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(1.北京石油化工學(xué)院 能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京高校工程研究中心，北京102617；2.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

我國(guó)海底管道鋪設(shè)在20世紀(jì)90年代末期引進(jìn)了半自動(dòng)焊技術(shù)，隨后又引進(jìn)了更為先進(jìn)的全自動(dòng)焊技術(shù)[1-2]。但是，我國(guó)鋪管起重船上主鋪管作業(yè)線(xiàn)采用的一直是國(guó)外公司的全自動(dòng)焊接設(shè)備，對(duì)工程作業(yè)造成很大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)制約。為此，在“十一”期間，開(kāi)始了深水海底管道鋪設(shè)焊接技術(shù)國(guó)產(chǎn)化研究[3-4]。本研究開(kāi)發(fā)了海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接設(shè)備。

1 海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接設(shè)備研制

1.1 自動(dòng)焊接設(shè)備總體設(shè)計(jì)

海底管道S形鋪設(shè)時(shí)，鋪管起重船上主鋪管作業(yè)線(xiàn)順序布置若干焊接工作站，順次完成根焊、填充焊和蓋面焊等工序。每個(gè)焊接工作站由2套雙車(chē)雙炬自動(dòng)焊接系統(tǒng)組成，分別布置在管道左右兩側(cè)，各自完成管道半個(gè)圓周的焊接，見(jiàn)圖1。

2臺(tái)焊接小車(chē)安裝在同一圓導(dǎo)軌上，其中1臺(tái)焊接小車(chē)先從12點(diǎn)位置引弧向下焊接，之后另1臺(tái)小車(chē)從相同位置開(kāi)始向下焊接，見(jiàn)圖1。

每臺(tái)焊接小車(chē)安裝2把焊槍?zhuān)笜岄g距約為50 mm，焊接時(shí)形成2個(gè)獨(dú)立熔池。雙炬焊接與單炬焊接相比，焊接效率提高近1倍。

圖1 海底管道S形鋪設(shè)焊接工作站設(shè)備組成

1.2 自動(dòng)焊接小車(chē)

自動(dòng)焊接小車(chē)安裝在圓導(dǎo)軌上，見(jiàn)圖2，主要由小車(chē)鎖緊機(jī)構(gòu)、小車(chē)底板、小車(chē)行走機(jī)構(gòu)、焊槍橫向擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、焊槍高低調(diào)整機(jī)構(gòu)和焊槍組件組成。

圖2 自動(dòng)焊接小車(chē)

海底管道帶有混凝土配重層，為保證鋪設(shè)效率、控制鋪設(shè)成本，嚴(yán)格控制管道兩端混凝土配重層剝離長(zhǎng)度。自動(dòng)焊接小車(chē)外形尺寸嚴(yán)格控制在長(zhǎng)×寬×高=370 mm×285 mm×175 mm以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足在狹小空間的操作需要。此外，海底管道鋪設(shè)每日鋪設(shè)量近200根，操作時(shí)需要頻繁裝卸焊接小車(chē)，要求小車(chē)輕巧，小車(chē)重量小于16 kg，大幅度降低了操作人員的工作強(qiáng)度。

1.3 自動(dòng)焊接設(shè)備控制系統(tǒng)

自動(dòng)焊接控制系統(tǒng)組成見(jiàn)圖3。該控制系統(tǒng)以工業(yè)PC機(jī)作為的主控制器，通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)與焊接小車(chē)各軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)、焊接電源等外圍設(shè)備的接口，通過(guò)Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)上層監(jiān)督計(jì)算機(jī)的通信。

圖3 自動(dòng)焊接設(shè)備控制系統(tǒng)組成

該控制系統(tǒng)與現(xiàn)有的多數(shù)管道自動(dòng)焊接系統(tǒng)相比，具有以下技術(shù)特點(diǎn)。

1) 焊接行走采用2個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，2個(gè)電機(jī)的同步是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置的同步控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2) 焊車(chē)行走、焊槍橫向擺動(dòng)、焊槍高低調(diào)整的4個(gè)驅(qū)動(dòng)器集成在焊接小車(chē)車(chē)體之上，驅(qū)動(dòng)器具備很高的智能，實(shí)現(xiàn)了車(chē)載計(jì)算，其顯著優(yōu)點(diǎn)是減少了大量的連接電纜。驅(qū)動(dòng)器自帶模擬量輸入接口，因而傾角傳感器輸出的焊車(chē)位置信號(hào)直接傳輸給驅(qū)動(dòng)器。程序根據(jù)不同的焊車(chē)位置進(jìn)行計(jì)算，控制焊接電源輸出不同的焊接電流，從而方便地實(shí)現(xiàn)全位置焊接。

3) 該控制系統(tǒng)通過(guò)采用CANOpen總線(xiàn)技術(shù)，不僅各個(gè)單元之間連接線(xiàn)纜大為減少，而且焊接系統(tǒng)的可擴(kuò)展性得到巨大提高。

2 海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接工藝

2.1 工藝總體方案

海底管道鋪設(shè)對(duì)于焊接的基本要求是：在保證焊接質(zhì)量的前提之下，要求盡可能高的焊接效率。

采用高效率的雙絲焊接完成根焊、填充焊和蓋面焊的完整過(guò)程。采用帶銅襯墊的內(nèi)對(duì)口器進(jìn)行根焊，襯墊的應(yīng)用使得在保證背面焊透的前提下，能夠采用較大的焊接規(guī)范獲得較高的焊接效率。采用坡口角度為4～5°的窄坡口，對(duì)于壁厚為12.7 mm的管道而言，管道兩端對(duì)口之后外表面距離僅為7.0 mm左右，大幅度提高了焊接效率、減少了金屬填充量。

