合管道自動(dòng)根焊焊接。

2 外自動(dòng)根焊工藝情況

2.1 坡口形式要求

坡口形式是否合理關(guān)系到焊接質(zhì)量和焊接效率,進(jìn)而影響到管道施工效率【9】,對(duì)管道自動(dòng)焊技術(shù)和工藝的應(yīng)用推廣影響較大。現(xiàn)階段國內(nèi)自動(dòng)焊坡口多沿用廠家推薦形式,一般為V形、雙V形坡口,如圖3所示。

圖3 常用外自動(dòng)焊坡口形式

V形坡口形式簡單,在鋼管出廠時(shí)就可加工好,可節(jié)省施工現(xiàn)場加工坡口的環(huán)節(jié),但焊縫填充金屬量巨大,焊接生產(chǎn)效率低,且坡口鈍邊尺寸受砂輪機(jī)打磨影響難以均勻,很難滿足自動(dòng)焊根焊對(duì)坡口鈍邊和組對(duì)間隙要求,并不是外自動(dòng)根焊坡口的理想形式。

雙V形坡口為復(fù)合坡口,需現(xiàn)場使用坡口機(jī)加工,焊縫金屬填充量少,焊接生產(chǎn)效率高,能滿足自動(dòng)根焊對(duì)坡口鈍邊和組對(duì)間隙要求,比較適合管道自動(dòng)焊焊接;但第一個(gè)V與第二個(gè)V形交界處,一般處于熱焊層與填充一層位置,拐角處容易產(chǎn)生未熔合缺陷,使焊縫合格率降低。

經(jīng)深入對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),U形坡口(如圖4所示)雖仍需現(xiàn)場加工,但焊縫金屬填充量少,焊接效率高,坡口根部較為平坦,利于焊接電弧穿透坡口根部,有利于根焊接頭成形,同時(shí)也有利于自動(dòng)焊的填充和蓋面,可使缺陷減少,焊接合格率更高,是自動(dòng)焊焊接理想的坡口形式。

圖4 U形坡口形式

2.2 焊接工藝參數(shù)匹配關(guān)系

管道自動(dòng)焊(包括自動(dòng)根焊)主要有6個(gè)焊接參數(shù),即行走速度、送絲速度、擺動(dòng)寬度、擺動(dòng)速度、邊緣停留時(shí)間和電壓。焊接參數(shù)大小與選用的坡口形式關(guān)系密切,需根據(jù)選定坡口的鈍邊厚度、坡口角度和坡口寬度設(shè)定。此外,這6個(gè)焊接參數(shù)之間也存在相互匹配的關(guān)系,下面將通過理論結(jié)合實(shí)踐的方法來介紹。

2.2.1行走速度和送絲速度

管道自動(dòng)焊中焊接速度(V)近似等于焊接小車行走速度(Tr),即V≈Tr。焊絲直徑為d,每層焊縫的截面積為S(如5圖所示),實(shí)心焊絲焊接熔敷率為P。焊接速度與送絲速度(Ws)的關(guān)系為:

圖5 根焊層截面示意

管道自動(dòng)根焊是全位置焊接,受位置的影響和重力的作用,在管道的平焊位置、立焊位置、仰焊位置,焊縫表面成形是不同的。為了讓管道全位置焊接獲得良好的焊接成形,焊接速度與送絲速度的匹配,應(yīng)在式(1)的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào),如:平焊位置應(yīng)適當(dāng)增加送絲速度;立焊位置略減小送絲速度;仰焊位置適當(dāng)降低送絲速度,并通過實(shí)際焊接,確定焊接速度和送絲速度的匹配關(guān)系【10】。

2.2.2擺動(dòng)寬度和其他參數(shù)的關(guān)系

焊炬擺動(dòng)寬度的增加或減小會(huì)引起其他參數(shù)的聯(lián)動(dòng)變化。焊接試驗(yàn)和參數(shù)測量結(jié)果呈現(xiàn)出如下聯(lián)動(dòng)關(guān)系:擺動(dòng)寬度減小,焊接速度增大,送絲速度增大,擺動(dòng)速度增大,邊緣停留時(shí)間減小,焊接電壓升高;擺動(dòng)寬度增大,焊接速度減小,送絲速度減小,擺動(dòng)速度減小,邊緣停留時(shí)間增大,焊接電壓下降。

外自動(dòng)根焊焊炬擺動(dòng)寬度很小或不擺動(dòng),拿圖2舉例來說,0°～15°分區(qū)位置和135°～180°分區(qū)位置,焊炬擺動(dòng)寬度應(yīng)比實(shí)際擺動(dòng)寬度增加0.5 mm。調(diào)整擺動(dòng)寬度和焊接參數(shù),可以確保管道各個(gè)位置焊接成形良好。

2.2.3焊接參數(shù)與熔深關(guān)系

對(duì)管道外根焊焊接來說,要想保證焊接電弧有足夠的穿透力和鈍邊熔合能力、達(dá)到單面焊雙面成形的效果、獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭,就需要通過實(shí)踐研究各焊接參數(shù)與熔深的關(guān)系,再根據(jù)研究成果指導(dǎo)管道外根焊的焊接實(shí)踐。

如圖6所示,焊接速度與焊接熔深的關(guān)系為:焊接速度由0cm/min提高至38cm/min的過程中,焊接熔深逐步增大;當(dāng)焊接速度達(dá)到38cm/min時(shí),焊接熔深最大;焊接速度超過38cm/min后,隨著焊接速度的進(jìn)一步增大,焊接熔深緩慢減小。

圖6 焊接速度與熔深關(guān)系示意

如圖7所示,電弧電壓與熔深的關(guān)系為:電弧電壓由15V升高至20V的過程中,電弧燃燒越來越穩(wěn)定,焊接熔深逐步增大;當(dāng)電弧電壓升至20V時(shí),焊接熔深最大;電弧電壓超過20V后,焊接熔深緩慢減小。

