吳建宏

（四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

我國(guó)的石油、天然氣管道最初使用低碳鋼等材料，管道設(shè)計(jì)壓力、口徑較小，管道輸送效率不高。隨著石油化工科技的發(fā)展，油氣管道得到持續(xù)改良，管道設(shè)計(jì)壓力、口徑越來(lái)越大，需要使用高鋼級(jí)材料，并做好油氣管道的焊接作業(yè)[1]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，油氣管道焊接工藝十分豐富，涵蓋各種手工焊接、半自動(dòng)焊接、全自動(dòng)焊接技術(shù)，焊接工藝的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，各種全自動(dòng)焊接技術(shù)包括焊接機(jī)器人逐漸得到廣泛應(yīng)用，大幅提高了油氣管道焊接效率和質(zhì)量，降低工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。油氣管道焊接工藝的發(fā)展，是一個(gè)循序漸進(jìn)的漫長(zhǎng)過(guò)程，各種焊接工藝技術(shù)都在其中發(fā)揮了積極的作用，了解油氣管道焊接工藝現(xiàn)狀，并對(duì)油氣管道焊接工藝發(fā)展前景進(jìn)行展望分析，對(duì)于油氣管道焊接工藝的健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 油氣管道焊接工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

在油氣管道焊接工作中，焊接作業(yè)及驗(yàn)收需嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范落實(shí)焊接工藝要求，并對(duì)管道焊縫進(jìn)行無(wú)損探傷檢查[2]。油氣管道焊接工藝可以根據(jù)母材是否熔化，是否施加壓力分為熔化焊、壓力焊等類(lèi)別，下文將進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.1 熔化焊工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

熔化焊是油氣管道焊接的主要工藝形式，包括藥皮焊條電弧焊、熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊等，從發(fā)展歷程來(lái)看從焊條電弧焊、半自動(dòng)焊到自動(dòng)焊[3]。焊條電弧焊是油氣管道焊接的常用工藝方法，分為向上立焊和向下立焊兩種，焊條電弧向上立焊的焊接電弧由下向上移動(dòng)，采用高纖維素焊條、低氫型焊條，管口組對(duì)間隙大，采用熄弧操作法完成焊接，焊層厚度較大；向下立焊的焊接電弧向下移動(dòng)，使用焊條同向上立焊，但焊層厚度較薄，管口組對(duì)間隙小，使用大電流、多層、快速焊接方法，技術(shù)簡(jiǎn)單易掌握，焊接效率更高[4]。

半自動(dòng)焊借助設(shè)備輔助手工焊接，焊接設(shè)備只負(fù)責(zé)填充金屬，由焊工控制焊接操作和速度，常用的半自動(dòng)焊焊接工藝包括自保護(hù)藥芯焊絲向下立焊等方法[5]。自動(dòng)焊是完全依賴設(shè)備進(jìn)行焊接作業(yè)，需要使用自動(dòng)化焊接設(shè)備對(duì)焊接作業(yè)進(jìn)行全過(guò)程控制，焊工起到引導(dǎo)作用。隨著油氣管道鋼管強(qiáng)度等級(jí)、管徑、壁厚提升，自動(dòng)焊工藝得到愈加廣泛的應(yīng)用，常見(jiàn)的有實(shí)心焊絲氣體保護(hù)自動(dòng)焊、藥芯焊絲自動(dòng)焊等。其中，前者是常見(jiàn)的熔化極氣體保護(hù)焊工藝，采用表面張力熔滴過(guò)渡控制焊縫熔深，避免出現(xiàn)未熔合等焊接質(zhì)量缺陷；后者使用藥芯焊絲，原理和前者相似。

自動(dòng)焊工藝的發(fā)展，關(guān)鍵在于自動(dòng)焊設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)焊技術(shù)和自動(dòng)焊設(shè)備得到十分廣泛的應(yīng)用，投入大量資金和精力研發(fā)全自動(dòng)化焊接設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的自動(dòng)焊工藝及配套設(shè)備在油氣管道工程中已經(jīng)得到普及應(yīng)用，有的設(shè)備采用自動(dòng)焊內(nèi)焊帶、外部單焊柜的模式，用多個(gè)焊接機(jī)頭在內(nèi)部完成根焊，由單焊柜完成其余焊道的焊接作業(yè)[6]。

