近年來(lái)，中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生、城市不斷擴(kuò)建、高鐵和公路高速發(fā)展及第三方破壞，導(dǎo)致城市燃?xì)夤艿篮烷L(zhǎng)輸油氣管道維搶修和改線工作量持續(xù)增加。隨著長(zhǎng)輸油氣管道建設(shè)不斷向高壓力、大口徑、高鋼級(jí)、大壁厚的方向發(fā)展，在役焊接涉及的開孔三通、修復(fù)套筒等管件的壁厚也隨之增大。在油氣管道維搶修領(lǐng)域，在役管道焊接工藝幾乎全部采用手工電弧焊。采用手工電弧焊進(jìn)行維修時(shí)，焊接效率低，且焊接質(zhì)量難以保證。因此，實(shí)現(xiàn)在役管道焊接的機(jī)械化成為管道維修施工作業(yè)的迫切需求。
長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊現(xiàn)狀
● 手工焊
自20世紀(jì)60年代中國(guó)長(zhǎng)輸管道建設(shè)以來(lái)，手工焊技術(shù)曾是管道焊接的主要方法。
缺點(diǎn)：焊接速度慢、焊接時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了維搶修作業(yè)的施工效率，難以保證焊接質(zhì)量。
● 半自動(dòng)焊
20世紀(jì)90年代，管道焊接開始引進(jìn)自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)技術(shù)（簡(jiǎn)稱半自動(dòng)焊）。
優(yōu)點(diǎn)：半自動(dòng)焊具有焊接成型好、焊材利用充分、熔化速度快、設(shè)備綜合成本低等優(yōu)勢(shì)，已成為中國(guó)長(zhǎng)輸管道填充和蓋面焊接的主要技術(shù)。
缺點(diǎn)：采用半自動(dòng)焊接時(shí)，存在焊縫金屬夏比沖擊韌性離散性大，部分夏比沖擊值低于驗(yàn)收指標(biāo)等問(wèn)題。
● 自動(dòng)焊
借助于機(jī)械和電氣的方法使整個(gè)焊接過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，即自動(dòng)焊。
優(yōu)點(diǎn)：焊接質(zhì)量高而穩(wěn)定、焊接速度快、經(jīng)濟(jì)性好、對(duì)于焊工的操作水平要求低。
種類：1）實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)自動(dòng)焊；2）藥芯焊絲自動(dòng)焊；3）電阻閃光對(duì)接焊接技術(shù)。
目前，石油天然氣管道建設(shè)正向大口徑、高鋼級(jí)、大輸量方向發(fā)展，隨著自動(dòng)控制和電弧跟蹤技術(shù)的不斷完善，全自動(dòng)焊將更加適應(yīng)管道現(xiàn)場(chǎng)焊接條件，應(yīng)成為中國(guó)管道建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)焊接的主要施工方法。
在役管道自動(dòng)焊工藝
焊接工藝選擇
實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝 VS 藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝
地形適應(yīng)性
全自動(dòng)焊接設(shè)備要求管道坡度不得大于5o，適用于平原地帶或緩坡地帶的長(zhǎng)距離、大口徑、厚管壁的輸送管道焊接。實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝要保證焊接質(zhì)量，必須對(duì)坡口加工、管口組對(duì)、根焊、填充蓋面等環(huán)節(jié)提出更高的技術(shù)要求。綜合分析對(duì)比之下，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝對(duì)現(xiàn)場(chǎng)坡口加工精度、組對(duì)間隙及施工地形的適應(yīng)性更好，其可操作性更強(qiáng)。
性能參數(shù)
實(shí)芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝具有焊接熱輸入量小、易出現(xiàn)未熔合的特點(diǎn)，且針對(duì)在役焊接過(guò)程中介質(zhì)流動(dòng)帶走熱量焊接冷卻速度快的情況，藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的工藝參數(shù)更容易滿足焊接熱輸入的要求。綜合分析，在技術(shù)開發(fā)過(guò)程選擇了藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝。
焊接試驗(yàn)過(guò)程
在役管道焊接通常涉及的焊縫由開孔三通或修復(fù)套筒的橫向?qū)雍缚p和修復(fù)管件端部與在役管道連接的環(huán)向角焊縫兩種形式。一般的焊接順序是首先同時(shí)焊接兩側(cè)橫向?qū)雍缚p，焊縫緩冷釋放應(yīng)力后，再焊接環(huán)向角焊縫， 兩道環(huán)向角焊縫不應(yīng)同時(shí)焊接。
全包式開孔三通的焊接接頭形式示意圖
橫縫焊接
橫向?qū)咏宇^自動(dòng)焊接時(shí)，需要足夠大的組對(duì)間隙，目前設(shè)計(jì)規(guī)定的根部組對(duì)間隙為 3-6 mm，無(wú)法滿足根部自動(dòng)焊的要求，需要從設(shè)計(jì)上改進(jìn)組對(duì)間隙尺寸標(biāo)準(zhǔn)，保證焊槍能夠?qū)崿F(xiàn)根部熔合良好。此外，修復(fù)管件與管道的貼合度也是影響橫縫自動(dòng)焊的重要因素之一。
