海外大中型光热电站管道焊接方法选择探讨

周建美

中国电建集团江西省电力建设有限公司 江西南昌 330001

1 序言

近年来，我国施工企业在海外工程履约过程中，因工期延误而遭受巨额赔偿的事件时有发生，每延误一天工期就会被处以10～20万美元的罚款。有报道显示，个别项目因工期延误而被处以10亿美元罚款。

中国电建集团江西省电力建设有限公司于2019年下半年承接了海外某大型光热电站工程管道施工任务，该工程开工初期便遭遇新冠疫情，人员、设备进场困难，工程存在较大的工期延误处罚风险。根据施工合同的规定，关键工期节点每延误1天，承建方应支付违约金4万余元人民币。该工程焊接工作量大、质量要求高，焊缝要求100%无损检测，焊接作业将是制约整个工期的关键环节。为了满足工期需要，焊接技术人员对200MW槽式光热电站项目导热油区、熔盐区导热油管道，以及熔盐管道的焊接方法选用进行了分析、探讨，通过海外某光热发电站的现场实践，取得了较为显著的效果，可为同类项目提供借鉴与参考。

2 槽式光热电站焊接工程量简介

海外某200MW槽式光热电站项目导热油区、熔盐区管道材质为SA106 Gr.B，规格主要有DN1600×31.75mm，DN1400×31.75mm，DN1300×31.75mm，DN1100×23.83mm/30.18mm，DN1000×20.62mm/28.58mm等，总焊接当量约为19万DI左右。

焊接当量修正系数＝[（厚度－8）/2.0]×0.1+1

焊接当量DI＝管道外径（单位为英寸）×焊接当量修正系数（当焊接当量修正系数＜1.0时，按1.0考虑纳入计算公式）[1]。

3 海外光热电站工程焊接、检测特点

（1）焊接工作量大 光热电站管道与同等容量的火电机组相比，一般压力、温度低，多为大口径、厚壁管道，焊接工作量多集中在镜场区、导热油区、熔盐区等，主要包括大管径高压导热油管道、熔盐不锈钢管道，以及附属其他管道等焊接工作[2]。

（2）无损检测工作量大、效率相对低 光热电站附属管道、导热油管道、熔盐管道等必须做100%射线检测（现场常采用伽马射线检测），为了提高工作效率，经多次协调，业主同意增加PAUT检测。根据合同规定，项目现场应由业主方认可的当地第三方检验检测机构进行管道焊缝的无损检测，并由当地第三方检验检测机构出具检测合格报告后，闭口前需经总包方和业主方审核并签字确认所有报告。由于要经过三方全程审核，各方对焊接缺欠的判定标准掌握有一定偏差，在对各水压试验文件包进行检查时，对焊接缺欠争议的判定需要耗费大量的时间，为了加快意见的统一，对存在争议缺欠的焊接接头采用了多种检测方法，增加了无损检测的工作量。

（3）焊接质量要求高 光热电站的管道介质大多为导热油和熔盐，属于特种介质管道，一旦发生渗漏，容易引起火灾、爆炸，对环境造成污染，危害非常大，因此对焊接质量要求很高。

（4）焊接前期技术准备时间长 光热项目开工前，需要编写ITP和施工方案。由于施工方案的编写理念和方法在国内外存在一定的差异，所以要想通过业主工程师的认可，一般要经过2～3轮的修改，往往一个方案审批下来需要2个月甚至更长的时间。

（5）管道焊接工艺评定（WPQ）与焊接人员现场认证 所有现场使用的焊接工艺评定，均需在现场并由焊接检测工程师见证完成，本项目所有管道焊缝的焊接均应进行WPS确认、安装对口、焊接作业、无损检测及力学性能检测等工作，合格后方可进行焊接。所有焊工进场作业前，均需经过现场焊接检测工程师的见证考试并测试合格，合格证书颁发后方可参加工程焊接[3]。

（6）焊接环境恶劣 光热电站大多布置在沙漠地带，施工现场环境温度高、风沙大、光照强，焊工的户外作业劳动强度大。

4 焊接方法选择与实际应用效果对比

4.1 焊条电弧焊

焊条电弧焊涉及的设备与材料有交直流焊机、电焊钳、焊接皮线、焊条及母材焊件等。根据焊接操作顺序的不同分为上向、下向焊接技术两类。根据采用的焊条药皮化学成分不同，分为纤维素型焊条、氧化钛药皮焊条、低氢碱性焊条等三大类。

在光热电站的管道安装焊接施工中，一般使用下向焊接工艺，它是指在管道水平固定的情况下，在管道上顶部引弧，自上而下进行全位置焊接，焊接部位的焊接先后顺序为平焊、立平焊、立焊、仰立焊及仰焊。这种焊接方法一般采用的是纤维素型下向焊焊条，要求管道加工时采用大钝边、小间隙、小坡口夹角，相对于上向焊技术，焊接速度快，焊缝成形较好，也可以节约部分焊接材料，因此，广泛应用于海内外光热电站的管道焊接工程中。但下向焊接技术也存在一些问题，即焊条的熔敷金属扩散氢含量较高，在施焊前及施工过程中应严格控制好预热温度和层间温度，从而减少冷裂纹的产生[4]。

