刘学森
中石化胜利油建工程有限公司
摘要: 油田原油集输管道一般为φ48 mm～φ114 mm，壁厚3. 5～4. 5 mm 的小口径碳钢管道，施工方法多采用焊条电弧焊，在施工过程中，施工效率低、成本高、经济效益较差，焊接质量极大地依赖于焊工的操作技能，受人为因素影响造成的质量不稳定问题比较突出，目前的施工方法已不适应当前管道建设的要求，缺乏竞争力。结合目前现状及实际问题，通过焊接设备及焊接工艺选择优化、填充及盖面焊试验、工艺参数的确定、现场试验等一系列研究，实现了在油田小口径原油集输管道的全自动焊接，文中重点从焊接设备选型及优化改造、焊接工艺、焊材及配套机具的研究、现场应用效果等方面进行介绍。
关键词: 全自动机械化焊接；集输系统；小口径管道
近几年，随着石油化工建设工程规模及数量的不断加大，对质量、安全、工期的要求也越来越高，传统的施工模式也随着市场的发展不断地变化，我国在大口径油气输送管道行业已开始大力推广自动焊接技术，具有焊接生产效率高、焊接质量优、劳动强度低的特点，可以有效解决传统施工方法在施工效率、焊接质量和力学性能等方面存在的问题。针对油气田中小口径管道焊接施工现状，介绍了适用于中小口径管道的自动焊设备及焊接方法，研制了管道组对卡具及防风罩配套施工机具，改变了当前小口径管道一般采用人工焊接的现状，实现了全自动机械化焊接，形成了 1 套适合 114 mm 以下小口径管道的全自动焊技术。
1 焊接方法和焊接设备的选择
1. 1 焊接方法选择
油田集输管道材质多为碳素结构钢，壁厚较薄，常用焊接方法主要有焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、自保护焊等。熔化极气体保护焊可采用纯氩气或氩气与二氧化碳混合气作为保护气体，具有无飞溅、质量高、不受焊件位置限制，可进行全位置焊接的特点。而自保护焊多用于大口径管道，焊接生产效率相较于气保护焊较低，且焊道成形较差，焊后焊渣较多，焊后清理工作量大，且焊材成本较高，因此选用气体保护焊方法更加适用于小口径集输管道焊接。焊接方法对比见表 1。
表 1 焊接方法对比
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因此，对于48 mm～114 mm 管选用熔化极气体保护焊相对于其他焊接方法在施工效率、施工质量、施工成本方面具有较强的优势。
1. 2 焊接设备的选择
中小口径管道自动焊设备按照安装固定形式主要有轨道式、磁力式、卡盘式三大类。轨道式自动焊设备是沿焊接小车行走方向周向布置运行轨道，焊前需进行轨道装配，准备工作量大，且多用于DN500 mm 以上管道的焊接。磁力式自动焊设备主要通过焊接行走机构上加装磁力吸附滚轮，无需轨道焊接行走机构即可完成沿管道周向行走，但此类型设备对管口清洁程度要求较高，在行走过程中如遇杂质或焊接螺纹管时会影响行走机构的稳定性，并且 DN200 mm 以下管径由于管道弧度过小，行走机构滚轮弧度难以进行匹配，所以该类设备更多适用于 DN200 mm 以上无缝管焊接。卡盘式自动焊设备利用配套卡具直接固定在管道上，无需安装轨道，可实现周向 360°全位置焊接，并且卡具安装方便快捷，适用于 DN100 mm 以下小口径管道焊接。
1. 2. 1 焊接执行机构
小口径管道采用卡盘式全自动焊设备 ( 图 1) ，主要由焊枪摆动器、行走机构、固定卡盘、送丝机、支架等主要部件构成。该设备具有安装便捷、自身质量轻、集成度高的特点，通过对卡盘布局的重新优化设计，在卡盘上直接安装送机机构，形成一体化设备，无需额外布置送丝机，减少了焊前准备工作 ( 图 2) 。