橫縫根焊的自動(dòng)焊焊接實(shí)物圖
環(huán)向角焊縫焊接
在役管道環(huán)向角焊縫焊接是在役自動(dòng)焊的難點(diǎn)與關(guān)鍵，焊接過(guò)程應(yīng)避免燒穿、冷裂，自動(dòng)焊時(shí)管件與在役管道良好的熔合性也很重要。為避免燒穿，試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)焊工藝參數(shù)參照手工焊的焊接熱輸入進(jìn)行設(shè)定，并開展熔深試驗(yàn)。 在X70管道上焊接環(huán)向預(yù)堆層后進(jìn)行不同位置的金相熔深測(cè)定。
不同位置預(yù)堆層的熔深測(cè)量結(jié)果
在焊接過(guò)程中為避免冷裂紋，主要從低氫焊材選擇與處置、焊前預(yù)熱、焊后保溫、合理布置回火焊道順序、合適的焊接熱輸入量等多個(gè)方面考慮，保證焊接質(zhì)量。
在役自動(dòng)焊時(shí)，還需明確干伸尺寸范圍，一般等于焊絲直徑的10倍。在役管道安裝修復(fù)管件時(shí)，通常存在 1-5 mm 的組對(duì)縫隙（管道變形嚴(yán)重時(shí)縫隙可達(dá)10mm以上），如何合理布置預(yù)堆層及根焊能夠良好熔合是環(huán)角焊縫自動(dòng)焊的工藝難點(diǎn)。若預(yù)堆層布置不合適，可能會(huì)在根焊處形成缺口。
帶缺口的角焊縫剖面圖
焊接材料選擇
在役管道焊接除選擇合適的焊接參數(shù)外，還應(yīng)重視焊接材料的選擇和保管。焊絲選擇應(yīng)從強(qiáng)度匹配、飛濺程度、焊縫成型、氫含量等多個(gè)方面考慮。
采用自動(dòng)焊焊接工藝時(shí)，選用的藥芯焊絲也應(yīng)是低氫要求的，如選用帶有“H4”標(biāo)識(shí)牌號(hào)的焊絲，即焊絲的擴(kuò)散氫含量是在 4 ml/100 g 以內(nèi)，從而降低焊接過(guò)程中產(chǎn)生氫致裂紋。藥芯焊絲的另一特點(diǎn)是容易吸潮，因此，在焊絲使用過(guò)程應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，如新開封的焊絲應(yīng)盡快用完，未用完的焊絲應(yīng)及時(shí)包裝嚴(yán)實(shí)，避免因吸潮導(dǎo)致擴(kuò)散氫含量升高。
保護(hù)氣體的影響
藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝采用的保護(hù)氣體是80%氬氣+20%二氧化碳的混合氣。選用保護(hù)氣體時(shí)，應(yīng)選擇正規(guī)的氣體生產(chǎn)廠家，保證保護(hù)氣體的質(zhì)量、純度及含水量等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)
在役自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)是在 X80 管道上進(jìn)行的焊接 B型修復(fù)套筒的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，施焊管道內(nèi)充滿流動(dòng)水，能夠模擬帶走熱量比較苛刻的施工環(huán)境。試驗(yàn)環(huán)境溫度 10-17 ℃，流動(dòng)水溫度 10 ℃�；鹧婕訜幔瑹o(wú)后熱與保溫，進(jìn)行環(huán)角焊縫焊接。
在役自動(dòng)焊焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)臺(tái)示意圖
工程應(yīng)用
2020 年上半年，在中國(guó)某天然氣管道上進(jìn)行了在役自動(dòng)焊焊接B型套筒現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。
在役自動(dòng)焊焊接B型套筒現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用施焊圖
建議
自動(dòng)焊技術(shù)已在中國(guó)高鋼級(jí)大口徑天然氣管道B型套筒在役焊接中得到成功應(yīng)用。檢測(cè)結(jié)果表明，焊縫質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收要求，采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊工藝進(jìn)行在役管道焊接是可行的。今后自動(dòng)焊技術(shù)將逐步在開孔三通在役焊接中推廣應(yīng)用。為加快在役自動(dòng)焊技術(shù)的推廣應(yīng)用，提出以下建議：
● 由于在役管道可能存在變形，組對(duì)修復(fù)管件與管道環(huán)向間隙尺寸不均，焊接環(huán)向角焊縫時(shí)應(yīng)考慮將電弧跟蹤技術(shù)融合到在役自動(dòng)焊工藝中，更好地保證焊接質(zhì)量，提高焊接效率。
● 在役管道焊接缺少專門的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在役自動(dòng)焊的相關(guān)規(guī)定更是行業(yè)空白，需要制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)在役自動(dòng)焊技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展。
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