中国化学工程第十六建设公司 湖北宜昌 443000
一、前言
随着全球能源结构的转型，炼化一体化已从简单分散的一体化，发展成为炼油与石油化工物料互供、能量资源和公用工程共享的一种综合紧密的一体化。“十三五”期间在全国范围内新规划了大连长兴岛、上海漕泾、广东惠州、福建古雷、河北曹妃甸、江苏连云港、浙江宁波七大石化产业基地，在新动向和新趋势下，模块集中的大型项目中，大规模建设所需要的劳动力和生产力成为项目建设的一个制约因素。因此自动化焊接代替手工焊接是未来的发展趋势，我单位早期研究设计WH501智能焊接机1.0代自动焊机，并在项目中得以实践应用。
材质为Q235b的大口径埋地螺旋管道是由较窄的钢带卷制成管胚，每道焊缝产生2道丁字缝，手工焊接过程中，容易产生残余应力集中。规格一般在610mm~2600mm之间，每道口焊接时间长，作业环境受限，人工操作十分不方便。因此公司研发自动焊机器2.0，解决了1.0时期的体积庞大，适应范围小，环境要求高的缺陷。并将该设备在浙石化一级管网项目中大面积投入使用。
二、特点
本工法能够满足多种材质、规格的管道和设备焊接任务，具有技术先进，设备轻便，操作稳定，且可操作性强，大幅提升焊接效率的特点。将人为操作的设备和动作与机械结合利用，根据人为操控不稳定，单道焊缝焊接任务重的实际情况，对焊接自动运行轨道设计，对每一道工序进行细化控制，明确参数调准要求。制定详细的焊接工艺，通过运行轨道机构、送丝机构，保护结构，微机控制系统的设计，控制焊接焊接电流、电压大小，熔池热量，层间温度等，获得良好的焊接质量，最终使焊缝成型美观程度远远大于传统的手工焊接，质量也达到设计和规范要求，实现工期大幅缩短的，劳动强度降低，缓解特殊工种紧缺的现实矛盾。
三、适用范围
本工法操作便捷，入门要求低，可广泛用于大口径或厚壁类管道及设备的焊接中，在焊接任务量大，预制深度较多的工程项目中，经济效益最为明显。通过调整焊接电流，摆动速度和幅度、熔池热量等控制参数，保持稳定的焊接质量，达到优良焊接质量控制目的及要求。
四、工艺原理
由电机和齿轮传动机构组成的机器在链式轨道上行走，实现全方位焊接。通过焊枪摆动调节机构具有焊枪相对焊缝左右摆动、停留、上下左右姿态可控。自动焊接机器的各机构均由计算机可编程实现自动控制，程序启动后，各机构按照程序的逻辑顺序协调动作。根据现场实际需要，也可人工干预焊接过程，采集干预调整后的反馈数据，自动调整焊接参数并执行，实现人机互动。
1．Q235B碳钢埋地螺旋管道设计标准及技术条件
1.1.技术条件
埋地螺旋碳钢管道直径范围600mm~2600mm，壁厚范围8mm~18mm之间，焊道长度范围1.92m~8.2m，管道长度12m/根，每道环形焊缝将产生2个斜口丁字缝。
1.2.技术标准
1.2.1．《给水排水管道工程施工及验收规范》 GB 50268-2008；
1.2.2．《石油化工给水排水管道工程施工及验收规范》 SHT 3533-2013
1.2.3． 大口径管道焊接工艺评定报告及焊接作业指导书
2．焊接工艺
2.1．焊接材料选择
根据母材的焊接性能、力学性能、化学成分的特点，结合使用条件和焊接方法选用焊接材料的原则，
焊丝选用THQ-50，实芯焊丝选用CHW-50C6，焊材的化学成分见表1，熔敷金属的力学性能见表1、表2。
焊丝化学成分（%） 表1.png)
熔敷金属力学性能 表2.png)
2.2.坡口设计
2.2.1．坡口形式：壁厚≤18mm采用单V型坡口；壁厚≥19mm采用U型坡口；
2.2.2．破口边缘焊接区和相邻区域（离边缘约10mm），焊接之前应打磨清理干净；
Φ610*8mm管道焊接的坡口设计如图1所示：.png)
图1 坡口设计图
2.3． 焊接方法及焊接参数调整
