長輸管道自動焊連續(xù)施工技術(shù)工藝分析

李文

(中石化河南油建工程有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

隨著國家管網(wǎng)公司的成立以及大口徑高強(qiáng)度鋼管道建設(shè)的快速發(fā)展，管道自動焊的應(yīng)用場景越來越多。各管道建設(shè)單位對自動焊技術(shù)關(guān)注度極高，在自動焊工藝開發(fā)、設(shè)備引進(jìn)和研發(fā)等方面投入了大量精力。經(jīng)過近年來的發(fā)展，中石化的自動焊技術(shù)已逐步在管道建設(shè)項(xiàng)目開展實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用，研發(fā)出多種新自動焊工藝。經(jīng)過幾個項(xiàng)目的施工實(shí)踐，不斷從工藝方法、設(shè)備機(jī)具、檢驗(yàn)手段、人員配備、現(xiàn)場準(zhǔn)備等方面完善自動焊施工工藝，長輸管道自動焊施工將在未來長輸管道工程項(xiàng)目上被廣泛使用。該工藝具有焊口質(zhì)量高、施工效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、勞動強(qiáng)度低等特點(diǎn)。結(jié)合目前全自動焊施工的經(jīng)驗(yàn)，長輸管道全自動焊能否連續(xù)施工，將影響到工程進(jìn)度和工程成本。導(dǎo)致長輸管道不能連續(xù)施工的主要因素有以下6 個方面：(1) 線路此起彼伏，熱彎管較多；(2) 小型河流、道路等穿越點(diǎn)較多；(3)線路施工作業(yè)面不充足；(4)外協(xié)工作不到位，造成多次轉(zhuǎn)場；(5) 長輸管道全自動焊施工屬于流水作業(yè)，因設(shè)備和人員造成停工；(6)焊接一次合格率不高，造成返工。

1 全自動焊連續(xù)施工條件

在長輸管道的施工過程中，為了保證全自動焊連續(xù)施工應(yīng)滿足以下6 個方面：(1)適用于DN500～DN1400 等多種管徑的平原低丘地帶，其適應(yīng)坡度地形≤12°；(2) 線路施工斷點(diǎn)少；(3) 長輸管道線路施工作業(yè)面充足；(4)征地協(xié)調(diào)計劃周密，無阻工現(xiàn)象；(5)施工機(jī)組配備優(yōu)良的設(shè)備及人員；(6)焊接一次合格率高。

2 全自動焊施工流程

長輸管道自動焊施工流程圖如圖1 所示。

圖1 工序流程圖

3 全自動焊施工控制方法

3.1 施工準(zhǔn)備

(1)現(xiàn)場踏勘。確定施工點(diǎn)的管線走向、埋深、地質(zhì)、地下管線及其他障礙物等情況。

(2) 管道調(diào)查。向項(xiàng)目部進(jìn)行咨詢調(diào)查，確定待焊接處管線路由、管口封堵情況以及連頭施工實(shí)施方案等。

(3)技術(shù)準(zhǔn)備。明確自動焊的各工序操作要點(diǎn)，制定坡口清理打磨、管口組對、焊接過程監(jiān)測等工序操作規(guī)程，同時根據(jù)自身設(shè)備型號，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及設(shè)計文件要求進(jìn)行焊接工藝評定及用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工的焊接工藝規(guī)程，報項(xiàng)目部批準(zhǔn)后實(shí)施。

(4)設(shè)備工裝準(zhǔn)備。檢查電站、焊接氣瓶棚、焊機(jī)、行走小車、中頻預(yù)熱和電伴熱帶等完好，可靠運(yùn)行；計量器具、儀表設(shè)備應(yīng)經(jīng)過檢定和校準(zhǔn)，在有效期限內(nèi)。

(5) 材料準(zhǔn)備。對焊材、焊接用保護(hù)氣體和導(dǎo)電嘴、噴嘴等焊接配件輔助材料進(jìn)行進(jìn)場驗(yàn)收，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

