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管道自动焊在山区管道建设中应用

  向彬瑞

中国石油天然气管道第二工程有限公司

摘要：焊接工艺是影响焊接质量和效率的主要因素。对于山区自动焊施工，如何克服坡 度环境下重力对熔池流动的影响是解决问题的关键因素。

关键词：自动焊；山地；焊接工艺

前言

截至2019年我国国内油气管道总长度已达13万千米，根据国家能源局2017 年5月发布的《中长期油气管网规划》，到2025年，中国油气管网规模将达到24 万公里。在未来一段时期内，我国油气管网建设将迎来一个的重要历史机遇期，工程建设任务非常繁重。根据我国的城市分布和自然地理特点，华东、华南和西南地区大部分以山地丘陵为主且人口稠密，未来需求巨大。为避让城镇规划和基础设施建设，今后山区管道在管道建设中占比会越来越重。

近几年多起管道失效事故主要因管道环焊缝断裂。主要原因是：钢材冶炼、钢管制管技术发展突飞猛进，焊接工艺技术发展滞后，导致环焊缝焊接施工基本采用自保护半自动焊或者手工向下焊技术，存在较大的人为不利因素，主要体现为环焊缝焊接质量不稳定、焊接缺陷多、焊缝金属韧性差、力学性能不稳定、焊缝微裂纹普遍存在等缺点。尤其是施工环境更差，管道组装残余应力大、地质条件差、施工难度大的山地与丘陵地段，焊接接头的失效率高于地势平坦段，有必要进行焊接设备和工艺的突破研究。同时，管道自动焊的优势在于焊接工艺参数易控制、焊接过程稳定、焊缝力学性能优良、焊接参数可实时采集与传输。结合我国山区和丘陵等地形占比重、灾害多发、人口众多等国情特点，全自动焊接施工对保障管道本体安全、公众和环境安全至关重要。研究基于山区地形的全自动焊接设备和工艺方法就成为必然。今年有幸参与中俄东长岭-永清段七标段位于秦皇岛地形多为山区丘陵。

一、山区自动焊中的难点

（一）山区自动焊对设备的要求

在山区地带，受纵向坡度的影响，内焊机行走过程中易出现打滑现象，甚至容易出现内焊机下滑的危险情况，这将导致内焊机无法完成管口组对；还有一定的安全隐患。在坡度较大的地段，内焊机停驻时也会出现机身下滑，影响焊接单元焊枪对中，从而产生焊缝焊偏、热焊烧穿，根焊未熔等缺陷。因此，在山区管道自动焊施工中，内焊机必须有足够的行走驱动力以保障其能够上坡行走，并且具备良好的停驻能力以确保焊枪精确对中，减少不安全因素。

（二）山区自动焊对焊接工艺的要求

除焊接设备外，焊接工艺是影响焊接质量和效率的主要因素。对于山区自动焊施工，如何克服坡度环境下重力对熔池流动的影响是解决问题的关键因素。正常自动焊焊接时，下滑坡及仰焊位是最难焊接的，也是最容易出问题的位置。熔池受重力原因铁水下坠。成型后成为中间高两侧低，两侧夹角深。出现两侧为融合缺陷。然而山区管道自动焊施工时，受地形影响起伏过于频繁，焊口开口极难保证。另外熔池处于一种特殊的受力状态，熔池在重力的影响下铁水向电弧下方流动，阻碍了电弧对坡口底部的热输入，容易出现层间熔合不良的缺陷；熔池铁水向较低一侧的坡口流动堆积，较高一侧坡口的铁水变少，容易出现侧壁未熔合的缺陷。因此焊接过程中应尽量维持熔池关于焊缝中心对称，电弧力方向受焊枪角度影响，调整焊枪向上指向熔池时电弧力可以阻碍熔池下淌；当焊枪指向较高一侧坡口时，电弧力可以阻碍熔池向较低侧坡口流动堆积。为保证焊缝成形和焊缝质量，需尽量减小或避免熔池下坠对其的影响。熔池下坠主要是受重力影响，通过调整焊枪角度，电弧力可以作为熔池下坠的阻力。以及熔池处于熔融态的时间（即冷却时间，相当于其运动时间）的影响，因此，减小熔池重力、增大电弧力、加快熔池冷却速度均有利于抑制熔池下坠。提高焊接速度，降低送丝速度均有利于减小熔池重力、缩短冷却时间，但同时电弧力也相应降低，因此，在坡度焊接条件下对焊接速度、送丝速度的匹配要求更严格，需探索合适的焊接工艺参数以满足 对焊缝质量的要求。

二、山区自动焊施工中针对自动焊遇到的问题解决办法。

（一）设备本身的解决办法

在坡度施工时，内焊机下坡行走时减少行走压力，使内焊机的行走速度降下来。并且不使用内焊机的自动行走功能，将内焊机的手动行走刹车按钮并联出来，由焊工在远处进行手动操作。降低内焊机冲出管口撞击人员的风险。

内焊机正常在管道内平稳行走时，由气动马达提供的行走驱动力；当纵向坡度提高时，内焊机向上行走时受重力影响，内焊机行走需要更大的行走驱动力；在提高内焊机行走驱动力的同时，应该提高驱动轮与管壁间的摩擦力。内焊机驱动轮与管壁的摩擦力由行走支撑缸的支撑压力和驱动轮与管壁的摩擦系数决定，支撑压力上限为系统压力，摩擦系数主要与接触物体的材料、表面光滑程度有关，通过更换新的驱动轮（新驱动轮表面纹路较深），增加摩擦力，降低驱动轮打滑的机率。对刹车片进行同样的改造，内焊机的停驻能力也得到显著提升

。因此为确保内焊机能够在大坡度条件下顺利爬坡行走和平稳停驻，对内焊机行走及刹车机构进行更换新件以增加内焊机与管壁的摩擦力并增加行走压力跟行走支撑压力以提高内焊机的行走动力。使内焊机能够满足一定坡度下的管口组对和焊接要求。

（二）焊接工艺的优化

针对开口变化频繁，首先在地形起伏过于大的情况下需等到焊接完成50％后再进行起落操作这样开口变化不会太大。

针对熔池铁水下坠，我们在坡地段以平坦路段的焊接参数为模板在送丝速度及焊接速度的匹配上进行优化。送丝速度和焊接速度过大或者过小均会影响焊缝质量，导致焊缝检测不合格。坡度条件下自动焊焊缝的主要缺陷为侧壁未熔合。设置不同的焊枪倾角进行焊接，多次焊接后发现过大的焊枪倾角同样不利于焊缝成型和坡口熔合，适宜的倾斜角度为沿纵向倾角5°、沿横向倾角 7°。

结论

自动焊施工具有高效、优质的特点，但由于设备及工艺的限制，以往山区施工多采用手工或者半自动焊。通过对设备和工艺的优化，实现了山地条件下的自动焊焊接施工，焊接效率高，焊接质量满足要求。山区管道自动焊要求内焊机具有良好的爬坡功能和稳定停驻的能力，通过更改行走压力，行走支撑压力，及更换新的行走轮，刹车组件，从增大驱动力及增大滑动摩擦系数两方面着手，实现了坡度下的管道组对和根焊。解决熔池下坠问题是实现山区管道自动焊的关键，通过优化焊接工艺参数、焊枪倾角可以有效克服熔池下坠完成合格焊口。

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