李永輝，馬衛(wèi)強(qiáng)，劉井坤，王魯鵬

（中石化中原石油勘探局工程建設(shè)總公司，河南濮陽(yáng)457001）

PipelinerII自動(dòng)焊系統(tǒng)在厚壁長(zhǎng)輸管道焊接中的應(yīng)用

李永輝，馬衛(wèi)強(qiáng)，劉井坤，王魯鵬

（中石化中原石油勘探局工程建設(shè)總公司，河南濮陽(yáng)457001）

沙特阿美馬尼法井場(chǎng)管道焊接工程的特點(diǎn)是：長(zhǎng)輸管道的口徑大、管壁厚，但整體焊接工作量較少。文章在簡(jiǎn)要對(duì)比了幾種常用的管道自動(dòng)焊系統(tǒng)及工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，論述了采用Pipeliner II自動(dòng)焊系統(tǒng)焊接中東地區(qū)厚壁長(zhǎng)輸管道的優(yōu)點(diǎn)，并介紹了該系統(tǒng)在該工程中應(yīng)用的要點(diǎn)，包括焊接工藝方案、對(duì)常見(jiàn)缺陷的分析及控制措施等。

長(zhǎng)輸管道；厚壁管；自動(dòng)焊；焊接方案

0 引言

目前長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊技術(shù)已經(jīng)在西氣東輸管道建設(shè)等國(guó)內(nèi)數(shù)個(gè)項(xiàng)目上得到了成功應(yīng)用，管道自動(dòng)焊系統(tǒng)在長(zhǎng)輸管道的建設(shè)中顯示了優(yōu)質(zhì)、高效的顯著特點(diǎn)。而在中東地區(qū)的大部分長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目中已經(jīng)強(qiáng)制要求采用自動(dòng)焊技術(shù)。掌握長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊技術(shù)已經(jīng)成了拓展中東市場(chǎng)的必備條件。國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的幾種長(zhǎng)輸管道自動(dòng)外焊機(jī)包括英國(guó)NOREAST公司生產(chǎn)的自動(dòng)外焊機(jī)，加拿大RMS公司生產(chǎn)的MOW-1型自動(dòng)外焊機(jī)、美國(guó)CRC公司的M-300型自動(dòng)外焊機(jī)、意大利PWT公司生產(chǎn)的CWS.02NRT型自動(dòng)外焊機(jī)、中石油管道局生產(chǎn)的PAW-2000型外焊機(jī)、中石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院生產(chǎn)的APW-II型自動(dòng)外焊機(jī)。在中東的一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，我公司結(jié)合中東市場(chǎng)的特點(diǎn)引進(jìn)了美國(guó)Magnatech公司的Pipeliner II Orbital Pipe Welding System自動(dòng)焊系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱PipelinerII系統(tǒng)）。本文主要介紹該套系統(tǒng)的組成、工藝技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用情況。

1 工程概況

沙特阿美馬尼法油田位于沙特阿拉伯王國(guó)東北部波斯灣的阿拉伯海域，是一個(gè)超級(jí)海上大油田。本次施工主要區(qū)域在阿拉伯灣淺海領(lǐng)域填土后建成的海上井場(chǎng)和海上井場(chǎng)的聯(lián)系堤道。馬尼法井場(chǎng)管道工程主要分為兩大部分，一部分是位于馬尼法區(qū)域的25個(gè)淺海井場(chǎng)；另一部分是從各個(gè)井場(chǎng)集油支線連接匯總到集輸干線后，沿鋪設(shè)好的堤道進(jìn)入海岸上的馬尼法集輸站，其中口徑最大的集輸干線是D915mm（36in）的原油集輸管道及D1068mm（42in）的高壓注水輸水管道。具體規(guī)格：D 915 mm×31.75 mm，材質(zhì)為APISpec5LX65的直縫鋼管；D1068 mm× 31.75 mm，材質(zhì)為APISpec5LX70的直縫鋼管。