Q235B的碳钢螺旋管道采用氩电联焊，单面钨极手工氩弧焊打底焊接时，所有焊缝处应采用局部充气（Ar+CO2）保护，防止外界环境中的水蒸气、氮等进入熔池，导致焊缝中出现气孔、夹渣、裂纹等缺陷，影响焊缝的质量和性能。
螺旋管道焊接工艺参数 表3.png)
五、工艺流程
1.工艺流程图
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图2 工艺流程图
2.焊接方法：手工氩弧+机器自动焊，具体参数见表3；
3.焊接材料：见表3
4.焊接技术要求
4.1．坡口型式及技术要求
4.1.1．大口径管道切割须采用机器规则切割，避免使用手工气割等致管道坡口角度和截面不规则，造成对口时，焊道宽度不均匀。本工程使用半自动切割机，具体坡口形式见图1。
4.1.2．坡口加工后进行包裹，避免碰撞污染。焊接前坡口及其相邻区域（离边缘约10mm范围内）打磨干净，去除油脂。
4.2．焊工人员要求
4.2.1．从事手工焊接作业的焊工，必须经专项焊接培训，并取得相应焊接资质，否则不得从事此材质焊接工作，所有焊接作业焊工持证上岗。
4.2.2．自动焊机器操作人员经过专业培训，熟练机械操作规程和焊接参数要求。
4.2.3．焊工在施焊前应了解母材的材质、所采用的焊接工艺，包括坡口型式、焊接方法、焊材牌号、焊接电流、电压、层间温度、焊接线能量等。
4.3．自动焊设备操作
4.3.1．手工氩弧焊完成后，在焊口附件铺设独特的链式轨道并固定，固定自动焊机器并试运行，确保无脱落和跑偏可能，调整自动焊机器位置和角度。如图3。.png)
图3 链式轨道机构
4.3.2．调整自动焊机器，保持焊嘴与第一层氩弧焊道底部8-10mm。
4.3.3．调整完成后，按下启动按钮引弧，焊接过程中，机器处于不同的角度时，通过无线手柄准确和细腻的控制进行微调。
4.3.3．根据工艺焊接参数指导，不同的焊接层数和焊接速度需要，调整焊接电流大小，改变送丝速度。
4.3.4．根据工艺焊接参数指导，处在不同的焊接层数和管道坡口大小，调整焊枪摇摆幅度和速度，满足厚壁管的深缝填充操作工艺，如图4。
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图4 控制器
4.3.5． 焊接过程中，通过数字陀螺仪记录焊枪的方位轨迹，通过记录的焊接参数形成数据库，进行大数据分析后优化焊接性能，实现焊接参数保持和数据共享，如图5。
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图5 计算机系统
4.4．焊材保管、发放及回收
4.4.1．焊材保管
焊材的正确使用是保证焊接质量的前提。对此我们建立了严格的保管、发放和回收制度，使焊材从保管、发放到回收的全过程均能进行追踪。
焊材仓库要通风干燥，入库焊材必须包装良好，质量证明文件齐全，物证相符，有完备的入库手续。焊材应妥善保管，堆码层数不宜过高，且距地面、墙面的距离不小于0.3m，以使通风良好，防止受潮；同时确保焊材分类摆放，分开保存；
焊丝、混合气（Ar+CO2）、钨棒等焊接材料应有制造厂家的质量证明书，焊材应按型号、规格、分开保管，并挂牌标识。焊材入库、领用出库必须轻拿轻放，避免摔砸碰伤。
焊材保管中应随时注意观察有无受潮、锈蚀、包装破损等，发现问题及时向主管领导汇报，以查明原因及时处理。
焊材库应保持清洁，非工作需要其它人不得进入库内。
4.4.2．焊材的发放
焊材领用必须由施焊焊工或机械操作工填写焊材领用申请单，标明施焊部位，由焊接技术员审核、焊接检查员确认后保管员按单发放，在整个施工过程中发放与使用始终处于受控状态。
4.4.3．焊材回收
已发放未使用完的焊材应及时退库保管，并有回收记录。
4.5．焊接环境控制
4.5.1．对大口径碳钢管道焊接进行严格的环境控制，制作防风防雨篷，并设专人对焊接环境进行监测。
4.5.2．焊接现场必须保持清洁，其他无关机具禁止进入焊接现场。
