王 銳，郭瑞杰

(1.長(zhǎng)慶油田分公司 長(zhǎng)南氣田開發(fā)項(xiàng)目部，陜西 定邊 718600；2.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000)

管道自動(dòng)環(huán)焊技術(shù)的發(fā)展

王 銳1，郭瑞杰2

(1.長(zhǎng)慶油田分公司 長(zhǎng)南氣田開發(fā)項(xiàng)目部，陜西 定邊 718600；2.中國(guó)石油天然氣管道科學(xué)研究院，河北 廊坊 065000)

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，管道自動(dòng)化焊接技術(shù)經(jīng)過不斷的開發(fā)和改進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)了高效焊接的同時(shí)獲得了優(yōu)質(zhì)的焊縫，且國(guó)內(nèi)外很多管道設(shè)備供應(yīng)商可以提供此類焊接系統(tǒng)?？偨Y(jié)了管道自動(dòng)環(huán)焊的發(fā)展歷程和有關(guān)技術(shù)的最新進(jìn)展情況，對(duì)我國(guó)管道焊接技術(shù)的發(fā)展提供一些借鑒。

管道；自動(dòng)焊；鍛焊；激光-電弧復(fù)合焊

0 前言

20世紀(jì)60年代，美國(guó)CRC公司開發(fā)了自動(dòng)化熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW)用于管道的焊接，從最初的40°坡口，焊槍沿直線行走，發(fā)展到窄間隙坡口，焊槍可以擺動(dòng)，保證了坡口側(cè)壁的熔合。該自動(dòng)焊機(jī)沿一個(gè)固定在管道上的簡(jiǎn)單導(dǎo)軌移動(dòng)，管道兩側(cè)各有一臺(tái)焊機(jī)，同時(shí)進(jìn)行下向(從12點(diǎn)到6點(diǎn)的位置)焊接。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，管道自動(dòng)焊接技術(shù)得到不斷的發(fā)展和完善，在實(shí)現(xiàn)高效焊接的同時(shí)獲得了優(yōu)質(zhì)的焊縫，目前國(guó)內(nèi)外很多管道設(shè)備供應(yīng)商都可以提供此類焊接系統(tǒng)[1]，如德國(guó)VIEFZ公司、法國(guó)SERIMERDASA公司、意大利PWT、加拿大RMS，國(guó)內(nèi)的中國(guó)石油管道局研究院和中國(guó)石油工程技術(shù)研究院等也有類似產(chǎn)品。

1 根焊

根焊速度直接影響整個(gè)管線焊接施工的效率，是制約施工進(jìn)度的瓶頸，其技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段[1-2]：(1)20世紀(jì)70年代——內(nèi)焊機(jī)，裝備的3～5把焊槍可同時(shí)焊接；(2)20世紀(jì)80年代——外部根焊，輔助內(nèi)銅襯墊；(3)20世紀(jì)90年代——外部根焊無需襯墊，采用短路過渡GMAW；(4)2000以后——內(nèi)焊機(jī)，裝備的8～12把焊槍可同時(shí)焊接。

目前陸地管道的自動(dòng)根焊基本完全采用內(nèi)焊機(jī)，部分采用不帶銅襯墊的GMAW自動(dòng)外焊，帶銅襯墊的自動(dòng)外焊則主要應(yīng)用于海洋管道的焊接。實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)的管道激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)可以將根焊效率提高3～5倍，有望應(yīng)用于管道施工。

