齊晨光

中國石油管道局工程有限公司

焊接作業(yè)是油氣管道建設(shè)施工的重要環(huán)節(jié)，全自動焊技術(shù)屬于一種較為先進的工藝技術(shù)，具有焊接效率、焊縫質(zhì)量以及焊接作業(yè)穩(wěn)定性高等優(yōu)勢，在使用該焊接工藝的過程中可以節(jié)省一定量的勞動力[1]。目前，全自動焊技術(shù)已經(jīng)在我國得到了廣泛的應(yīng)用，例如中俄原油管道、中俄天然氣管道以及陜京天然氣管道等[2-4]。我國部分地區(qū)溫度較低，溫度屬于影響全自動焊技術(shù)施工質(zhì)量的重要因素，焊接作業(yè)過程中一次合格率將會對最終的管道施工質(zhì)量以及施工進度產(chǎn)生重要影響[5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對全自動焊技術(shù)的一次合格率問題展開了廣泛研究。管躍等[6]對全自動焊技術(shù)使用過程中常見的缺陷問題進行了總結(jié)，針對缺陷問題出現(xiàn)的原因，提出了有效的解決措施，以此提高焊接過程中的一次合格率。研究發(fā)現(xiàn)，全自動焊技術(shù)應(yīng)用過程中氣孔缺陷以及未焊透缺陷十分普遍。在焊接作業(yè)之前進行充分預(yù)熱，以此消除管道端口位置處的水氣可以有效避免出現(xiàn)氣孔缺陷；通過對管道端口位置處進行全面檢查，防止管道端口位置處出現(xiàn)缺陷是避免未焊透問題的重要措施。張先龍等[7]針對X65 管線材料的合金成分以及力學(xué)性能進行充分分析的基礎(chǔ)上，通過對全自動焊工藝應(yīng)用過程中的氣體藥芯焊絲進行合理的改進，使得全自動焊技術(shù)的一次合格率得到提升。韋寶成等[8]針對LNG 儲罐不同的焊接方法進行對比發(fā)現(xiàn)，全自動焊技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢相對較大，通過引入全自動交流氬弧焊的方式，解決全自動焊技術(shù)應(yīng)用過程中的側(cè)壁未熔合問題，最終使得焊接一次合格率得到提升。通過對目前的研究現(xiàn)狀進行分析發(fā)現(xiàn)，盡管眾多學(xué)者對全自動焊技術(shù)進行了廣泛研究，但是并沒有針對低溫環(huán)境的全自動焊技術(shù)應(yīng)用進行分析，與常溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境會導(dǎo)致全自動焊的一次合格率降低，最終導(dǎo)致管道的施工質(zhì)量降低，管道的施工周期延長[9]。我國東北部和西北部的氣溫較低，這些區(qū)域都需要建設(shè)大量的油氣管道，因此，開展低溫環(huán)境下提高油氣管道全自動焊合格率研究具有非常重要的意義。

1 全自動焊技術(shù)

全自動焊機是全自動焊技術(shù)應(yīng)用過程中的關(guān)鍵設(shè)備，主要可以分為全自動內(nèi)焊機和全自動外焊機兩種類型[10]。全自動內(nèi)焊機（圖1）具有管道組對功能和根焊焊接功能。全自動外焊機（圖2）主要由焊接小車和焊接軌道兩部分構(gòu)成。焊接小車通過夾緊機構(gòu)，可以安裝在焊接軌道上，帶動焊槍在管壁位置處進行圓周運動；焊接小車上的擺動機構(gòu)主要是實現(xiàn)焊槍橫向擺動的功能；焊接小車上的橫向調(diào)節(jié)機構(gòu)以及高度調(diào)節(jié)機構(gòu)主要是實現(xiàn)焊槍上下左右移動的功能[11-14]；送絲機構(gòu)可以固定在焊接小車的外部，兩者之間需要絕緣連接，使焊絲的更換更加的便利，進而提升焊接作業(yè)工作效率[15]。