4.6．定位焊
定位焊采用过桥式氩弧焊，正式施焊，焊到该位置时，要求将定位焊缝磨掉。定位焊缝长10～20mm，高2～4mm，数目不少于4处，沿坡口圆周均布。
4.7．焊接质量控制
4.7.1．加强氩气对焊接区域的保护：大口径螺旋管道焊接采用焊缝局部充气（Ar+CO2）的保护方式，焊接保护气流量一般为30L/min。充气开始时流量可适当加大，确保局部焊缝空气完全排除。焊接时气流量应适当降低，保持平稳，以免造成焊缝背面因气吹托在成形时出现凹陷。
4.7.2．对口完成后进行手工钨极氩弧焊打底，打底焊应一次连续焊完。底层焊道要求焊透、成型好；
4.7.3．手工氩弧焊完成后铺设链式轨道并固定，调整自动焊机器位置，微调焊嘴角度，焊嘴与焊道底部保持3mm。
4.7.4．试运行自动焊机器，确保运行空间无障碍，调整机器在轨道上的运行速度。
4.7.5．焊接前，适当加大充气排量，确保局部焊缝空气完全排除后降低充气排量，保持平稳，以免造成焊缝背面因气吹托在成形时出现凹陷。
4.7.6．调整机器的焊接电压、电流大小，焊嘴的摆动速度等参数。
4.7.7．严格执行焊接工艺，提高焊缝一次合格率：因为埋地螺旋管道需要及时隐蔽，每道焊缝最多只允许返修2次，因此在焊接过程中要精心组织管理，严格执行工艺制度，最大可能的提高焊工的一次焊接合格率，尤其要消除裂纹、未融合、未焊透、内凹、焊瘤、夹渣、气孔等缺陷，整个焊接过程要特别控制焊接线能量、层间温度、焊材、焊接环境等因素。
4.7.8．焊接过程中，通过PC终端观测各项焊接指标，专人进行工艺数据记录，专人进行焊材保管。
4.8．焊缝检测
4.8.1．设计要求，每道焊缝进行10%射线检测，合格等级为Ⅱ级，进行100%超声检测，合格等级为Ⅰ级；
4.8.2．按照设计对管道做水压试验，试验压力为1.02Mpa。
4.9．焊缝返修及补焊
4.9.1．焊缝返修
4.9.1.1．同一部位的返修次数不宜超过二次，返修应分析原因，确认返修方式，制定相应措施，超次返修经施工单位项目技术负责人批准。
4.9.1.2．返修前缺陷应该按照片位定位并确认何种缺陷，缺陷清除应采用砂轮打磨的方法。磨槽需修整成适合补焊的形状，并确认经打磨缺陷已消除方可补焊。
4.9.2．补焊工艺
4.9.2.1．返修时应采用经评定合格的焊接工艺。
4.9.2.2．返修时宜采用钨极氩弧焊，如需充氩保护，补焊时同样需要进行充氩保护。
4.9.2.3．返修部位按原无损检测要求进行检测。
4.9.2.4．焊接接头按比例进行抽样检验，若有不合格时，应按该焊工的不合格数加倍检验，若仍有不合格，则应全部检验或割除焊口后重新组对焊接。
六、材料与设备
1．大口径碳钢埋地螺旋管道及其配件应具有生产厂家的产品合格证及质量证明书，经复检，其规格、化学成分、力学性能及供货状态均应符合要求。
2．焊接材料
2.1．焊丝：焊丝牌号为：THQ-50/CHW50，焊丝在使用前要进行材质复检，确保焊丝化学成分和力学性能能和母材相当，检验焊丝出厂合格证和质量证明书，焊丝表面应清洁，无氧化色、斑疤和夹渣等缺陷。
2.3．保护气：混合气体，Ar占比80%，CO2占比20%，含水量小于50mg/m3，混合气在使用前先检查瓶体上的出厂合格证，以检验氩气的纯度指标，然后检查瓶阀有无漏气或失灵现象。
2.4．钨极：选用Ф2.0～Ф3.0铈钨极；
3．手工焊接设备：
3.1．焊机：选用型号为：YC-300WP的直流氩弧焊机，焊机应有良好的工作特性和调节特性，同时配备有精确地电流表和电压表。
3.2．焊炬：采用QQ-/300A及500A型风冷式TIG焊炬，焊炬应具有结构简单，轻巧耐用，枪体严密，绝缘良好，气流稳定，夹乌棒牢固，适合全方位焊接的特点。
3.3．氩气输送管：应采用半硬质塑料管，不宜采用橡胶软管及其他吸湿材料，使用时应专用，不与输送其他气体的管道混用，氩气带不宜过长，一般不超过30m，避免因压降过大，造成气流不稳，影响焊接质量。
