长输管道自动焊施工资源配置及经济性分析
2021-09-10孙亮
摘要：长输管道自动焊具有焊接质量好、效率高和劳动强度低等多种优势，较好地解决了高等级钢焊接质量和管道运行安全问题。但对于管道施工单位而言，使用管道自动焊技术和工艺，人员、设备等资源投入巨大，施工成本显著增加，而多数管道施工单位自动焊实际施工效率远低于其理论施工效率，致使施工单位出现投入大、产出少的状况，影响管道自动焊技术的推广和使用。针对上述状况，对自动焊施工资源配置、技术工艺、施工管理和经济方面进行分析，以期找到降低自动焊施工成本的方法和途径，获得合理的施工利润，提高施工单位的市场竞争能力，更好地推动管道自动焊技术和工艺的应用，促进管道自动焊的可持续发展。
关键词：长输管道;自动焊;资源配置;经济分析
中图分类号：TG457.6 文献标志码：A 文章编号：1001-2003（2021）04-0095-06
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.04.19
0 前言
国家管网集团于2019年12月成立后[1]，在长输管道项目施工标准《油气管道工程线路焊接技术要求规定》 （DEC-NGP-G-WD-002-2020-1）和招标文件中明确提出：X70 及以上钢级管道焊接应采用自动焊，这既是源于管道质量安全的考虑[2-4]，也是管道行业向数字化智能化转变的需要[5-6]。对于X70及以上级别管道钢，传统的手工焊、自保护药芯半自动焊工艺已难以满足焊接质量的要求，特别是长输管道施工中常用的自保护药芯半自动焊工艺，存在焊缝金属低温冲击韧性离散性大，部分不能满足要求的问题[7-8];而管道自动焊接技术可保证环焊缝焊接接头的强度、韧性等综合性能优良，且可显著降低劳动强度，提高管道运行可靠性[9-11]。近些年，管道自动焊工艺已成功应用于中俄东线、漠大管道、鄂安沧管道项目建设[12-14]，促进了国内管道项目业主单位推进自动焊应用的积极性，但对于大多數管道施工单位来说，自动焊机组人力和设备资源投入巨大，施工成本成倍增加，而单位自动焊实际施工效率远低于理论施工效率，存在投入大、产出少的问题。为此文中对长输管道自动焊施工资源配置及经济性进行分析研究，以期降低自动焊施工成本，推进管道自动焊技术和工艺的应用，促进管道自动焊的可持续发展。
1 常用管道自动焊工艺
目前国内常用的管道自动焊工艺多种多样，配置的设备、坡口形式、焊接参数、焊材也各不相同。常用的管道自动焊工艺大体可归纳为三类：第一类是管内自动根焊+外部自动填充盖面焊工艺;第二类是半自动根焊+自动填充盖面焊工艺;第三类是内部铜衬垫支撑+外部自动焊工艺[15-18]。
1.1 管内自动根焊+外部填充盖面焊工艺
该类工艺采用管口组对和内部根焊一体机，在管道内部进行内根焊，典型设备有CRC内焊机、Noreast内焊机、熊谷内焊机和管道局CPP900等;外部填充、盖面焊可采用单枪外焊机或双枪外焊机，典型设备有CRC的P260、M300、P600和P625型外焊机，熊谷的A300、A610型外焊机，管道局CPP900-W1型外焊机等，典型焊接坡口形式如图1所示。管道内焊机爬坡能力小于15°，该工艺适用于地势平坦、起伏不大的区域施工。
1.2 半自动根焊+自动填充盖面焊工艺
该工艺采用半自动熔化极气体保护焊进行根焊，如STT根焊、RMD根焊等，为提高地形、地势和环境的适应性，外焊多数采用单枪外焊机，典型坡口形式如图2所示。该工艺适用范围较为广泛，既可用于主线路焊接，也可用于穿越段、山区段和连头段焊接，适应性较强。
1.3 内部铜衬垫支撑+外部自动焊工艺
该工艺采用铜衬垫内对口器支撑管道环焊缝，外焊机从管道外部进行根焊、填充焊和盖面焊。典型设备有法国Serimax Saturnax05系列外焊机，典型坡口形式如图3所示。该工艺根焊速度慢于管内根焊，快于半自动根焊，由于有铜衬垫支撑，根焊缝成形容易，窄间隙坡口设计，焊接效率较高，适用范围相对广泛。