圖1 熊谷A800系列管道內(nèi)焊機Fig.1 Pipe internal welding machine of Xionggu A800 series

圖2 熊谷A610系列管道全自動外焊機Fig.2 Pipe automatic external welding machine of Xionggu A610 series

為了達到低溫環(huán)境下提高油氣管道全自動焊合格率的目的，以我國某原油管道為例進行全自動焊工藝研究，該條管道在冬季下施工作業(yè)，所處的溫度相對較低，具有很強的代表意義。該管道在使用全自動焊工藝的過程中，內(nèi)焊機主要進行組對、根焊作業(yè)，外焊機需要進行熱焊、填充以及蓋面作業(yè)，所使用的填充材料以實心焊絲為主，焊接過程中的保護氣體由氬氣和二氧化碳組成，焊接過程中的坡口為復(fù)合型。在使用內(nèi)焊機進行組對作業(yè)的過程中，其預(yù)熱的溫度處于100～150 ℃，此時的層間溫度將會處于60～150 ℃。在進行根焊作業(yè)的過程中，使用的電源為直流焊接電源；在進行熱焊作業(yè)、填充作業(yè)以及蓋面作業(yè)的過程中，使用的電源為直流脈沖焊接電源。內(nèi)焊機選用了熊谷A800 系列，外焊機選用了熊谷A610系列。

2 全自動焊質(zhì)量問題分析

在油氣管道焊接作業(yè)的過程中，一次合格率是影響施工質(zhì)量和施工進度的重要因素。本次研究以我國某石油管道冬季條件下11月至次年2月以及夏季條件下6 月至9 月的焊接情況進行對比為例，開展提高低溫環(huán)境下提高油氣管道自動焊一次合格率研究。該管道所處區(qū)域在施工的過程中，11 月份平均氣溫為-9 ℃，12 月份平均氣溫為-13 ℃，1月份平均氣溫為-18 ℃，2月份平均氣溫為-15 ℃，在四個月中對6 274 個焊口進行了焊接，不合格焊口的數(shù)量達到了672 個，全自動焊的一次合格率僅為89.29%。常見的焊接不合格原因包括氣孔、未焊透、未熔合、燒穿等，其中未熔合是焊接作業(yè)不合格的重要原因。該管道在冬季條件下的焊接一次合格率統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示，不同類型焊接缺陷的比例如圖3所示。

表1 冬季條件下焊接一次合格率統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of first pass rate of welding in winter

圖3 冬季條件下不同焊接缺陷類型分布Fig.3 Distribution of different types of welding defects in winter

該管道施工區(qū)域6 月份平均氣溫為23 ℃，7 月份平均氣溫為27 ℃，8 月份平均氣溫為29℃，9 月份平均氣溫為24 ℃，在四個月內(nèi)對6 727個焊口進行了焊接，夏季條件下的焊接一次合格率統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示，不同類型焊接缺陷的比例如圖4 所示，不合格焊口的數(shù)量達到124 個，全自動焊的一次合格率僅為98.16%。綜合對比分析可以發(fā)現(xiàn)，在冬季低溫環(huán)境下油氣管道自動焊一次合格率遠(yuǎn)低于夏季常溫環(huán)境下油氣管道自動焊一次合格率。

表2 夏季條件下焊接一次合格率統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of first pass rate of welding in summer

圖4 夏季條件下不同焊接缺陷類型分布Fig.4 Distribution of different types of welding defects in summer

針對該管道焊接過程中出現(xiàn)的缺陷問題進行了全面分析，并對分析結(jié)果進行了驗證，缺陷原因分析結(jié)果如表3 所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，坡口加工情況、軌道控制情況、層間溫度以及焊縫打磨情況是影響缺陷出現(xiàn)的重要原因，需要從這四個角度出發(fā)，采取合理的措施，進而提高低溫環(huán)境下油氣管道全自動焊一次合格率。