內(nèi)焊機(jī)主要是集內(nèi)對(duì)口器和焊槍為一體，內(nèi)部設(shè)置多個(gè)焊槍控制系統(tǒng)，從管子內(nèi)部實(shí)現(xiàn)焊接，焊接效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，焊接過程受人為干擾影響小。而外根焊則是對(duì)口器與焊槍分離，操作工藝可通過自動(dòng)外焊工藝和半自動(dòng)焊工藝來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于小口徑管道和大口徑管道“連頭”、彎頭無法采用內(nèi)焊機(jī)焊接，必須采用從外部焊接的單面焊雙面成形技術(shù)。應(yīng)用具有控制金屬熔滴過渡的能力焊接電源才能實(shí)現(xiàn)外部根焊，該工藝無需銅襯墊就能有效消除因管口變形、坡口角度差異所引起的根部未熔合和未焊透缺陷，例如：美國(guó)林肯電氣公司的表面張力過渡(STT)焊接電源，在焊接過程中通過檢測(cè)短路以及早期的熔滴爆裂，調(diào)整焊接電流，從而在低熱輸量下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熔滴過渡，很少或沒有飛濺，但對(duì)于長(zhǎng)距離管道連頭中產(chǎn)生的“穿堂風(fēng)”影響較大，易產(chǎn)生密集氣孔；美國(guó)米勒公司的RMD焊接電源采用另一種短路精確控制技術(shù)，能有效消除以上焊接缺陷，但對(duì)操作人員要求高。以上兩種焊接電源已在國(guó)內(nèi)外油氣管道工程中得到了廣泛應(yīng)用。目前新引進(jìn)的外根焊技術(shù)有奧地利Fronius公司的冷金屬過渡(CMT)技術(shù)，將焊絲的運(yùn)動(dòng)同熔滴的過渡相結(jié)合，降低焊接熱輸入，飛濺小。芬蘭的Kemppi公司研制的FastROOT技術(shù)也是通過控制熔滴過渡的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)快速根焊。

2 填充焊

填充蓋面焊的效率決定了焊接工作站的數(shù)量和整體現(xiàn)場(chǎng)施工效率，對(duì)整個(gè)接頭完成速度有重要影響，其技術(shù)發(fā)展主要經(jīng)歷了以下階段[1-3]：

(1)20世紀(jì)60年代——窄間隙坡口和單焊槍自動(dòng)焊機(jī)。

(2)20世紀(jì)90年代——雙焊槍自動(dòng)焊機(jī)。

(3)2000年——串列雙絲(tandem)自動(dòng)焊機(jī)(一把焊槍兩根焊絲)。

(4)2004年——雙焊槍tandem自動(dòng)焊機(jī)(CAPS焊接系統(tǒng))。

2007年——激光視覺焊接系統(tǒng)，可以自動(dòng)控制焊槍位置和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集。

目前管道填充蓋面焊大部分采用單焊槍或雙焊槍自動(dòng)焊，單焊槍或雙焊槍Tandem自動(dòng)焊在全球已完成了2萬多公里的管道焊接，管道激光視覺焊接系統(tǒng)還未步入推廣使用期。這些技術(shù)的發(fā)展采用實(shí)心焊絲GMAW，通常用CO2氣體或氬氣和CO2的混合氣體保護(hù)。自動(dòng)焊機(jī)也可使用藥芯焊絲，采用上向焊接工藝，并使用API 60°焊接坡口，而不是窄間隙坡口。

隨著管道壁厚和管徑的增大，對(duì)填充焊接效率的要求越來越高。主要代表有CRC公司設(shè)計(jì)的自動(dòng)GMAW焊接系統(tǒng)，采用的是單焊槍和單送絲機(jī)構(gòu)。法國(guó)Dasa公司開發(fā)的一種雙焊槍(一臺(tái)焊機(jī)帶兩把焊槍)系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于陸上和海洋管道的焊接。英國(guó)Cranfield大學(xué)開發(fā)的Tandem焊接技術(shù)進(jìn)一步提高了管道焊接生產(chǎn)率。Tandem焊接技術(shù)采用單焊槍(里面兩個(gè)導(dǎo)電嘴)，兩根焊絲形成一個(gè)熔池，焊接速度高達(dá)1 m／min。兩把Tandem焊槍可安裝在一臺(tái)焊機(jī)上，進(jìn)一步縮短焊接時(shí)間。

以上技術(shù)都是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的。單槍Tandem焊和雙槍Tandem焊的工程應(yīng)用表明，焊接效率較單絲焊提高了30%～50%，焊縫質(zhì)量更優(yōu)。由以上四種不同的焊接工藝完成的焊縫都具有相似的宏觀組織，傳統(tǒng)的X射線和自動(dòng)超聲檢測(cè)可以用于焊縫的缺陷檢測(cè)。