2 施工资源配置
因自动焊工艺、地形、地势的不同，国内管道自动焊机组人员、设备等施工资源配置数量有所差异。结合上述三类常用管道自动焊工艺特点以及工程施工经验，制定出管道自动焊作业标准化机组和特殊地段机组的配置标准，以更好地进行经济性分析[19]。通过施工资源的优化，探索降低自动焊施工成本的路径和方法。
2.1 标准化机组施工资源配置
2.1.1 标准化机组设备配置
标准化机组适用于地形平坦、坡度小于 15° 地区，开展流水化施工作业;设备配置采用“ 1站根焊机+N站外焊机 ”模式，此次按N=5考虑，设备配置如表 1所示。
2.1.2 标准化机组人员配置
结合上述标准化机组设备配置情况，以及管道自动焊施工要求，标准化机组人员配置情况如表2所示。
2.1.3 标准化机组施工成本情况
管道安装工程费由人工费、材料费、设备机具使用费、企业管理费、利润、规费和税金组成[20]，对施工单位来说，管道自动焊机组施工成本（C）中人工费和设备机具使用费占主要部分，材料费、企业管理费、利润、规费和税金等占次要部分，次要部分设为M，为了经济分析方便，管道自动焊机组施工成本费用公式可简化为：
C=设备机具使用费+人工费+M （1）
如果是自购设备，设备折旧年限按10年计算，设备残值率按5%考虑，结合表1、表2数据，则标准化机组每月施工成本C1（单位：万元）为：
C1=27.29+42.25+M1=69.54+M1
如果是租赁设备，结合表1、表2数据，按式（1）计算，则标准化机组每月施工成本C2（单位：万元）为：
C2=168.52+42.25+M2=210.77+M2
2.2 特殊地段机组施工资源配置
2.2.1 特殊地段机组设备配置
特殊地段机组适用于连头、三穿和特殊地形施工;设备配置采用“ 根焊外焊+X 套单枪外焊机 ”模式，此次按 X=2考虑，如表3所示。
2.2.2 特殊地段机组人员配置
结合上述特殊地段机组设备配置情况，以及管道自动焊施工要求，特殊地段机组人员配置情况如表4所示。
2.2.3 特殊地段机组施工成本情况
特殊地段机组施工成本情况可使用式（1）进行计算。
如果是自购设备，设备折旧年限按10年计算，设备残值按5%考虑，结合表3、表4数据，则特殊地段机组每月施工成本C3（单位：万元）为：
C3=9.31+19.30+M3=28.61+M3
如果是租赁设备，结合表3、表4数据，则特殊地段机组每月施工成本C4（单位：万元）为：
C4=56.26+19.30+M4=75.56+M4
3 自动焊施工成本经济性分析
3.1 构建成本分析模型
根据管道施工实践，一般一个标准化机组需要配置二个特殊地段机组进行管道焊接。参照各管道施工单位线路施工定额，管径1 219 mm管道焊接施工定额一般为每公里50万元～65万元，本次分析取定额平均值57.5万元。管道自动焊机组施工成本（C）中，材料费、企业管理费、利润、规费和税金，即为式（1）中的M，约占人工费和机械费用的35%～45%，本次分析取平均值40%。则管道施工成本费用变为：
C=1.4×（设备机具使用费+人工费） （2）
3.2 自购设备施工成本分析
如果自動焊设备为企业通过购置方式配置，根据式（1）、式（2），一个标准化机组和二个特殊地段机组每月的施工成本C自（单位：万元）为
C自=C1+2C3
=1.4×69.54+2×1.4×28.61
=177.47
每公里管道焊接施工定额取57.5万元，则每月应该焊接的管道长度L自为
L自= C自/57.5=3.09 km
长输管道每公里焊口约为88道口，则每天完成的焊口数A自为
A自= （L自×88）/30≈9道口
由以上计算、分析可知，管道施工单位使用全自动焊工艺焊接管径1 219 mm管道，投入一个标准化机组和二个特殊地段机组，设备为自购，平均每天至少需要完成9道口，每月至少焊接3.09 km管道才可以保证盈亏平衡或获得盈利。