2 方案的確定

2.1 工程特點(diǎn)分析

通過(guò)篩選和比較當(dāng)前常用的焊接設(shè)備及工藝方案的特點(diǎn)，優(yōu)選出合適的焊接方案。上述長(zhǎng)輸管道的特點(diǎn)是口徑大、管壁較厚，但整體工作量較少。壁厚的增加對(duì)焊接施工提出了較高的要求，主要表現(xiàn)在：

（1）坡口型式影響焊接金屬填充量大小及焊接接頭性能。

（2）多層多道焊接帶來(lái)焊接勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量不穩(wěn)定，傳統(tǒng)手工下向焊工藝生產(chǎn)效率低下。

（3）依照焊接規(guī)范要求，對(duì)該種規(guī)格和材料等級(jí)的管材焊接過(guò)程的預(yù)熱以及層間溫度控制要求較嚴(yán)格，全自動(dòng)焊接工藝工序間的銜接要求較高。

2.2 自動(dòng)焊種類及工藝分析

（1）相比而言，采用美國(guó)CRC公司的自動(dòng)內(nèi)焊機(jī)方案效率較高。通過(guò)調(diào)查及比較CRC公司等長(zhǎng)輸管道全自動(dòng)焊接解決方案，發(fā)現(xiàn)這些解決方案在我國(guó)的西氣東輸?shù)仁澜缰墓こ添?xiàng)目上都有較成熟的運(yùn)用，其特點(diǎn)是：施工效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、人員勞動(dòng)強(qiáng)度低、機(jī)械化程度較高，但一次性設(shè)備投入巨大，而且設(shè)備的適用性不強(qiáng)，若沒(méi)有大批量長(zhǎng)距離的長(zhǎng)輸管道施工，綜合效益比較低。除了自動(dòng)內(nèi)焊機(jī)外，CRC公司還提供了多種形式的焊接組合方案[1]，其中的M300C和Pipeliner II的工藝比較類似，但其單層熔敷厚度與Pipeliner II相比較薄，效率相對(duì)低一些。

（2）全自動(dòng)焊外焊工藝一般采用PWT公司的外自動(dòng)根焊，根焊質(zhì)量好，焊接速度較快，外觀成型好，但需要采購(gòu)專門的坡口加工機(jī)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)的復(fù)合坡口加工，設(shè)備投資價(jià)格相對(duì)較高[2]。

（3）若采用傳統(tǒng)的半自動(dòng)下向焊工藝，由于厚壁管坡口角度大、焊接填充量較大、對(duì)焊縫機(jī)械性能影響較大、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，所以生產(chǎn)效率極低。D 1 068 mm的焊縫每道焊口現(xiàn)場(chǎng)施工平均需要94 h，不能滿足工期進(jìn)度的要求，綜合效益極低。而且國(guó)內(nèi)普遍采用的自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)下向焊工藝由于可能對(duì)健康產(chǎn)生影響，其應(yīng)用已經(jīng)在美國(guó)及中東等地區(qū)受到了限制。

（4）Magnatech公司生產(chǎn)的Pipeliner II系統(tǒng)采用STT-II氣體保護(hù)半自動(dòng)下向焊工藝進(jìn)行根焊，熱焊填充及蓋面均采用氣保護(hù)自動(dòng)上向焊工藝，該系統(tǒng)具有適于沙特高溫環(huán)境、生產(chǎn)效率較高、金屬填充量較小、勞動(dòng)強(qiáng)度較低、焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)沙特當(dāng)?shù)仄渌L(zhǎng)輸管道項(xiàng)目的實(shí)地考察，并經(jīng)過(guò)一段時(shí)間綜合數(shù)據(jù)考核，利用該套自動(dòng)焊接技術(shù)，60天共完成320道焊口，耗費(fèi)人工時(shí)19 800 h；若采用手工焊，則將耗費(fèi)30 000 h。該系統(tǒng)最適合小批量大口徑厚壁長(zhǎng)輸管道焊接方案，綜合效益較高。