3 鍛焊

多年來，基于鍛焊技術(shù)，產(chǎn)生了多種“一站式”焊接方法，試圖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)高于GMAW的生產(chǎn)效率。盡管已投入了大量經(jīng)費(fèi)，開展了大量的試驗(yàn)研究，但這些方法迄今還未能應(yīng)用于管道施工。

各種鍛焊技術(shù)的開發(fā)都是采用不同的方法加熱管端，然后將兩個(gè)管端擠壓在一起，從而形成鍛焊焊縫。在閃光對(duì)焊中，電壓分布于管子的圓周方向，然后使兩個(gè)管端接觸，瞬間拉開一定間距，從而產(chǎn)生電弧。在俄羅斯和烏克蘭，很多大口徑陸地管道采用了該方法，但在世界的其他地方還沒有應(yīng)用。閃光對(duì)焊必須克服以下問題：(1)對(duì)于大口徑管道，設(shè)備龐大；(2)頂鍛的程度相當(dāng)有限；(3)無損檢測(cè)通常不能查找出潛在的焊縫缺陷；(4)焊縫的冷卻速度過慢，造成晶粒粗大，焊縫性能下降。這些固有缺點(diǎn)使得該技術(shù)很難適用于高強(qiáng)度管線鋼的焊接。

加拿大開發(fā)的Spinduction方法，目前正處在研制中，它采用感應(yīng)加熱，并結(jié)合旋轉(zhuǎn)和頂鍛，試圖提高鍛焊焊縫質(zhì)量[4]。摩擦焊也是一種有效的鍛焊工藝。英國(guó)TWI于1975年注冊(cè)了徑向摩擦焊專利，該技術(shù)在管內(nèi)襯有保證管子對(duì)中和防止壓塌的心軸，外接頭處套上帶錐面的圓環(huán)，該圓環(huán)旋轉(zhuǎn)、頂煅加壓，完成焊接過程，其工作原理如圖1所示。摩擦焊在焊縫接頭處產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而最大限度地減少了產(chǎn)生缺陷的幾率。但是，焊縫的冷卻速度過慢，并且即使對(duì)于中等管徑，設(shè)備也很龐大。

FRIEX是一種新方法，它將圓環(huán)作為填充材料。焊接時(shí)，圓環(huán)放置在兩個(gè)管子之間，并且在管道兩端的軸向壓力作用下使圓環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦而產(chǎn)生熱量，如圖2所示。在這些組件接觸之后，圓環(huán)和兩個(gè)管子末端之間摩擦使接觸部分的溫度急劇升高，在摩擦階段結(jié)束后，圓環(huán)迅速停止旋轉(zhuǎn)，并且快速增加軸向的頂煅力，焊接完成后將焊縫多余部分銑掉。FRIEX在沒有心軸的情況下也采用了旋轉(zhuǎn)圓環(huán)，因此從管子的內(nèi)部和外部必須消除閃光[4]。該技術(shù)的開發(fā)工作仍在繼續(xù)，有可能應(yīng)用于小口徑、低強(qiáng)度的管道。摩擦攪拌焊(FSW)方法應(yīng)用于管道焊接，相關(guān)的研究也正在積極開展中，其優(yōu)勢(shì)是隨著管徑的增加，設(shè)備尺寸的增加并不明顯。

圖1 管道徑向摩擦焊的工作原理

4 激光焊

美國(guó)IPG Photonics公司已開發(fā)了光纖激光器，采用小型化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了高功率(達(dá)50 kW)。光纖激光器的效率相對(duì)較高，其中約20%的電力轉(zhuǎn)化為激光功率，而且非常耐用，可用于施工現(xiàn)場(chǎng)。

激光-電弧復(fù)合焊結(jié)合了激光焊和電弧焊兩者的優(yōu)點(diǎn)。激光焊工作于鎖孔模式時(shí)，提供大的熔深和高速焊接，而GMAW則提供了填充焊絲，并增加了對(duì)口間隙和錯(cuò)邊的適應(yīng)范圍。對(duì)于薄壁管道(12 mm以下)，焊縫可通過一個(gè)焊道完成，然后再用一道MIG焊進(jìn)行蓋面，可以實(shí)現(xiàn)焊接速度1.5 m／min。目前德國(guó)Vietz公司的管道激光焊接系統(tǒng)已經(jīng)投入商業(yè)應(yīng)用，美國(guó)EWI和BMT公司已完成了實(shí)驗(yàn)研究[5]。