表3 焊接質(zhì)量全要素分析表Tab.3 Analysis table of all elements of welding quality

3 全自動焊質(zhì)量控制措施

3.1 坡口加工質(zhì)量

在使用全自動焊工藝技術(shù)的過程中，其坡口為復(fù)合型坡口。在進行管道焊接作業(yè)的過程中，需要在施工現(xiàn)場使用坡口機對坡口進行加工。坡口加工時內(nèi)、外坡口的角度和高度等參數(shù)進行嚴(yán)格控制十分必要，坡口的加工精度也將對坡口的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響，同時，坡口的加工質(zhì)量將會對最終的焊接質(zhì)量產(chǎn)生直接影響[16-17]。在低溫環(huán)境下，由于坡口機刀片位置處的脆性相對較大，在進行坡口加工的過程中可能會出現(xiàn)蹦刃以及掉茬等問題，因此需要時刻關(guān)注坡口機的狀態(tài)變化情況，如果坡口加工出現(xiàn)偏差問題，則需要對坡口機的車刀進行合理的調(diào)整。一般情況下，在對十根油氣管道進行坡口加工以后，就需要對坡口機的刀片進行更換，以保障刀片的穩(wěn)定性，使其可以滿足焊接作業(yè)的基本要求。同時，如果在管道內(nèi)坡口位置處出現(xiàn)了卷邊問題，則需要使用銼刀對卷邊進行處理，以防止在焊接作業(yè)過程中出現(xiàn)未熔合或者未焊透等現(xiàn)象。

3.2 焊接參數(shù)匹配控制

在應(yīng)用全自動焊技術(shù)進行油氣管道焊接作業(yè)的過程中，對焊接小車進行合理的控制十分關(guān)鍵，焊接小車涉及的參數(shù)包括行走速度、送絲速度等，未熔合、氣孔等問題是全自動焊技術(shù)應(yīng)用過程中的重要缺陷問題，通過對焊接小車的參數(shù)進行合理的調(diào)節(jié)，可以降低這些缺陷問題出現(xiàn)的概率；同時，通過對焊接小車進行合理的控制，還可以保障焊道成形的均勻性，最終實現(xiàn)焊道跟蹤的基本目標(biāo)[18]。在使用焊接小車的過程中，如果其軌道定位出現(xiàn)一定的偏差，則焊道將會嚴(yán)重偏離焊縫的中心線位置，最終出現(xiàn)焊縫偏離的現(xiàn)象，這是出現(xiàn)未熔合以及咬邊等缺陷的重要原因。為了保障焊接小車的軌道定位滿足精度要求，需要在焊道安裝作業(yè)之前，提前做好劃線工作，以此對軌道的位置進行合理的定位，還可以使用直角尺以及銅錘等工具對焊接小車的軌道進行精確調(diào)節(jié)，以提高軌道安裝的精度。

在焊接軌道的安裝精度出現(xiàn)較大偏差時，受到焊接小車自身重力的影響，其在3～9 點鐘方向非常容易出現(xiàn)行走速度快速提升的問題，最終導(dǎo)致在這些位置出現(xiàn)焊接缺陷，全自動焊的一次合格率將會嚴(yán)重降低。針對該問題，需要對焊接過程進行全程監(jiān)控，同時，還需要對遠(yuǎn)程控制操作手柄進行充分利用，以此對焊接小車的速度進行合理的控制。在進入到加速區(qū)域之前，需要對焊接小車進行減速處理，以保障在3～9 點鐘方向位置處不會出現(xiàn)焊接缺陷問題。