(6)人員準(zhǔn)備。管道全自動焊工除具有各省級市場監(jiān)督部門頒發(fā)的焊工資格證外還應(yīng)具備應(yīng)急管理廳下發(fā)的焊接與熱切割作業(yè)合格證件(應(yīng)項(xiàng)目業(yè)主要求確定)，經(jīng)施工項(xiàng)目部上報監(jiān)理和業(yè)主后參加業(yè)主組織的焊工崗前考試，取得焊工上崗證后方可進(jìn)行施焊。焊工資格證持證項(xiàng)目的焊接方法、焊接位置、有效期等應(yīng)能符合上崗考試要求。作業(yè)人員進(jìn)行安全教育培訓(xùn)和安全技術(shù)交底。

(7) 崗前練兵。磨合期為機(jī)組到場后7 天時間練兵期，嚴(yán)格按照正式版《焊接工藝規(guī)程》開展規(guī)范性練兵操作，要求質(zhì)量合格率穩(wěn)中有升，方可向監(jiān)理提請上崗考試。焊接機(jī)組通過監(jiān)理組織的考試達(dá)到合格要求，才能進(jìn)入考核期施工。

3.2 全自動焊接設(shè)備及焊接材料

為進(jìn)一步加強(qiáng)施工現(xiàn)場綜合管理，促進(jìn)項(xiàng)目管理與施工機(jī)組現(xiàn)場管理的相互融合，提高施工水平，規(guī)范施工質(zhì)量，形成良好施工氛圍，全面提升施工機(jī)組管理能力，促進(jìn)施工現(xiàn)場管理科學(xué)化、規(guī)范化、制度化，切實(shí)堅持并持續(xù)改善施工現(xiàn)場的綜合管理，最終達(dá)到優(yōu)化配置機(jī)組管理水平。

全自動焊施工工藝采用GMAW↓(根焊) + GMAW↓熔化極氣保護(hù)實(shí)芯焊絲(熱焊/填充/蓋面)。根焊設(shè)備為熊谷A-800 系列內(nèi)焊機(jī)，熱焊、填充、蓋面設(shè)備為熊谷DPS-500P 焊接電源＋熊谷A-610 雙焊炬外焊系統(tǒng)。

線路焊接采用熔化極氣體保護(hù)焊(內(nèi)焊機(jī)根焊+雙焊炬外焊機(jī)熱焊、填充、蓋面)工藝，焊接設(shè)備為熊谷內(nèi)焊+熊谷外焊焊接設(shè)備，復(fù)合U 型坡口，內(nèi)焊材料為Lincoln Pipeliner70S-6(φ0.9 mm)，外焊材料為Lincoln Pipeliner 70S-6(φ1.0 mm)。

內(nèi)補(bǔ)焊采用熔化極氣體保護(hù)焊(內(nèi)焊機(jī)補(bǔ)焊槍半自動焊)工藝，焊接設(shè)備為熊谷內(nèi)焊設(shè)備，內(nèi)焊材料為Lincoln Pipeliner 70S-6(φ0.9 mm)。

根焊、熱焊、填充及蓋面均采用保護(hù)氣體進(jìn)行保護(hù)。

3.3 全自動焊施工

(1)坡口加工。全自動焊接坡口采用復(fù)合U 型坡口。管端加工前，應(yīng)檢查管端內(nèi)、外側(cè)的平整情況，保證管端150 mm 范圍內(nèi)的內(nèi)、外側(cè)至與母材平齊。采用專用坡口機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場加工，管端坡口的加工參數(shù)應(yīng)符合焊接工藝規(guī)程中接頭尺寸的要求。坡口加工完成之后經(jīng)自檢合格后填寫坡口加工記錄。

不等壁厚對焊管段采用過渡管或坡口過渡處理措施。一般采用內(nèi)削邊處理，內(nèi)坡口角度≤15°。壁厚差相鄰等級采用坡口過渡處理，壁厚差2 個等級時采用過渡管處理。