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1. 2. 2 焊接电源系统
焊接电源采用麦格米特数字焊接电源，并集成可编程控制系统、可视执行机构控制盒，如图 3 ～ 4所示。
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采用可编程控制系统不仅可预设焊接小车行走速度、焊枪摆动速度、摆动角度、偏移位置等参数，而且在焊接时可随时利用执行机构控制盒进行纠偏操作，实现 360°全位置周向分区焊接，通过预设的控制程序，可避免以往自动焊 180°后需重新摆设焊接机头位置方可完成全部焊接，仅通过输入焊枪不同角度分区的焊接参数，可确保施焊的精准参数，焊道成形更好。
2 焊接工艺和配套机具研究
2. 1 焊接工艺研究
在自动焊工艺研究过程中，针对不同坡口形式、不同厂家焊接材料的焊接质量、效率、成本等因素展开研究，优化坡口设计、焊接材料的匹配以及工艺性，达到提高生产效率、节省焊接材料，保证焊道力学性能的目的。记录产生缺陷的位置、种类及尺寸，以及相对应的工艺参数和坡口形式，总结缺陷产生规律，并实时调整工艺参数，控制缺陷的产生，以形成完整的焊接工艺。焊接工艺采用Ar和CO2混合气作为保护气体，混合比例为φ( Ar) 80%+φ( CO2) 20%，焊丝采用实心 EＲ50－6 1. 2 mm。坡口角度 60°±5°，钝边( 1±0. 4) mm，对口间隙 2. 5 ～3. 5 mm。焊接工艺参数见表 2。
表 2 焊接工艺参数
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2. 2 配套机具研究
2. 2. 1 管道对口装置
管道组对质量直接影响焊接质量，尤其管道自动焊对管道组对质量要求更为严格。因此研制一种适用于小口径管道的便携式对口装置可实现快速组对，进而保障焊接质量。对口装置由 2 片夹紧装置通过连接杆进行连接，闭合方式为咬口式，夹紧装置顶部为镂空设计，用于管口组对夹紧后进行点固焊固定，同时对口装置上加装支座，用于安装自动焊接执行机构卡盘，组对完成后对口装置即可用作自动焊接执行机构支座。
2. 2. 2 防风装置
采用气体保护焊工艺时焊接质量受风力影响较大，需要采取防风措施才能保证焊接质量。防风罩设计为闭合式圆筒型，主要由金属保护筒、管道固定密封圈、可开启视窗、咬口式锁扣、拉手等部件构成。在焊接前，将焊接设备固定于焊接位置，将防风罩上下 2 个半圆形筒体罩在焊接设备上，将筒体两侧管道密封圈锁紧固定即完成防风罩安装。在焊接过程中通过透明视窗观察焊接情况，需要人工干预时可开启视窗对焊接设备进行调整。防风罩外形尺寸为直径 600 mm，长 900 mm，轻便易安拆，在现场实际应用时有效解决了环境风对焊接的影响，应用效果良好。
3 现场应用
该施工技术应用于大庆油田站外系统建设工程中，焊接材质为 20 钢，φ48 mm×3. 5 mm 的管道效果良好，焊接过程中电弧稳定、产生飞溅较少、焊后焊道成形好，经探伤检测焊接一次合格率在 98%以上，该工艺能够满足现场实际施工要求。
4 结语
在油田小管径集输管道施工中采用自动焊方式，施工效率提升 2 ～ 5 倍，具有缩短工期，降低人工费、设备费、材料费以及返工返修成本的优势。同时，由于作业模式的改变，焊接自动化程度的提高，使劳动强度显著降低，并降低了操作门槛，作业受控性大幅度提高。所以应用小口径管道全自动焊技术在降低劳动强度、提高焊接施工质量、降低施工成本、保障安全等方面较传统焊条电弧焊相比具有很大优势，在油气田小口径集输管道施工中具有广阔的推广应用前景。