高级钢、大口径长输管道全自动焊技术研究

孔令飞

中海油石化工程有限公司 山东济南 250000

《中长期油气管网规划》指出，2020年我国长输管道为16.9万公里，到2025年将提升至24万公里。近年来，随着长输管道建设规模不断扩大，质量事故也随之增多，其中管道焊接缺陷是引发事故的重要诱因，改进焊接方法、提升焊接质量尤为重要。

1 焊接方法选择分析

1.1 半自动焊

20世纪90年代，国内管道焊接开始引进自保护药芯焊丝半自动焊技术(以下简称半自动焊)[1]。与传统焊接方法相比，半自动焊的焊接效率有所提升，且焊道成形效果更好、材料利用率更高。

（1）优点。实践证明，较大管径管子采用半自动焊不仅能够提升工作效率，而且具备根焊效果好、焊接质量稳定、焊丝无需烘烤等优点，与此同时也降低了焊工的劳动强度。

（2）缺点。①该方法无外加气体保护，气体是在施焊过程中产生的。在熔池内产生的气体释放不均匀，导致金属熔滴得不到很好保护，空气中的氮气无法避免接触焊接区域，不仅会对焊道的冲击韧性和延展性产生不良影响，也易造成气孔和裂纹等缺欠的产生。②焊丝配合比和药粉质量均对焊接造成影响。在实际的焊丝生产过程，受药粉特性限制，药粉填充没有理论上均匀，可能造成焊接断续和稳定性差，导致焊缝力学性能产生不良影响。③当高钢级管道采用半自动焊时，焊道的冲击韧性受母材成分、焊丝质量、空气湿度等因素影响，这些因素很难控制。

1.2 全自动焊

全自动焊是在管子相对静止状态下，将相关数据录入焊接设备，通过电弧追踪和数据处理，实现管道焊速、焊丝、电压等相关数据的精准控制。全自动焊技术借助设备，对施工人员要求不高，焊工只起辅助作用。全自动焊能确保热输入量符合工艺规程要求，进而保证焊道的冲击韧性和延展性。

某施工单位对不同钢材供应商和压力管道供应商组合管道的环向焊缝质量进行统计，试验温度为零下10℃，钢管为X80材质，采用全自动焊、进口和国产半自动焊三种技术，统计结果如下图所示：

数据表明，全自动焊优于半自动焊，两种半自动焊技术均未达到合格标准，且离散度大。

1.3 经济性分析

焊接成本由设备、材料和人工薪酬构成。全自动焊每机组每天的费用约为半自动焊的2.7倍，但焊接质量好、工作效率高，费用分摊至每道焊口约相差5%。研究表明，当管道焊接距离不足194.45公里时，半自动焊更为经济；当管道焊接总里程超过194.45公里时，选用全自动焊技术更为合理[2]。

2 对口器选择

大口径、高级钢管道作为大型焊接构件，其组对间隙、错边量、椭圆度等参数直接影响最终的焊接质量，选择合适的对口器十分关键。

2.1 外对口器

管道外对口器自上世纪70年代开始应用，适用于手工焊和半自动焊，其结构简单、成本较低，主要有液压、螺杆和链式三种类型。

外对口器的优势：其一，成本较低、便于携带、使用简单；其二，使用人工操作即可，无需外部能源供应；其三，适用于复杂环境，内对口器无法实用的沼泽、弯头、弯管、陡坡等地段，外对口器都可使用。但外对口器的矫正精度不高，对于管道错边量、组对间隙和椭圆度无法精准控制，且焊工劳动强度高。

2.2 内对口器

内对口器是大口径、高级钢长输管道焊接作业应用较为广泛的设备，主要有气动和液压两种类型。目前，内对口器涨紧力已超过20MPa，可大幅度降低椭圆度误差，减少管道错边量、提升管道的组对精度，确保焊接参数符合焊接工艺要求，且设备操作方便，大幅降低了焊工的工作强度。

内对口器也有一定的局限性：首先，结构较为复杂，不能在水下等恶劣条件进行作业；其次，在管道“死口”、“弯头”、“弯管”、“陡坡”、“沼泽”等地段无法使用；最后，内对口器费用较高，且需要外接能源供应，增加了施工成本。

3 全自动超声波检测

GB50369-2014指出，当采用全自动焊技术时，优先选用全自动超声检测，使用射线检测进行复核。全自动超声波检测和射线检测对缺陷的判定标准存在差异，造成两种判定结果时常会出现矛盾。相比之下，全自动超声检测对线型焊接缺陷检出率更高，尤其在快速检测、缺陷定位、未融合缺陷检出等方面有明显优势，可更好控制全自动焊质量。现阶段中国无损检测资质核准还未覆盖全自动超声技术，也无相关机构对该技术进行认证，所以在标准规范中增加使用射线检测复核全自动超声检测结果的规定。

全自动超声技术的缺欠检出率和灵敏度均优于射线检测，且缺陷定位更为准确，对气孔的检出率虽低于射线检测，可通过体积通道和衍射时差法来修正。

4 结语

高钢级、大口径管道采用半自动焊技术存在焊缝冲击韧性差等问题，且很难避免。采用全自动焊准确控制焊接参数，可有效解决该问题，也可提高施工效率。当焊接总里程达到一定量时，全自动焊的效率效果、成本优势更加明显。通过全自动超声检测替代射线检测，能更加有效控制管道焊接质量。

外对口器只适用于传统手工焊和半自动焊施工，且精度交低。内对口器虽然精度等级更高，但受制于环境和能源供应等限制。在管道焊接过程中，应统筹考虑焊接方法、环境等因素，在长距离、大管径、高壁厚管道焊接过程中，应优先考虑选择内对口器，在“死口”、“弯头”、“弯管”、“陡坡”、“沼泽”等地段，应选择使用外对口器和半自动焊技术作为补充。

现阶段全自动超声检测需使用射线检测复验，相信随着全自动超声技术的逐步推广和认证体系的完善，管道焊缝的全自动超声检测可以完全替代射线检测，管道的全自动焊技术将成为我国高钢级、大口径管道焊接的主要方法[3]。