為了避免坡口銹蝕及污物腐蝕對焊接質(zhì)量的影響，所加工的坡口宜在24 h 內(nèi)使用完成，如當(dāng)天不能使用的應(yīng)采用保鮮膜進(jìn)行包裹。

(2)管口組對。管口組對前，應(yīng)保證管內(nèi)的泥沙、冰雪、雜物等均以清理至干凈。鋼管內(nèi)外表面坡口及兩側(cè)150 mm 范圍內(nèi)無起鱗、磨損、鐵銹、渣垢、油脂、油漆等影響焊接質(zhì)量的其他有害物質(zhì)存在，應(yīng)采用機(jī)械法在坡口及兩側(cè)25 mm 范圍內(nèi)清理至金屬光澤。

兩相鄰管的鋼管焊縫(直焊縫、螺旋焊縫) 在對口處應(yīng)相互錯開不應(yīng)小于100 mm 的距離。直縫管制管焊縫宜在位于鋼管周長的上半部。管道焊縫的錯邊量不大于2.0 mm，宜均勻分布在鋼管圓周，并滿足其焊接工藝規(guī)程的要求。

為了保證焊工操作和安全，采用溝上焊接作業(yè)時，空間高度應(yīng)大于500 mm；采用溝下焊接時應(yīng)配置焊接防塌棚及安全通道。對每道焊口的組對情況進(jìn)行檢查并記錄。

(3)焊前預(yù)熱。X60 以上級別鋼制管道施焊前管口需對焊縫兩側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，其預(yù)熱溫度控制在80～150 ℃左右；若返修時預(yù)熱溫度一般為90～150 ℃。冬季預(yù)熱宜采用纏繞式中頻加熱設(shè)備以保證管口處均勻加熱，其溫度一般為100～150 ℃。預(yù)熱后應(yīng)及時清除鋼管表面污垢。為了保證預(yù)熱溫度均勻，采用紅外線測溫儀、接觸式測溫儀或測溫筆在距焊縫25 mm處的圓周均勻測量溫度。

(4) 軌道安裝。軌道安裝時，應(yīng)控制好軌道邊緣與管端之間的距離、軌道的松緊程度，軌道與管道的同心度和管口的平行度。安裝過程中應(yīng)采用軌道尺或者特殊加工的軌道定位器來定位軌道位置。軌道安裝后，對軌道兩側(cè)至少測量4 個點(diǎn)的位置的安裝尺寸進(jìn)行檢查方可安裝焊機(jī)機(jī)頭，其安裝尺寸應(yīng)滿足：軌道與管表面的距離差不大于2 mm；軌道與管口端面的間距140 mm。

(5) 內(nèi)焊機(jī)根焊。管道自動內(nèi)焊機(jī)(A-800 系列)系統(tǒng)由電動、氣動和機(jī)械模塊組成，其功能是組對及焊接(從管道內(nèi)部對根部進(jìn)行施焊)。內(nèi)焊機(jī)施焊前應(yīng)根據(jù)焊接工藝規(guī)程中的送絲速度、焊接速度等參數(shù)錄入其控制系統(tǒng)，焊接過程中則不需要進(jìn)行修改[1]。

內(nèi)焊機(jī)必須在完成焊道全周長的根焊后方可撤離，應(yīng)力較集中時需熱焊完成后方可撤離。

根焊完成后，應(yīng)進(jìn)行外觀檢查，外觀合格后進(jìn)行熱焊作業(yè)，不合格應(yīng)采用內(nèi)補(bǔ)焊進(jìn)行補(bǔ)焊。采用自動焊內(nèi)焊機(jī)焊接根焊道，對管道兩端采取防風(fēng)措施，即在管道焊接起始管的管端安裝不易脫落的臨時盲板，在正在焊接的管端罩上用防雨布或帆布制作的防風(fēng)罩，并用捆扎帶固定。根焊完成后的鋼管在放置到管墩上的過程中，鋼管不應(yīng)受到振動和沖擊。