1.2 壓力焊工藝的發(fā)展現(xiàn)狀

壓力焊是對(duì)焊件施加一定壓力，使接合面緊密接觸產(chǎn)生塑性變形而完成焊接。閃光對(duì)焊是一種較為常見(jiàn)的壓力焊方法，利用低電壓、強(qiáng)交流電作用熔化管端，借助外加壓力使熔化管端形成連接接頭，需要使用閃光對(duì)接焊機(jī)、焊縫清理機(jī)、移動(dòng)電站等設(shè)備組成的機(jī)組，適用于油氣管道現(xiàn)場(chǎng)和基地施工[7]。爆炸焊利用炸藥爆炸的沖擊力實(shí)現(xiàn)焊接，應(yīng)用于油氣管道焊接時(shí)需在外面加管套，該工藝使用設(shè)備少、方便現(xiàn)場(chǎng)焊接，但難以選擇適合方法對(duì)接頭缺陷進(jìn)行檢測(cè)，且存在安全和噪聲等問(wèn)題，應(yīng)用越來(lái)越少。

壓力焊的工藝形式眾多，除上述工藝方法外，還有摩擦焊、冷壓焊、超聲波焊等形式。對(duì)于大直徑的油氣管道來(lái)說(shuō)，需要確定合適的焊接工藝參數(shù)，并對(duì)焊接缺陷特征、形成機(jī)理、檢測(cè)方法等有成熟的研究，開(kāi)發(fā)適合的焊接材料。

1.3 油氣管道焊接新工藝

隨著焊接工藝技術(shù)的發(fā)展成熟，越來(lái)越多新的焊接工藝在油氣管道工程中得到應(yīng)用。目前，具有廣闊發(fā)展前景的主要有高能束焊和摩擦焊工藝。

高能束焊在油氣管道工程中的應(yīng)用主要有電子束焊和激光焊兩種。電子束焊利用加速和聚焦的電子束轟擊焊接面實(shí)現(xiàn)焊工件的熔化焊接，因其不使用焊條、熱變形量小、抗氧化能力強(qiáng)和工藝重復(fù)性好等優(yōu)勢(shì)，在油氣管道和航空航天、國(guó)防軍工等眾多高精尖領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[8]。電子束焊在油氣管道工程中的應(yīng)用，可以在大直徑、厚壁化管道焊接中保持高質(zhì)量、快速度的特點(diǎn)，但在如何獲得高功率密度、高真空度和防控X射線等方面仍需要繼續(xù)深入研究。激光焊借助聚焦的激光束轟擊焊件完成焊接，由于激光的折射、聚焦等光學(xué)性質(zhì)，適用于可達(dá)性差的部位焊接，且具有焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)在于設(shè)備價(jià)格昂貴且電光轉(zhuǎn)換效率不高。近年來(lái)，光纖激光器得到高速發(fā)展，具有使用壽命長(zhǎng)、效率高、體積小和光纖傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，使激光焊在油氣管道工程的廣泛應(yīng)用具備可行性。目前，單獨(dú)的激光焊焊縫沖擊應(yīng)力低且焊接速度較慢，可以研究激光-電弧等復(fù)合焊技術(shù)，利用激光焊替代內(nèi)焊機(jī)單獨(dú)打底焊，利用電弧焊進(jìn)行填充焊，簡(jiǎn)化焊接程序，提高焊接速度和質(zhì)量。

摩擦焊在油氣管道工程中的應(yīng)用主要是徑向和攪拌摩擦焊工藝。其中徑向摩擦焊起源于特種連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊，隨著油氣管道鋪設(shè)越接越長(zhǎng)，常規(guī)的軸向摩擦焊機(jī)難以滿足軸向加壓頂鍛要求，可以采用徑向連續(xù)環(huán)旋轉(zhuǎn)的摩擦焊工藝，該工藝具有連接效率高、可重復(fù)性好、焊縫成形質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，適用于常規(guī)手段難以連接的焊接作業(yè)。攪拌摩擦焊利用高速旋轉(zhuǎn)焊具與工件摩擦使焊材局部熔化，在焊具擠壓下形成固相焊縫，適用于輕金屬的焊接。攪拌摩擦焊的優(yōu)勢(shì)在于接頭性能好、焊接環(huán)境好，但對(duì)于高熔點(diǎn)高強(qiáng)度材料焊接難度較大[9]。為此，近年來(lái)對(duì)攪拌頭的研究成為熱點(diǎn)，攪拌頭的成功設(shè)計(jì)有助于應(yīng)用在高熔點(diǎn)高強(qiáng)度材料和更大厚度的焊接作業(yè)，目前已研發(fā)出適用于油氣管道全位置焊接的攪拌頭。但仍需要繼續(xù)加大在攪拌頭設(shè)計(jì)制造等方面的投入力度，并對(duì)攪拌摩擦焊的攪拌頭與夾持機(jī)構(gòu)整體環(huán)向運(yùn)動(dòng)、加壓焊接等工藝進(jìn)行研究改進(jìn)，進(jìn)一步提升攪拌摩擦焊的適用性，使攪拌摩擦焊在油氣管道工程中逐漸得到廣泛應(yīng)用。