圖7 電弧電壓與熔深關(guān)系示意

如圖8所示,焊接電流與焊接熔深的關(guān)系為:焊接電流越大,焊接熔深越大,類似于正比例關(guān)系。

圖8 焊接電流與熔深關(guān)系示意

3 外自動(dòng)根焊焊接實(shí)驗(yàn)

3.1 焊接工藝

3.1.1鋼管

采用鋼級(jí)為L555(相當(dāng)于API5LX80級(jí))、規(guī)格為?1219mm×22 mm的螺旋埋弧焊鋼管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

其化學(xué)成分見表1,機(jī)械性能見表2。

表1 X80管線鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 X80管線鋼機(jī)械性能

3.1.2焊接材料

根焊采用LincolnPipelinerER70S-G實(shí)芯焊絲,直徑?1.0mm,標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為AWSA5.18。填充、蓋面焊采用單槍自動(dòng)焊,焊絲選用直徑?1.0mm的LincolnPipelinerER80S-G實(shí)芯焊絲。

華譯《史記》可讀性強(qiáng)，為了讓讀者以更簡單的方式閱讀文本，因此譯者沒有加入很多的腳注以及文后注釋，而是直接以簡單易懂的隨文注釋來幫助讀者閱讀。

3.1.3坡口形式

采用U形坡口形式(如圖9所示),坡口用坡口整形機(jī)進(jìn)行加工。

圖9 實(shí)驗(yàn)用U形坡口

3.1.4管口清理和預(yù)熱

采用砂輪及鋼絲刷進(jìn)行管端清理。將坡口表面及坡口內(nèi)側(cè)面10mm范圍內(nèi)的鐵銹、油污等清理干凈,管口用中頻加熱帶加熱到100℃。

3.1.5根焊及填充、蓋面焊參數(shù)

根焊采用單槍熔化極實(shí)芯氣體保護(hù)自動(dòng)焊,填充、蓋面焊也采用單槍熔化極實(shí)芯氣體保護(hù)自動(dòng)焊,根焊、填充和蓋面均采用下向焊工藝,焊接工藝參數(shù)范圍見表3和表4。

表3 外自動(dòng)根焊焊接參數(shù)范圍

表4 單槍自動(dòng)焊填充、蓋面焊接參數(shù)范圍

外自動(dòng)根焊易出現(xiàn)未焊透或燒穿問題,焊接過程中應(yīng)注意以下操作要點(diǎn):

1)因外自動(dòng)根焊是全位置焊接,且是單面焊雙面成形,所以施焊前一定要保證管口組對(duì)質(zhì)量能滿足根焊焊接要求;

2)焊接時(shí),必須保證焊絲中心與坡口組對(duì)中心相對(duì),一般焊槍應(yīng)垂直鋼管圓弧切線方向。焊工要在焊槍的正前方觀察熔池,這樣可清楚地看到熔池變化,及時(shí)調(diào)整干伸長,避免燒穿和未焊透等缺陷的發(fā)生;

3)焊接時(shí),從頂點(diǎn)位(0°)起弧時(shí),焊絲干伸長應(yīng)略短,一般為6～8倍焊絲直徑;焊接20mm以后逐步拉長焊絲干伸長至10倍焊絲直徑;在135°～180°位焊接時(shí),焊絲干伸長逐步拉長至11～13倍焊絲直徑【11】。

3.2 焊接及檢驗(yàn)情況

3.2.1內(nèi)、外根焊焊接對(duì)比研究

相同條件下,內(nèi)根焊焊接時(shí)間為110s,焊層厚度為1～2 mm,焊接時(shí)間較外根焊節(jié)省約60%,但內(nèi)根焊焊接完成后,因焊層過薄,不能撤離漲緊的內(nèi)焊機(jī)進(jìn)行下一道焊口的焊接,需等待外焊填充焊接一層才能撤離,而外焊填充一層時(shí)間約為200s,故內(nèi)焊焊接焊口的整體時(shí)間為310s。外根焊焊縫焊接時(shí)間為265s,根焊層厚為2.9～3.8mm,焊縫正面較為平緩、整齊,背面飽滿,熔合良好。焊縫外觀情況如圖10所示。

圖10 外根焊焊縫外觀情況

此外,內(nèi)焊機(jī)價(jià)格昂貴,且僅適用于平坦地段、固定管徑的焊接;而外根焊焊機(jī)價(jià)格不到內(nèi)根焊焊機(jī)價(jià)格的一半,且適用于多種復(fù)雜地形、多種管徑的焊接(僅需更換軌道)。考慮適用性和經(jīng)濟(jì)性因素后認(rèn)為,外根焊焊接技術(shù)更具綜合優(yōu)勢。

3.2.2TOFD檢測結(jié)果

采用外自動(dòng)根焊焊接并使用自動(dòng)焊填充、蓋面焊接完成整個(gè)焊口后,進(jìn)行TOFD檢測,結(jié)果顯示,焊口合格。TOFD焊縫檢測情況如圖11所示。

圖11 TOFD焊縫檢測情況

4 結(jié)語

熔化極氣保護(hù)外根焊技術(shù)采用單面焊雙面成形工藝,在管道外進(jìn)行焊接,雖然焊接速度低于內(nèi)根焊技術(shù),但其在根焊層厚、適用不同管徑、適應(yīng)各種復(fù)雜地形和經(jīng)濟(jì)成本等方面優(yōu)勢明顯,使管道施工綜合效率和經(jīng)濟(jì)效益得到提高,值得在各類長輸管道項(xiàng)目施工中推廣使用。