(6)全自動單焊炬熱焊。為了保證鈍邊的融合，增加熔深，采取增大電流、增加大送絲速度，焊接速度較填充蓋面快，必須單焊炬焊接。管道自動焊熱焊設(shè)備為雙焊炬自動外焊設(shè)備熱焊施焊前應(yīng)根據(jù)焊接工藝規(guī)程中相應(yīng)焊接參數(shù)錄入到控制系統(tǒng)中，例如：電流、電壓、焊接速度、送絲速度、擺動寬度、頻率、左右停留時間等。

外焊機(jī)固定在焊接軌道上，根據(jù)規(guī)程適當(dāng)調(diào)節(jié)外焊機(jī)，即可進(jìn)行熱焊道的焊接。熱焊道的起弧、收弧接頭應(yīng)保證與其根焊道的接頭處錯開30 mm 以上。熱焊完成后對起、收弧接頭處進(jìn)行打磨，打磨時應(yīng)注意不要碰到坡口。采用電動鋼絲刷對層間氧化層進(jìn)行清理，同時對整個焊道進(jìn)行檢查，確定合格后進(jìn)入下道工序。

(7)全自動雙焊炬填充蓋面。熱焊焊道外觀合格后，即可用進(jìn)行填充、蓋面焊接。填充、蓋面施焊前應(yīng)根據(jù)焊接工藝規(guī)程中相應(yīng)焊接參數(shù)錄入到控制系統(tǒng)中。同時應(yīng)確定填充焊道的層數(shù)和道數(shù)，填充焊道每層厚度大約2～3 mm。填充、蓋面焊接過程中，各層接頭位置應(yīng)錯開30 mm 以上。其中為了保證蓋面焊道的外觀成形，最后一層填充焊道應(yīng)控制在距離管表面1～2 mm 左右處。填充、蓋面焊接過程中，各層間應(yīng)采用電動鋼刷對氧化層進(jìn)行清理，同時并用砂輪機(jī)打磨焊道表面的熔渣、密集氣孔、引弧點(diǎn)或接頭高凸處及坡口邊緣的飛濺，以避免未熔合缺陷的產(chǎn)生。采用雙焊炬焊機(jī)焊接，除最后一遍填充焊外，所有填充焊需要啟動電弧水平和垂直跟蹤功能。接頭打磨時要圓滑過渡且不能傷及坡口。最后一遍填充則根據(jù)情況及時調(diào)節(jié)焊接參數(shù)確保蓋面焊接工序的正常進(jìn)行。蓋面焊接過程前，應(yīng)對其填充焊道進(jìn)行檢查，如有填充不飽滿的地方需要補(bǔ)焊、填充太滿的地方則適當(dāng)打磨。蓋面焊道的寬度應(yīng)滿足每側(cè)比坡口增寬1～2 mm。運(yùn)用雙焊炬焊機(jī)蓋面焊時采用排焊，蓋面成型美觀，寬度均勻，“6 點(diǎn)”處焊道的余高容易超標(biāo)的現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)情況及時調(diào)節(jié)參數(shù)。填充、蓋面焊接完成后，采用電動鋼刷及時清理飛濺，然后進(jìn)行焊道外觀檢查。

每道焊口宜當(dāng)日完成。若當(dāng)日不能完成的焊口其焊接厚度應(yīng)滿足50%鋼管壁厚，且不少于3 層焊道，并置于在防風(fēng)棚內(nèi)。未完成的焊口應(yīng)采用防潮、隔熱的材料進(jìn)行包裹。次日焊接前，應(yīng)按照焊接工藝規(guī)程要求預(yù)熱至層(道)間溫度的最低值。