2 油氣管道焊接工藝的發(fā)展前景

油氣管道焊接工藝的發(fā)展，并非單純焊接技術(shù)的成熟與進(jìn)步，而依賴于焊接設(shè)備、工藝流程、檢測(cè)方法等相關(guān)方面的共同發(fā)展，構(gòu)建一個(gè)更加科學(xué)、先進(jìn)的焊接技術(shù)體系，才能拓寬焊接技術(shù)在油氣管道工程的應(yīng)用空間，全面提升油氣管道焊接質(zhì)量與效率。

2.1 油氣管道焊接工藝的發(fā)展思路

首先，油氣管道焊接技術(shù)應(yīng)形成一個(gè)完善的技術(shù)體系，著重發(fā)展激光焊、電子束焊、徑向摩擦焊等焊接技術(shù)，尤其要提高自動(dòng)焊技術(shù)的占比，不斷提升焊接工藝的自動(dòng)化、智能化水平[10]。這要求科研院所等研究機(jī)構(gòu)加大焊接工藝方面的研發(fā)力度，重點(diǎn)研究解決制約激光焊等焊接技術(shù)應(yīng)用的難題，并致力于構(gòu)建統(tǒng)一化的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相關(guān)部門(mén)應(yīng)建立油氣管道焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，以書(shū)面文件形式明確焊接工藝的技術(shù)要求，為焊接技術(shù)應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

其次，油氣管道焊接工藝發(fā)展需要重視焊接設(shè)備方面的研發(fā)與應(yīng)用。焊接設(shè)備對(duì)提高油氣管道焊接自動(dòng)化程度具有關(guān)鍵性作用，影響焊接工藝的適用性和可行性[11]。應(yīng)加大設(shè)備研發(fā)方面的投入，持續(xù)改進(jìn)各種自動(dòng)焊設(shè)備，使自主研發(fā)的焊接設(shè)備早日達(dá)到世界領(lǐng)先水平，形成以國(guó)產(chǎn)化設(shè)備為主、國(guó)外設(shè)備為輔的有利局面。同時(shí)，應(yīng)研發(fā)更加先進(jìn)的焊接材料，比如攪拌摩擦焊的攪拌頭，通過(guò)提升焊接材料質(zhì)量來(lái)增強(qiáng)焊接材料與焊接設(shè)備的適配性，保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

再次，油氣管道焊接工藝發(fā)展需要構(gòu)建科學(xué)、有序的工藝流程。油氣管道焊接作業(yè)是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅要考慮焊接工藝的科學(xué)與否，還要關(guān)注油氣管道工程的實(shí)際情況，需要形成更為有效的管道焊接施工組織方法和工藝流程。焊接工藝流程不僅涵蓋焊接作業(yè)的各個(gè)工序環(huán)節(jié)，還要銜接焊接前后的相關(guān)工作，合理準(zhǔn)備備用設(shè)備和備件，加強(qiáng)工序協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，使焊接、無(wú)損檢測(cè)等工作順暢、高效，提升焊接工藝對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。

最后，油氣管道焊接工藝發(fā)展需要探索質(zhì)量檢測(cè)新方法。油氣管道焊接質(zhì)量檢測(cè)主要應(yīng)用超聲、滲透等無(wú)損檢測(cè)方法，應(yīng)進(jìn)一步研究其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在油氣管道焊接檢測(cè)中的應(yīng)用，并著重研究自動(dòng)焊質(zhì)量檢測(cè)與評(píng)判的方法，探討各種無(wú)損檢測(cè)方法在自動(dòng)焊檢測(cè)中應(yīng)用的可行性，使無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以適應(yīng)油氣管道焊接工藝發(fā)展的要求，提升各種質(zhì)量檢測(cè)方法的適應(yīng)能力和質(zhì)量、效率。