焊槍調(diào)節(jié)機構(gòu)屬于焊機的重要組成部分，其可以對焊槍的上、下、左、右位置進行合理的調(diào)節(jié)[19]。在使用焊槍調(diào)節(jié)機構(gòu)時，需要人為對其進行合理的干預(yù)，使焊接質(zhì)量可以得到整體提升。在進行熱焊作業(yè)的過程中，如果在組對時出現(xiàn)了錯邊問題，則需要在外焊道的坡口內(nèi)進行平滑的打磨，盡可能將錯邊量控制在1 mm 之內(nèi)；同時，可以人為降低焊槍焊絲與焊道之間的距離，以防止出現(xiàn)未熔合或者未焊透等問題。在開展填充焊接作業(yè)的過程中，需要對1 槍熔池兩側(cè)的飽滿度進行觀察，避免出現(xiàn)溝槽現(xiàn)象，對熔池的穩(wěn)定性進行監(jiān)控，防止焊接過程中出現(xiàn)氣泡和未熔合的問題，2 槍需要保障坡口的兩端位置處可能進行圓滑的過渡，防止在兩側(cè)出現(xiàn)未熔合的問題。在進行蓋面焊作業(yè)的過程中，受到重力的影響，仰焊的焊縫余高非常容易出現(xiàn)超標(biāo)的現(xiàn)象，針對該問題，需要盡可能提高焊接作業(yè)的速度，并減小送絲的速度，降低焊絲與焊道之間的距離，使蓋面焊的焊縫可以達到薄而寬的基本效果，此時焊縫的外觀將會更加的美觀，焊接的質(zhì)量也可以得到提升。

3.3 焊接溫度控制

溫度是焊接作業(yè)過程中的重要參數(shù)，溫度包括環(huán)境溫度、層間溫度等多種類型[20]。在環(huán)境溫度方面，為了保障低溫條件下環(huán)境溫度可以滿足焊接作業(yè)環(huán)境溫度的基本要求，現(xiàn)場配備了防風(fēng)保溫棚，并對防風(fēng)保溫層進行了專門設(shè)計（圖5）。該種類型的保溫層外部材料為厚度50 mm 的巖棉保溫板，保溫效果相對較好，為了提高保溫層內(nèi)的環(huán)境溫度，在保溫棚內(nèi)安裝四個取暖用的浴霸燈，在保溫層與油氣管道的接觸位置，使用了30 mm 的保溫被進行密封，進一步提高了保溫棚的保溫效果。在進行焊接預(yù)熱的過程中，所使用的加熱器為鉗式中頻感應(yīng)加熱器，該種類型的加熱器升溫速度相對較快，且降溫速度相對較慢，可以將加熱溫度控制在100 ℃左右，超過一般預(yù)熱溫度20 ℃，這主要是由于低溫環(huán)境下降溫速度相對較快，提高加熱溫度可以對預(yù)熱溫度驟降現(xiàn)象進行合理的補充。

圖5 焊接防風(fēng)保溫棚結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural diagram of welded wind proof and thermal insulation shed

在采取上述措施以后，可以保障焊接過程中的環(huán)境溫度以及預(yù)熱溫度，但是通過對焊縫進行全面的檢測后發(fā)現(xiàn)，焊接作業(yè)仍然會出現(xiàn)未熔合以及裂紋等問題，且出現(xiàn)問題的位置大多在焊口的3～9 點鐘方向位置處。通過對焊口進行分析發(fā)現(xiàn)，在溫度相對較低的前提下，雖然使用浴霸燈進行加熱，但是大多數(shù)的熱空氣將會處于保溫棚的上部位置處，對于保溫棚的下部而言，其加工并不緊密，大量的熱空氣將會從保溫棚的下部位置處散失。部分焊口焊接作業(yè)開始之前的溫度已經(jīng)低于60 ℃，根據(jù)全自動焊工藝的基本要求，焊接過程中的層間溫度需要達到60～150 ℃，由此可見，焊接作業(yè)前的溫度不滿足要求是出現(xiàn)焊接缺陷問題的重要原因。為此，采用旋轉(zhuǎn)加熱焊口的方法，對焊接過程中的層間溫度進行補充。在焊接作業(yè)開始之前，使用中頻電加熱帶對焊口進行處理，提高該位置處的溫度；在加熱處理的過程中，需要對電加熱帶的柔性進行合理的利用，控制電加熱帶沿著焊口進行旋轉(zhuǎn)，使得整個焊口的溫度達到焊接作業(yè)的要求。通過對該措施的應(yīng)用效果進行分析發(fā)現(xiàn)，其可以全面解決焊接過程中層間溫度不足的問題，焊接過程中的未熔合缺陷以及裂紋缺陷數(shù)量大幅降低，整個焊接作業(yè)的質(zhì)量得到了提升。