4．自动焊设备
4.1．焊机组成：属于公司自主研发的第二代WH501智能焊接机，组成机构有链式轨道、电源、机器臂、送丝机构、控制器、计算机系统，如图6。
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图6 WH501智能焊接机组成机构
4.1.1.电源：自动焊机器电源的输出功率和焊接特性应与拟用的焊接工艺方法相匹配，并装有与主控制器相连接的接口。
4.1.2．运行机构：由电机和齿轮传动机构组成，自动焊机器运行时，在特有的链式轨道上固定，电动机驱动机身主体变位翻转，实现全方位焊接。
4.1.3．送丝机构：送丝机构包含控制与调速系统，控制送丝速度并附带测速反馈。
4.1.4．机器臂：机器臂是自动焊机器的重要组成部分，焊接时的左右摆动、停留，距离焊道上下位置、姿态的调整，是自动焊机器的执行机构。
4.1.5．控制器：采用嵌入式微型计算机控制系统，通过程序控制联动各个功能模块以及主要焊接参数的设定，调整和显示。
4.1.6．计算机系统：计算机与控制器联结，实现人机互动，焊接程序和参数调控可以通过计算机终端实现，记录、存储、分析焊接数，实现优化调控。
5辅助设备：管道加工站的锯床、车床、焊工面罩、磨光机、半自动切割机、焊工锤等。主要工机具配置如下表4：
工机具配置 表4.png)
七、质量控制
1．质量体系：
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图7 质量控制体系
2．质量控制措施
2.1．严格按图纸设计要求施工，在工程施工中严格执行技术规范、工艺标准和操作规程，严格执行公司制定的技术管理规定。
2.2．认真做好施工组织设计、施工方案等的编制、实施、检查，对施工操作人员必须做好技术交底。
2.3．施工管理人员必须认真熟悉图纸，掌握图纸，按设计图纸控制工程施工。
2.4．项目部技术人员、质检人员必须跟踪检查验收重要的分項工程，如实做好各项检查记录。
2.5．凡进入现场的材料必须有真实的材质合格证，合格证由材料员、技术员负责收集存档。
2.6．随着工程的施工，及时做好各项施工原始技术数据记录、各项施工检查记录，及时整理资料，以备归档。
2.7．进场各种材料、成品、半成品，由材料部门设专人检查验收，检查外观质量和书面材质证明证件，记录由现场材料员和专职检查员签字并终身负责。
2.8．原材料：保证原材料的进货渠道正规，做到原材料无合格证、无化验单（试验单）不予进货，否则不予验收。对材料等有疑义时要进行取样试验。
2.9．现场检查：保证施工按规范确定的程序按图施工，做到决不偷工减料。严格现场检查执行三检制，由质检组负责施工现场的施工，对违规施工的及时给予制止。由技术组对施工人员进行技术交底，确保工程按图准确施工。此外，接受建设单位现场管理人员监督检查，从而确保工程的质量。
2.10．事后检查验收：严格执行施工验收标准，按程序验收。分部分项工程完工后，首先由施工班组自检，确认无漏之后报项目经理部验收，项目经理部验收合格后，报建设单位验收。对不合格的项目，要及时修整。
2.11．特殊工种作业人员必须持证上岗，如：焊工、电工、起重工等。
八、安全措施
1．遵守中国化学工程第十六建设公司及安全管理规章制度的有关安全方针、安全目标及有关安全规定。
2．全体施工班组、施工人员要积极参加安全会议、安全培训、安全交底。焊接人员必须按规定着装，并穿戴好安全防护用品。
3．各种施工设备与机具要完好，使用要符合安全规定。电焊机等设备要有良好的接地，接地线应接在焊机外壳上。
4．进入装置区禁止吸烟及携带火种。焊接工作场地和电焊机房应备有足够的消防器材。