2.2 油氣管道焊接工藝的前景展望

目前，國(guó)外已經(jīng)有企業(yè)研制出集成激光視覺(jué)焊接和檢測(cè)技術(shù)的管道自動(dòng)焊接系統(tǒng)，由坡口視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備、根焊道視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備、視覺(jué)清渣設(shè)備、視覺(jué)外焊機(jī)等組件構(gòu)成，采用激光視覺(jué)技術(shù)，提高了管道自動(dòng)焊接的質(zhì)量與效率。管道焊接機(jī)器人是眾多領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)的集合體，可以高精度移動(dòng)焊槍完成焊接作業(yè)，對(duì)焊接作業(yè)全過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)最佳的焊接參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，焊接性能穩(wěn)定，焊接作業(yè)效率高，自動(dòng)化程度高，可以避免人為因素的干擾，將逐漸成為油氣管道焊接施工的主要方式[12]。目前管道焊接機(jī)器人正在向智能化階段發(fā)展，通過(guò)集成多種傳感器提高對(duì)復(fù)雜環(huán)境變化的適應(yīng)能力，借助智能化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)規(guī)劃決策，采集管端坡口尺寸等參數(shù)信息并自主匹配焊接策略和工藝參數(shù)，可以獨(dú)立完成復(fù)雜的焊接任務(wù)，并具備故障診斷、質(zhì)量監(jiān)控等功能。管道焊接機(jī)器人可以分為管道內(nèi)焊接與外焊接機(jī)器人，管道內(nèi)焊接機(jī)器人負(fù)責(zé)打底焊接，需要根據(jù)不同管徑匹配適用的焊接機(jī)器人，這會(huì)造成資源的浪費(fèi)，未來(lái)需要研究如何突破管徑定型等因素制約，研究跨管徑的內(nèi)焊接機(jī)器人；由外焊接機(jī)器人負(fù)責(zé)熱焊、蓋面焊接等規(guī)模性流水作業(yè)，需要具備和人近似的感知能力，并能對(duì)焊接機(jī)器人的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)高精度控制，可以根據(jù)空間環(huán)境和位置不同調(diào)整焊接速度、電流等參數(shù)，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境下的焊接作業(yè)。

當(dāng)前較為熱門(mén)的管道焊接機(jī)器人主要是應(yīng)用多焊炬、激光-電弧復(fù)合焊、串聯(lián)雙絲焊、攪拌摩擦焊等技術(shù)。多焊炬管道焊接機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)焊接控制，驅(qū)動(dòng)多個(gè)焊炬同時(shí)作業(yè)，焊接部分采用彈性轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)，焊接操作配備多點(diǎn)焊縫跟蹤系統(tǒng)，適用于油氣管道鋪設(shè)。該類(lèi)型焊接機(jī)器人的多焊炬運(yùn)動(dòng)控制是研究重點(diǎn)，需要實(shí)現(xiàn)高度集成運(yùn)動(dòng)控制與焊縫自動(dòng)跟蹤等功能的高度融合。激光-電弧復(fù)合焊機(jī)器人兼具激光焊與電弧焊的優(yōu)點(diǎn)，可以解決電弧焊熔深不足、激光焊適應(yīng)能力不強(qiáng)等問(wèn)題，在油氣管道工程中的應(yīng)用空間很大。串聯(lián)雙絲焊是十分成熟的焊接工藝，雙絲管道焊接機(jī)器人的兩根焊絲供電、參數(shù)獨(dú)立，可以降低相互干擾，兩根焊絲互為加熱，焊縫成形美觀，與單絲焊接相比焊接質(zhì)量和速度有顯著提升。攪拌摩擦焊機(jī)器人具有操作簡(jiǎn)單、能量效率高、無(wú)弧光輻射等優(yōu)勢(shì)，技術(shù)突破重點(diǎn)在于攪拌頭的研制，此處不再贅述。