3.4 焊接打磨質(zhì)量控制

在使用全自動焊技術(shù)進行一層焊接作業(yè)以后，就需要對焊縫位置處進行表面打磨，打磨的質(zhì)量會對下層的焊接質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。在使用砂輪機進行打磨的過程中，如果出現(xiàn)不規(guī)則的痕跡，在進行下層焊接作業(yè)的過程中，將會出現(xiàn)打磨痕跡無法熔透的現(xiàn)象，這是出現(xiàn)未熔合缺陷問題的重要原因。針對該缺陷問題，在開展焊接作業(yè)的過程中，使用125 mm×2 mm 的砂輪切片，對每一層焊縫位置處進行表面打磨。打磨過程中，需要全面保障打磨區(qū)域的周圍可以進行圓滑的過渡，不能出現(xiàn)棱角等多種類型的硬性凹坑問題，以使熔化后鐵液的流動阻力可以得到大幅降低，提高焊接作業(yè)的整體質(zhì)量。

3.5 焊接質(zhì)量提升效果分析

在同區(qū)域另一條原油管道冬季焊接作業(yè)的過程中，采取了上述四種措施，管道冬季焊接作業(yè)的缺陷統(tǒng)計結(jié)果如表4 所示。通過對表4 分析發(fā)現(xiàn)，盡管使用四種類型的質(zhì)量控制措施仍然會出現(xiàn)焊接缺陷問題，但是焊接一次合格率大幅提升，其一次合格率已經(jīng)從89.29%提升至97.38%。綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，采取上述四種類型的焊接質(zhì)量控制措施，焊接一次合格率得到改善，可以大幅降低多種類型缺陷出現(xiàn)的概率。

表4 采取焊接質(zhì)量控制措施后的焊接缺陷統(tǒng)計結(jié)果Tab.4 Statistical results of welding defects after taking welding quality control measures

4 結(jié)論

焊接質(zhì)量是影響油氣管道施工質(zhì)量的重要因素，全自動焊技術(shù)是一種較為先進的焊接技術(shù)。針對低溫環(huán)境下油氣管道全自動焊一次合格率問題，以我國某原油管道冬季施工焊接作業(yè)為例，首先對焊接過程中出現(xiàn)缺陷問題的原因進行系統(tǒng)分析，在此基礎(chǔ)上提出焊接質(zhì)量控制措施，并對焊接質(zhì)量控制措施的應(yīng)用效果進行分析，以此推動我國油氣管道全自動焊技術(shù)的進一步發(fā)展。

（1）盡管全自動焊技術(shù)應(yīng)用過程中的質(zhì)量穩(wěn)定性較強，但是在使用該技術(shù)的過程中，與常溫及高溫環(huán)境相比，低溫環(huán)境會使全自動焊的一次合格率降低，最終導(dǎo)致管道的施工質(zhì)量降低，管道的施工周期延長，其中，坡口加工情況、軌道控制情況、溫度因素以及焊縫打磨情況是影響缺陷出現(xiàn)的重要原因。

（2）在低溫環(huán)境下進行全自動焊作業(yè)施工的過程中，需要對內(nèi)外坡口的角度、高度等參數(shù)進行嚴(yán)格控制，需要對焊接小車涉及的參數(shù)（包括行走速度、送絲速度等）進行合理的設(shè)置，需要將環(huán)境溫度、預(yù)熱溫度以及層間溫度控制在合理區(qū)間內(nèi)，并提高焊縫的打磨質(zhì)量，進而提高全自動焊的整體焊接質(zhì)量。

（3）在采取合理的焊接質(zhì)量控制措施以后，全自動焊技術(shù)的一次合格率可以從89.29%提升至97.38%，且多種類型焊接缺陷問題出現(xiàn)的概率有所降低。由于我國部分地區(qū)冬季的溫度較低，因此，未來可以在冬季條件下推廣和使用本次研究提出的焊接質(zhì)量控制措施。