(8)表面清理及外觀檢查。蓋面焊完成后，應(yīng)使用電動鋼絲輪等工具對焊接表面焊渣及飛濺等附著物進(jìn)行清理，清理完成后進(jìn)行焊工自檢以確保焊縫外觀質(zhì)量。焊縫表面不得有裂紋、氣孔和焊瘤等外觀缺陷。按照項(xiàng)目要求填寫相應(yīng)的記錄表格并做好焊口標(biāo)識。

(9)軌道拆除。焊工自檢及質(zhì)檢員外觀檢查合格后，方可拆除其軌道。

4 連續(xù)施工保證措施

為最大程度發(fā)揮全自動焊接效率，應(yīng)根據(jù)工程線路特點(diǎn)和以往全自動焊工程施工經(jīng)驗(yàn)，制定組織、人員、設(shè)備等方面連續(xù)施工保證措施。

4.1 加強(qiáng)施工組織管理

加強(qiáng)征地協(xié)調(diào)，保證有連續(xù)施工的作業(yè)面，避免造成停工轉(zhuǎn)場。優(yōu)化焊接機(jī)組各崗位人員，提升專業(yè)技能水平，確保每個焊接機(jī)組整體技術(shù)水平，減少因個別人員造成焊接工效降低。配備專業(yè)的設(shè)備維保人員，避免設(shè)備故障原因造成停工。在有條件的情況下采用單槍組合自動焊配合主線路全自動焊焊接，避免后期轉(zhuǎn)場和連頭工作。為了保證焊接機(jī)組有足夠的施工作業(yè)面應(yīng)提前優(yōu)化施工段，并進(jìn)行劃分，減少機(jī)組轉(zhuǎn)場次數(shù)。加強(qiáng)管材出庫與現(xiàn)場布管的級配管理，避免錯邊超標(biāo)，提高管口組對效率。

4.2 加強(qiáng)設(shè)備管理

開工前期準(zhǔn)備充足的設(shè)備配件，確保施工過程備件充足。加強(qiáng)維護(hù)，定人定機(jī)。焊工每天檢查焊機(jī)狀況，及時保養(yǎng)做好設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)記錄。加大檢查力度，對全自動焊接設(shè)備完好情況和設(shè)備性能定期進(jìn)行檢查，對焊接質(zhì)量不穩(wěn)定的焊接設(shè)備及時查找原因并進(jìn)行維修。

4.3 優(yōu)化線路，加強(qiáng)溝通，減少斷點(diǎn)

全自動焊接適用于DN500～DN1400 等多種管徑的平原和坡地地帶長輸管道線路自動焊接施工。內(nèi)焊機(jī)系統(tǒng)最大可適應(yīng)≤12°的坡度地形，針對地勢起伏超過12°的山區(qū)丘陵地帶，可提前根據(jù)施工環(huán)境、鋼管內(nèi)壁厚度變化的次數(shù)、施工地點(diǎn)等影響全自動焊接工效的因素，通過冷代熱和改線等優(yōu)化措施減少連頭斷點(diǎn)，提高一次通過性，使全自動焊接連續(xù)作業(yè)面更長[2]。

(1)河溝、干渠等穿越措施。對小型河溝、干渠、山丘等進(jìn)行降坡處理，管道盡可能采用降坡取直、增加冷管以及彈性敷設(shè)與降坡相結(jié)合的方式進(jìn)行縱向轉(zhuǎn)向；對于小型溝渠、排水管溝、河流，采取埋設(shè)涵管便橋的方式，確保涵管便橋修筑方式或者預(yù)制簡易浮筒方式通過；對中型長度、無通航的河流，采取多組浮筒組成臨時浮橋；對于大型河流，可通過辦理航道通行的河流采取浮船載運(yùn)的措施。