5．用磨光机打磨焊缝时，应戴耳塞，以防噪声伤害听力，砂轮片的有效半径磨损到原半径的1/3时必须更换，砂轮片有缺损或裂纹者严禁使用；
6．焊接电缆绝缘必须良好，如有破损，须用胶布包好或更换。电缆线严禁和起重钢丝绳相碰。
7．高空焊接作业必须系安全带。
8．每天施工结束，应将各种工具、把线等及时清理，并检查焊接设备的完好。
9．氩弧焊工磨钨棒时应处于上风口。
10．管工组对时应戴防紫外线眼镜，防止氩弧焊时所产生的强烈弧光灼伤眼睛。
11．合理安排探伤时间，探伤期间要设立醒目的警界标志，防止其它人员误入而致受误伤。
九、环保措施
本工法注重对环境的影响，基本不会产生环境污染问题
1、手工氩弧焊接时注意焊接弧光对施工人员的眼睛及皮肤伤害；
2、射线探伤期间要设立醒目的警界标志，防止其它人员误入而致受误伤。对焊缝或母材做渗透检测时要注意将渗透剂清洗并回收，避免对土壤或地下水造成污染。
十、效益分析
1．经济效益
大口径埋地螺旋管道的焊接成功为公司创造了价值，直接经济利润达140余万元，为浙石化二期炼油区一级地管顺利连网创造了条件，由于在大口径管道焊接上的出色表现，项目及时完成相应节点要求。在大管径管道或厚壁管道中（以ø2200*18mm为例），传统的手工焊速度慢，耗时长，一般两名手工电弧焊工需要16至20小时才能完成一道焊口，而使用全位置自动焊接只需3至6小时，速度提高的同时大幅减少人员的劳动强度，避免多次预热、后热等复杂程序。下面就Q235B材质，规格为ø2200*18mm的管对接，V型坡口的焊道做个比较（数据来自施工现场）如表5：
DN2200口径管道焊接耗材费用对比 表5.png)
很大程度上提高了生产的效率，而且采用管道全自动焊接的合格一般为98%左右，这就说明不仅效率提高了，焊接质量也有了很大的提高。手工电弧焊焊接大口径管道时，一般为两名焊工同时工作，容易受到电弧光的照射。全位置自动焊机的移动方便，生产效率高，焊接质量高，工作的旋转空间小等特点，适合于各种不同的工作环境下的作业。
2．技术效益
通过施工实践证明，本工法工艺成熟，先进，效率高，设备简单，便于操作，入门便捷，在大口径管道焊接施工现场具有广泛实用性。我们已成熟掌握碳钢、合金钢、不锈钢焊接材料的全位置管道自动焊接。在全位置管道自动焊机进入现场施工前，严格地对焊工进行必要的自动焊焊接技术培训指导，使其了解全位置管道自动焊机的工作特性、原理，掌握其焊接要领，就能够焊接出高质量的合格产品。
3．质量效益
手工电弧焊最常见的焊接缺陷就是气孔和夹渣，而这两个缺陷在管道自动焊上明显优于手工电弧焊，只要控制好保护气体，管道自动焊接时基本不会出现气孔和夹渣。设置好焊接工艺参数设置后，盖面焊肉的高低、宽窄基本能做到一致的水平。如图8所示：
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图8 自动焊接焊缝成型
3.1.外观检查：所有焊接接头焊缝表面及成形良好，与母材圆滑过渡，无表面气孔，裂纹、凹凸等缺陷，成形满足表5要求，结果优良率99%，合格率100%：
表6 焊缝外观质量要求.png)
3.2.X射线无损检测：检测的鉴定和分类按照Ⅱ级合格进行，检测结果为一次合格率98.2%，二次合格率100%。
3.3.超声检测：焊缝进行超声检测，按照I级合格进行，合格率100%。
3.4.压力试验：大口径螺旋管道经安装检查合格后，进行压力试验，试验结果为100%合格。
十一、应用实例
应用项目：浙石化4000/万吨年炼化一体化二期炼油一级管网项目
工程地点：浙江省舟山市岱山县渔山岛浙石化炼化基地，地处舟山群岛的小渔山岛，四面环海。
本项目是由建设单位浙江石油化工有限公司承担该项目的采购、中石化洛阳工程有限公司承担该项目设计，我单位施工总承包工作，炼油区所有一级地管工程均由我公司承担。管道工程量：见表7
表7 大口径埋地螺旋管道工程量清单及设计参数.png)