2.2 工藝實(shí)驗(yàn)

焊接試驗(yàn)管道為API 5L X65無(wú)縫鋼管，外徑323.9 mm，壁厚為12.7 mm，坡口為4°窄坡口，鈍邊厚2 mm，不留組對(duì)間隙。選用的焊絲型號(hào)為AWS A5.18 ER70S-6，焊絲直徑1.0 mm。焊接保護(hù)氣體為50%CO2和50%Ar的混合氣體。

采用內(nèi)對(duì)口器進(jìn)行管道組對(duì)，測(cè)量組對(duì)偏差，將偏差控制在容許范圍之內(nèi)。焊接之前采用感應(yīng)電加熱器進(jìn)行管道預(yù)熱。管道左右2個(gè)半圓各自采用1臺(tái)焊接小車(chē)，其焊接過(guò)程均是雙炬焊接，根焊1遍、填充2遍、蓋面1遍。

焊接電源TPS4000采用一元化控制，通過(guò)設(shè)定送絲速度，焊接電流和焊接電壓自動(dòng)與之匹配。半個(gè)圓周從平焊位置到仰臉焊位置分成12個(gè)區(qū)域，即P0～P12，每15°為1個(gè)區(qū)域，按照區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的焊接參數(shù)。

以管道根焊為例，焊車(chē)速度109～113 cm/min，焊槍擺動(dòng)速度80～110 cm/min，擺動(dòng)寬度1.6 mm，坡口兩側(cè)滯留時(shí)間0.1 s，前槍送絲速度為11.8～13.0 m/min，后槍送絲速度為10.0～11.2 m/min。

2.3 管道焊接接頭性能檢驗(yàn)

按照API STD 1104-2005的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)焊接管道接頭進(jìn)行目檢、超聲檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果均符合API STD 1104-2005的要求。管道接頭力學(xué)性能試驗(yàn)包括拉伸、彎曲、刻槽斷裂、沖擊等力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果也都符合API STD 1104-2005規(guī)定的要求。試件拉伸強(qiáng)度為550～570 MPa，180°面彎、側(cè)彎和根彎均合格、不存在可見(jiàn)性缺陷，刻槽斷裂試驗(yàn)合格，-20 ℃沖擊功平均值為150～376 J。

3 海底管道鋪設(shè)自動(dòng)焊接海上試驗(yàn)

3.1 建造場(chǎng)地模擬試驗(yàn)

自動(dòng)焊接設(shè)備在海上試驗(yàn)之前，先在建造場(chǎng)地進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，焊接管道接頭通過(guò)了超聲檢驗(yàn)。

3.2 海上試驗(yàn)

自動(dòng)焊接設(shè)備海上試驗(yàn)在塘沽海域進(jìn)行，坐標(biāo)北緯38°59，東經(jīng)117°43。海試船舶為BH108。

試驗(yàn)風(fēng)速8 m/s，風(fēng)向NW，流速17 cm/s，水深5 m，溫度-6℃。自動(dòng)焊接試驗(yàn)在焊接作業(yè)線(xiàn)工棚內(nèi)進(jìn)行，風(fēng)速小于1.5 m/s，溫度同外部環(huán)境溫度。

海上試驗(yàn)按照試驗(yàn)大綱進(jìn)行，總計(jì)焊接成功4個(gè)管道接頭，接頭全部通過(guò)了超聲檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

1) 焊接工作站采用雙車(chē)雙炬焊接，顯著降低了海上作業(yè)成本。

2) 焊接小車(chē)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，符合海上應(yīng)用需要。

3) 自動(dòng)焊接設(shè)備電控系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了焊車(chē)行走同步驅(qū)動(dòng)、車(chē)載計(jì)算以及全位置自動(dòng)焊接，使得焊接小車(chē)及整套設(shè)備具備優(yōu)良的控制性能。

4) 自動(dòng)焊接設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CAN總線(xiàn)技術(shù)，不僅各個(gè)單元之間連接線(xiàn)纜大為減少，而且焊接系統(tǒng)可擴(kuò)展性得到巨大提高。

5) 采用帶銅襯墊的內(nèi)對(duì)口器進(jìn)行根焊，背面成形良好，根焊效率高。

6) 采用窄坡口，大幅度提高了焊接效率、減少了金屬填充量。

7) 根據(jù)焊接小車(chē)在半個(gè)圓周焊接過(guò)程中的不同位置，設(shè)置焊接參數(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了根焊、填充和蓋面的完整過(guò)程。

8) 采用雙車(chē)雙炬焊接成功的管道接頭，目檢、超聲檢驗(yàn)和力學(xué)性能試驗(yàn)均符合API STD 1104-2005的要求。

9) 海上試驗(yàn)之前，成功進(jìn)行了建造場(chǎng)地模擬試驗(yàn)。

10) 在BH108焊接線(xiàn)上進(jìn)行海上試驗(yàn)，全部管道焊接接頭通過(guò)了超聲檢驗(yàn)。

[1] YAPP D, BLACKMAN S A.Recent developments inhigh productivity pipeline wlding[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering,2004(1)：9-97.

[2] 劉曉昀.我國(guó)海底管道及焊接技術(shù)[J].中國(guó)造船，2003，44(增刊)：65-70.

[3] 姜錫肇,曹 軍,周燦豐，等.海底管線(xiàn)鋪設(shè)焊接工藝與設(shè)備研究[J].船海工程, 2010,40(3)：128-132.

[4] 周燦豐,焦向東,陳家慶,等.深水海底管道鋪設(shè)焊接系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].焊接, 2010(7)：16-20.