(2)道路穿越措施。一般縣級以下道路，若車流量較小，可采取大開挖的方式通過，施工前先封閉道路，待管道焊接后彈敷穿越道路后，在其上方敷設(shè)干土和厚鋼板，施工完成后，再恢復(fù)道路通行。若道路車流量大，在施工前，先修筑一條臨時繞行道路，用于車輛通行，待道路穿越施工完成后，再恢復(fù)道路。在管道能夠采用大開挖穿越的三、四級公路時與設(shè)計溝通采用蓋板涵來代替套管。開挖加蓋板涵穿越方式縮短了施工時間，減少對交通的影響，同時也避免了穿越段留頭。

采用開挖方式穿越機(jī)耕道，應(yīng)提前下臥預(yù)埋的敷設(shè)方式，即管道在穿越機(jī)耕道時，提前開挖引溝(深度較淺，一般為2 m)，將管道下臥埋設(shè)于路面下方，同時在管道上方鋪設(shè)鋼板等進(jìn)行保護(hù)，快速回填至路面，不影響機(jī)耕道的正常通行。然后在公路段的兩側(cè)線路，挖一個臨時管溝，深度從2 m 逐漸過渡到地表，讓管道以縱向彈敷的方式敷設(shè)。待焊接完畢后，進(jìn)行沉管作業(yè)，直至管溝深度達(dá)到設(shè)計埋深要求。

(3)地下障礙物穿越措施。對于地下灌溉水管線(PVC 等塑料水管線)的障礙物，測量時進(jìn)行統(tǒng)計工作，征地賠償針對性告知情況進(jìn)行補(bǔ)償時間，焊接時連續(xù)進(jìn)行。

對于鑄鐵水管線，敷設(shè)在地上的管線，征地時進(jìn)行補(bǔ)償，管理單位配合進(jìn)行更換檢修工作，施工時更換為軟性連接管進(jìn)行連接，焊接管線置于水管線下方，設(shè)備通過時采用鋪設(shè)鋼板、墊土袋的方式確保設(shè)備通過時管線無影響，回填后，恢復(fù)原輸水方式。對于敷設(shè)在地下的鑄鐵水管線，征地時進(jìn)行補(bǔ)償，焊接直接焊接，管道下溝時，管線管理單位關(guān)閉閥門切管。

對于國防光纜、通信光纜、地下電纜、地下管道等地下障礙物，由于在運(yùn)營，無法切斷施工，嚴(yán)格控制預(yù)留的長度，穿越處設(shè)置在管線的中間，若偏離單根管線中間較多時，地形較好、穿越地下障礙物更方便的一側(cè)進(jìn)行二接一預(yù)制，作為非全自動焊口施工。

4.4 加強(qiáng)焊接質(zhì)量管理

加強(qiáng)焊工責(zé)任心教育，嚴(yán)格三檢制，細(xì)化工序管理。加大焊工重新進(jìn)行焊接工藝規(guī)程的詳細(xì)交底。焊接時，要求焊工掌握好焊絲擺動角度，在坡口部位適當(dāng)停留，保證焊滴與坡口完全熔合。控制層間溫度，尤其是停焊后再焊時，重新預(yù)熱到規(guī)定溫度，滿足焊接工藝規(guī)程要求。焊接過程中，注意觀察熔池金屬的異常情況，發(fā)現(xiàn)異常及時打磨處理。做好坡口清理，完全清除坡口表面及附近區(qū)域的污物、銹蝕及表面缺陷等，露出金屬光澤?？刂坪秒娏鳌㈦妷?、焊接速度等焊接參數(shù)[3]。

5 結(jié)語

長輸管道自動焊連續(xù)施工技術(shù)在一些重點(diǎn)項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，取得了一定成效。自動焊連續(xù)施工技術(shù)需要不斷總結(jié)提升，施工單位要持續(xù)加強(qiáng)總體統(tǒng)籌，優(yōu)化現(xiàn)場策劃，提升自動焊技術(shù)和工藝應(yīng)用水平，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目主動快速高效推進(jìn)，降低施工成本，努力提高市場競爭能力。