3.3 租赁设备施工成本分析
如果自动焊设备为施工单位通过租赁方式配置，根据式（1）、式（2），一个标准化机组和二个特殊地段机组每月的施工成本C租（单位：万元）情况为
C租=C2+2×C4
=1.4×210.77+2×1.4×75.56
=506.65
每公里管道焊接施工定额取57.5万元，则每月应该焊接的管道长度L租为
L租= C租/57.5=8.81 km
长输管道每公里焊口约为88道口，则每天完成的焊口数A租为
A租= （L租×88）/30≈26道口
由以上计算、分析可知，管道施工单位使用全自动焊工艺焊接管径1 219 mm管道，投入一个标准化机组和二个特殊地段机组，设备为租赁，平均每天至少需要完成26道口，每月至少焊接8.81 km管道才可保证盈亏平衡或获得盈利。
4 自动焊施工成本降低措施
根据中俄东线北段数据统计，管径1 219 mm管道自动焊施工，各管道施工单位一个自动焊机组每日焊接焊口平均为8道，每月完成焊口量为240道;长输管道每公里焊口约为88道，每月完成管道长度2.73 km。如果按上述第2部分自动焊施工资源配置和投入，以及第3部分施工成本经济分析情况，管道施工单位使用自动焊工艺多数会出现亏损，难以获得合理利润，如果该情况持续下去会影响管道施工单位使用自动焊的积极性，从而影响自动焊技术和工艺的推广。为了促进管道自动焊技术和工艺在管道项目上的持续应用，建议从以下几方面采取措施：
（1）提高管道自动焊施工效率。组建坚强有力的自动焊机组，对人员、设备、技术和工艺进行全面磨合，只有自动焊机组熟练掌握自动焊各项技能，才能稳步提高自动焊施工效率。
（2）优化施工资源配置。可根据管道项目的地形、地势和环境特点，对人员、设备等资源进行动态调整和优化，减少施工资源投入数量和时间，有效降低施工成本。
（3）选用成熟的自动焊设备和工艺。成熟的自动焊设备和工艺将缩短焊工培训和机组磨合时间，是提高焊接效率和合格率的保证。
（4）建立维修保障体系。自动焊机组设备配置众多，如果关键设备出现故障或损坏，将会导致整个机组停待，损失较大，随机组建立维修站，配置专业维修人员十分必要，可避免由于设备故障而引起的施工停待。
（5）提高施工管理水平。管理、协调好各类施工要素，保障施工工序紧密衔接;激发管理、技术和操作人员的积极性和主动性，打造执行力强的自动焊机组。
（6）统筹施工资源调配。自动焊机组多数为专用设备，如内焊机、外焊机、坡口机、吊管机等，如果管道市场项目不连续，会造成专用设备的阶段性停待，增加施工企业负担;做好施工资源统筹调配工作，则会盘活闲置设备，降低施工单位运营成本。
5 结论
（1）国家管网公司已在管道施工标准和招标文件中明确要求X70及以上钢级管道应采用自动焊工艺，掌握管道自动焊技术和工艺已成为进入国家管网项目市场的必备条件，将极大推动管道自动焊在长输管道项目中的应用。
（2）管道施工单位不仅要掌握管道自动焊技术和工艺，还要尽量降低自动焊施工成本支出，获得合理施工利润，以确保管道自动焊在项目中持续应用。
（3）管道施工单位需选用适合的自动焊工艺，配置合理施工资源，加强现场管理，不断进行经济性对比和分析，力争以较小的施工资源投入获得较大的产出。
（4）长输管道施工由半自动焊技术向全自动焊技术的转型发展已势不可挡，技术替代加速推进，管道施工单位需不断提高自动焊技术和工艺应用水平，降低自动焊施工成本，以提高在管道市场的竞争力。
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收稿日期：2020-10-15
作者简介：孙 亮（1976—），男，硕士，高级工程师，主要从事石油工程建设项目的技术管理与研究。E-mail：hbyjsl@163.com。