3 實(shí)際應(yīng)用

3.1 自動(dòng)焊機(jī)系統(tǒng)

Magnatech公司生產(chǎn)的Pipeliner II系統(tǒng)由如下幾大部分組成：MPS4000電源、MPS4000R水循環(huán)冷卻系統(tǒng)、MPS4000送絲裝置、型號(hào)Model 712控制器以及相應(yīng)軌道的Model 609A軌道焊接機(jī)頭。Pipeliner II系統(tǒng)采用大熔深的氣體保護(hù)藥芯焊絲自動(dòng)焊工藝對(duì)除打底層之外的焊道進(jìn)行高效焊接，配合STT-II半自動(dòng)焊工藝完成打底焊接。該系統(tǒng)配有不同大小的軌道，可以用在管對(duì)管和管對(duì)管件的對(duì)接焊道上，可以在平面或者曲面軌跡工件上進(jìn)行線性焊接。

該套自動(dòng)焊方案的主要特性和適用范圍如下：

（1）管徑：＞152 mm（6 in）。

（2）壁厚：無(wú)限制。

（3）管材：所有能夠用氣體保護(hù)焊或者藥芯焊絲工藝的管材。

（4）焊絲直徑：0.8/0.9/1.0/1.2 mm等均可。

（5）焊絲速度：0~22 m/min。

（6）最大擺動(dòng)振幅：51 mm。

（7）擺弧停留時(shí)間：0~1 s（兩邊單獨(dú)調(diào)節(jié)）。

（8）中心調(diào)整范圍：0~51 mm。

3.2 焊接設(shè)備

根據(jù)前期三條管道的工作量和對(duì)施工的初步安排，我們購(gòu)置了3臺(tái)STT半自動(dòng)焊機(jī)（1臺(tái)備用）和11臺(tái)全自動(dòng)焊接設(shè)備（1臺(tái)備用），依據(jù)施工機(jī)組的配置，分別購(gòu)置了D915mm和直徑D1 068mm管道用軌道各6副，焊接棚6套。

3.3 焊接工藝

（1）依據(jù)API 1104、ASME B31.4、ASME B31.8標(biāo)準(zhǔn)及業(yè)主的SAES-W-012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝評(píng)定。

（2）根焊采用STT半自動(dòng)氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2，焊接方向?yàn)橄孪蚝?，焊材采用ESAB公司生產(chǎn)的SFA/AWS 5.28 ER80SNi1實(shí)芯焊絲，直徑為1.2 mm。

（3）熱焊、填充焊及蓋面焊均采用Pipeliner II系統(tǒng)，混合保護(hù)氣體80%Ar+20%CO2，焊接方向?yàn)樯舷蚝福覆倪x用ESAB公司生產(chǎn)的藥芯焊絲,其牌號(hào)為SFA/AWS5.28E91T-Ni1M，直徑為1.2mm。

（4）坡口型式采用復(fù)合V型，以減少熔敷金屬量。

（5）D 915 mm管道各層的焊接工藝參數(shù)分別見(jiàn)表1和表2。

（6）D 1 068 mm管道各層焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3和表4。

表1 D 915 mm管道根焊層焊接工藝參數(shù)

表2 D 915 mm管道熱焊、填充和蓋面層焊接工藝參數(shù)

表3 D 1 068 mm管道根焊層焊接工藝參數(shù)

表4 D 1 068 mm管道熱焊、填充和蓋面層焊接工藝參數(shù)

3.4 施工難點(diǎn)

對(duì)于大管徑大壁厚管道，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，根焊和熱焊的相隔時(shí)間不能超過(guò)15 min。由于根焊和熱焊采用不同的焊接方法，拆卸安裝軌道及焊接設(shè)備附件的時(shí)間較長(zhǎng)，加之焊接工藝要求焊前預(yù)熱，因此，需要對(duì)各工序作業(yè)的組織安排進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以滿足時(shí)間間隔要求。