2.3 油氣管道焊接工藝的突破途徑

在油氣管道自動(dòng)焊接工藝的應(yīng)用過(guò)程中，以焊接機(jī)器人為代表的自動(dòng)焊技術(shù)應(yīng)用仍面臨一些難題需要解決，主要表現(xiàn)在焊接運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、焊縫跟蹤、焊接質(zhì)量檢測(cè)與預(yù)防和自動(dòng)焊適應(yīng)能力等方面。因此，油氣管道焊接工藝的發(fā)展，應(yīng)著重從這幾個(gè)方面著手，提升自動(dòng)焊在油氣管道工程的應(yīng)用能力。

自動(dòng)焊需要具備焊接運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃能力。油氣管道鋪設(shè)施工環(huán)境復(fù)雜多變，要面臨各種特殊環(huán)境的考驗(yàn)，作業(yè)環(huán)境惡劣，對(duì)焊接設(shè)備的穩(wěn)定性、適應(yīng)性提出了很高的要求。自動(dòng)焊在管道現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，可能因外界溫度變化、裝配不當(dāng)?shù)仍蚨a(chǎn)生擠壓變形的情況，焊工可以根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整焊接工藝，而自動(dòng)焊需要按照設(shè)定好的程序焊接，容易出現(xiàn)對(duì)口間隙不一致等偏差，影響焊接質(zhì)量。同時(shí)，自動(dòng)焊對(duì)焊縫的跟蹤能力也提出很高的要求，而焊縫視覺(jué)跟蹤必然增加設(shè)備體積和重量，電弧跟蹤經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯但容易受磁場(chǎng)變化等多重因素干擾，單純依靠視覺(jué)或電弧跟蹤難以取得理想的效果。

為此，應(yīng)對(duì)焊接機(jī)器人通過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)進(jìn)行訓(xùn)練，提高自動(dòng)焊接的智能化水平，有能力根據(jù)外部環(huán)境變化調(diào)整焊接參數(shù)，修正焊接軌跡，縮小自動(dòng)焊與焊工在經(jīng)驗(yàn)、適應(yīng)能力等方面的差距。應(yīng)研究如何運(yùn)用視覺(jué)、觸覺(jué)傳感器對(duì)坡口、焊縫進(jìn)行掃描，精準(zhǔn)提取坡口尺寸、焊縫特征點(diǎn)等信息，通過(guò)運(yùn)算分析獲取焊接路徑點(diǎn)，確定各點(diǎn)位置坐標(biāo)和焊槍姿態(tài)、運(yùn)動(dòng)路徑等規(guī)劃方案，消除管道變形、工況不確定性的不利影響。這需要研究更加輕便、高精度的傳感設(shè)備，開(kāi)發(fā)多種自適應(yīng)PID控制方法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能跟蹤、控制方法。此外，自動(dòng)焊需要具備一定的焊接質(zhì)量檢測(cè)與缺陷預(yù)防、排除能力。以焊接機(jī)器人為例，應(yīng)研發(fā)運(yùn)用傳感器采集的電流、光譜、溫度、聲音等信號(hào)進(jìn)行焊接質(zhì)量檢測(cè)的技術(shù)，比如利用光譜信號(hào)檢測(cè)熔滴過(guò)渡，利用電弧信號(hào)監(jiān)測(cè)焊接缺陷。可以依托焊接專(zhuān)家系統(tǒng)，對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)診斷，提高自動(dòng)焊接工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障處理能力。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著油氣管道工程的不斷發(fā)展，管道口徑、壁厚、壓力增大帶來(lái)更大的運(yùn)輸能力，也對(duì)管道焊接工藝提出了更高的要求。手工焊接、半自動(dòng)焊接等傳統(tǒng)方式受人為因素影響大，焊接速度有限，一次焊接合格率不高，且焊工勞動(dòng)強(qiáng)度大，無(wú)法滿足油氣管道工程發(fā)展的需求。自動(dòng)焊技術(shù)是油氣管道焊接工藝發(fā)展的主流趨勢(shì)，電子束焊等一系列先進(jìn)的焊接技術(shù)將擁有更廣闊的發(fā)展和應(yīng)用空間，而自動(dòng)焊工藝的發(fā)展需要加大研發(fā)投入，加快推動(dòng)焊接設(shè)備與焊接系統(tǒng)等方面的進(jìn)步。