5 結(jié)論

對(duì)于管道施工，GMAW自動(dòng)焊仍然被認(rèn)為是最合適的方法。管道環(huán)縫自動(dòng)焊在過去50多年的歷史中，一直在演變和發(fā)展，在陸地和海洋都實(shí)現(xiàn)了非常高效的焊接系統(tǒng)。

GMAW自動(dòng)環(huán)焊可實(shí)現(xiàn)不同管道材料和管徑的焊接，焊縫機(jī)械性能優(yōu)良，可檢驗(yàn)性好，合格率非常高。其替代方法有鍛焊和激光焊接，但GMAW自動(dòng)環(huán)焊技術(shù)及設(shè)備在油氣管道施工領(lǐng)域通過多年的應(yīng)用已獲得了高度的信任，因此引進(jìn)GMAW的替代方法是非常困難的。

弧焊技術(shù)仍在繼續(xù)發(fā)展，全自動(dòng)的焊縫質(zhì)量實(shí)時(shí)評(píng)估有可能進(jìn)一步應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)指出，由于自動(dòng)焊接設(shè)備越來越復(fù)雜，需要開發(fā)更簡(jiǎn)單的焊機(jī)，它采用V型坡口和藥芯焊絲電弧焊工藝。這種方法不僅降低了設(shè)備成本，而且不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行窄間隙坡口的加工，同時(shí)燃弧時(shí)間長(zhǎng)，熔敷速度高。這種方法對(duì)于小口徑管道、連頭以及丘陵地區(qū)的管道焊接具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

鍛焊工藝的開發(fā)已進(jìn)行了大量試驗(yàn)，迄今實(shí)際的應(yīng)用還非常有限。在某些情況下，隨著管徑和壁厚的增加，要求設(shè)備的尺寸和成本急劇增加；鍛焊的韌性低，這也是一個(gè)應(yīng)用難題。最新開發(fā)的攪拌摩擦焊和FRIEX，都具有應(yīng)用潛力，但需要進(jìn)一步驗(yàn)證其能否獲得所需要的機(jī)械性能，尤其是韌性。

圖2 FRIEX工作原理

[1] David Yapp.High productivity pipe girth welding：developments in mechanised arc welding of pipelines[J].Pipelines International，2011，28(3)：21-24.

[2]尹長(zhǎng)華，閆 臣，崔相國(guó).國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸管道常用焊接工藝[J].電焊機(jī)，2009，39(5)：22-31.

[3]D Yapp，Blackman.Recent Developments in High Productivity Pipeline Welding[G].IIW Document XII-1786-04：89-97.

[4]K Faes，A Dhooge，P De Baets，et al.Influence of deceleration phase on properties of friction welded pipelines using intermediate ring[J].Science and Technology of Welding＆Joining，2008，13(2):136-145.

[5]Claus Thmomy，Thomas Seefeld.Application of Fiber Lasers to Pipeline Girth Welding[J].Welding Journal，2008，26(7)：54-58.

Developments of automatic girth welding technology in pipelines

WANG Rui1，GUO Rui-jie2
(1.South Gas Field Department of Changqing Oilfield Company，Dingbian 718600，China；2.Pipeline Research Institute of CNPC，Langfang 065000，China)

Over the last 50 years，automatic welding technology of pipeline has been continually developed and improved，so that welds can be made with consistent high quality and high productivity，and welding systems are available from many pipeline equipment suppliers.This paper summarizes the development sequence of the automatic girth welding and the progress of associated new technology in pipelines，which will provide a useful reference for the development of pipeline welding technology in china.

pipeline；automatic welding；forging weld；hybrid laser-arc welding

TG409

C

1001-2303(2011)09-0053-03

2011-06-30；

2011-09-12

王 銳(1975—)，男，甘肅慶陽人，工程師，主要從事油氣田產(chǎn)建和長(zhǎng)輸管道的焊接工作。