3.5 焊接典型缺陷的控制

在試焊及應(yīng)用初期，出現(xiàn)了一些焊接缺陷，經(jīng)過(guò)對(duì)常見(jiàn)的焊接缺陷類型進(jìn)行分析，我們制訂了以下的控制措施。

3.5.1 焊接過(guò)程中根焊氣孔的控制

（1）由于氣體保護(hù)焊對(duì)風(fēng)的影響特別敏感，因此要求防風(fēng)棚密封嚴(yán)實(shí)，而且焊接中要用塑料布并加透明膠帶對(duì)管口兩端進(jìn)行嚴(yán)密的封堵。

（2）焊工在進(jìn)行引弧時(shí)要注意起弧后手部穩(wěn)定，以免干伸長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)造成空氣入侵。

（3）在保持焊接連續(xù)性的同時(shí)適當(dāng)?shù)乩L(zhǎng)干伸長(zhǎng)來(lái)降低電壓，以避免氣孔的產(chǎn)生。

（4）管道組對(duì)時(shí)，避免因?yàn)榻M對(duì)間隙過(guò)窄，過(guò)大的母材稀釋作用而妨礙除氣過(guò)程。

3.5.2 余高過(guò)高或者過(guò)低的控制

（1）在5點(diǎn)鐘到7點(diǎn)鐘仰焊位置易出現(xiàn)余高過(guò)高，這是因?yàn)楹腹ぴ谶@一空間不容易掌握熔池的變化，往往會(huì)出現(xiàn)擺幅變窄，焊接速度變慢的現(xiàn)象。

（2）在3點(diǎn)鐘或者9點(diǎn)鐘位置往往會(huì)造成余高不夠甚至過(guò)低，這是因?yàn)榇罅康暮附z熔化的鐵水由于自身重力的作用而迅速下墜，從而使熔敷金屬過(guò)少而造成余高過(guò)低。

（3）要求焊工的動(dòng)作要跟得上，針對(duì)不同位置的焊接特點(diǎn)迅速有針對(duì)性地調(diào)節(jié)焊接過(guò)程中的焊接工藝參數(shù)。

3.5.3 自動(dòng)焊夾渣缺陷的控制

（1）由于藥芯焊絲有焊劑和藥皮，所以要求層間必須清理干凈，否則易出現(xiàn)夾渣缺陷。

（2）全自動(dòng)焊的工藝參數(shù)不得調(diào)整過(guò)大，否則會(huì)使焊道熔深過(guò)大，以至于藥皮等焊渣沒(méi)有浮出或吹出而產(chǎn)生夾渣。

3.5.4 自動(dòng)焊咬邊缺陷的控制

對(duì)于不同的管道，要求焊工根據(jù)焊接特性對(duì)焊機(jī)的參數(shù)作調(diào)整和匹配，焊接D 1 068 mm與D 915 mm管道，要采取不同的措施：減少焊接電源、降低焊接速度、縮短電弧長(zhǎng)度，以避免咬邊缺陷。

[1]蘇欣，黃坤，袁宗明，等.長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊現(xiàn)狀[J].焊管，2005，28（4）:3-5.

[2]譚言毅，羅建國(guó)，胡愛(ài)琴.管道建設(shè)中CRC-Evans自動(dòng)焊接設(shè)備簡(jiǎn)介與選用[J].電焊機(jī)，2009，39（5）:156-158.

[3]孫亮，張仕民.長(zhǎng)輸管道自動(dòng)焊施工方法的研究與實(shí)踐[J].電焊機(jī),2007,37（12）:13-16.

[4]靳紅星.印度東西輸工程直徑1 219 mm管道焊接工藝[J].石油工程建設(shè)，2009，35（4）：46-48.

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.03.013

李永輝（1972-），男，遼寧鐵嶺人，工程師，1997年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油加工專業(yè)，現(xiàn)從事裝置管道及長(zhǎng)輸管道施工管理及技術(shù)管理工作。

2011-10-20