4.2 自动焊

大口径长输管道自动焊接技术一般分为两大类：管道固定位置自动焊接、管道全位置自动焊接。管道固定位置自动焊接指的是焊机位置固定不动，管道沿着周向360°旋转，实现管道自动焊接，多用于工厂化预制。管道全位置自动焊接指的是管道相对固定，焊机带动焊枪围绕管壁运动，实现自动焊接，多用于工程项目的现场组合、安装。

管道全位置自动焊接装置有集成式、分体式两类，自动焊接设备主要由焊机、自动控制系统、送丝机构、坡口机及行走轨道等组成，焊接装置分为内、外焊机。根据送丝方式的不同分为：拉丝和推丝两种。

1）采用拉丝方式时，送丝机和焊丝盘安装在焊接小车上，焊接小车的重量增加，人工安装和拆卸的难度加大，易造成焊接小车行走不顺畅。送丝过程中，由于送丝机距焊枪较近，焊丝离开送丝机后所受的阻力小，因此送丝过程平稳。采用φ0.8mm或φ1.0mm的小盘焊丝时（焊丝重约为5kg），焊接小车的总重量减轻，焊接过程更容易控制，但由于一次装载的焊丝少，因此焊接效率略有降低。

2）采用推丝方式时，送丝机构安装在焊接小车外，焊接小车总的体积减小、重量减轻，因此安装相对简单。推丝时，由于送丝机距焊枪较远，送丝机与焊枪之间配置送丝软管相连接，因此会导致焊丝在推向焊枪嘴过程中受到的摩擦阻力增大。此外，送丝软管在焊接过程中的弯曲度也会影响送丝的平顺性，可能造成送丝不畅。推丝时，一般采用大功率的送丝机和φ1.2mm的大盘焊丝（重量约为20kg），与拉丝方式相比，焊接效率大为提高。

管道全位置自动焊接工艺有三个重要参数：焊接小车的行进速度、送丝速度和焊枪的左右摆动频率。参数的合理与匹配性对焊接质量有重大影响，且参数的调节相互关联。因此，在正式开始管道焊接前，需经过一段时间的摸索、调整，才能做到相互匹配性。基于此，先建立一个工艺参数的三维坐标体系，时间作为自变量，焊接电流、电弧电压作为边界条件，3个工艺参数作为因变量，得出三维空间坐标方程的逻辑关系，以此获得焊接小车行进速度、送丝速度、焊枪的左右摆动频率。在施焊过程中，还应根据现场遇见的实际情况及时进行调整，且每一次调节三个工艺参数必须同时进行调整，以保证三者的匹配性。

在自动焊焊接过程中，如果出现坡口宽窄尺寸变化大、参数不合适、焊工操作不当等情况时，易导致出现坡口边缘未熔合缺陷，因此应严格控制坡口的加工尺寸，设置合适的参数，应在光线合适的部位观察焊缝熔池，确保管道焊缝坡口两侧金属熔合良好。此外，如果焊接过程中焊枪对中调节不及时，则易产生偏移，因此需及时调整摆幅宽度与送丝速度。在填充层焊接过程中，焊接操作人员应根据现场实际情况及时增加焊缝中间填充层的摆动频率，并提供足够的焊接热输入，以保证焊缝厚度整体均匀，不出现驼峰状焊缝成形。一般情况下，管道自动焊接过程中易出现飞溅，因此应使用防飞溅剂，避免飞溅堵塞导电嘴，从而保证送丝顺畅。

自动焊具有焊接质量高、劳动生产率高、可减轻工人劳动强度等优点，因此，广泛适用于场地平整的工地组合场和工厂化焊接，但自动焊接方法对周边环境和管道安装精度的要求较高，适用于制造质量高、圆度偏差小的无缝钢管，管壁＞25.4mm的碳素钢管道及其他需预热的管道焊接不宜采用自动焊接的方式。

4.3 半自动焊

管道半自动焊是由焊工手工操作和自动机械设备一起完成焊接操作的一种焊接工艺。常用的管道半自动焊方法有CO2焊机埋弧焊和半自动气体（混合）保护焊。

埋弧焊是指焊接电弧在焊剂履盖层下面进行燃烧的焊接工艺。焊接设备主要有根焊设备及填充、盖面焊接设备两类。埋弧焊具有焊接质量稳定、外观成形好、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少、综合性价比高等优点，对焊接人员的技能及理论水平要求相对高些，需要焊工能及时进行焊接参数匹配、调节，从而保证焊缝质量。打底焊时，易出现根部未熔合现象，因此在管道焊接工程中主要应用于盖面及填充，较多使用在压力容器、管道管件、异形柱梁等的加工制作中。

半自动气体保护焊是利用气体保护的焊接技术，焊丝和气体自动供给，焊枪的上下、左右及前后移动靠手动。焊机系统设备主要是由保护气体供气系统、焊机、送丝装置及焊枪等组成。半自动焊接方法操作灵活、环境适应性强，常用的保护气体有CO2活性气体。CO2气体保护焊通常采用短路和熔滴缩颈爆断，与熔化极惰性气体保护焊熔滴金属自由过渡相比，其产生熔滴飞溅较多。因此，需要根据焊件的实际情况来选择合适的焊接设备及合理的工艺参数，达到减少飞溅产生的效果。CO2气体保护焊在焊接时不能有风，常用于密封及角焊缝的焊接，因此更适合室内作业。半自动气体保护焊接工艺对操作人员的技能水平要求较高，焊缝质量主要依靠焊接人员的技能水平来保证。由于CO2气体成本低，因此广泛应用于大型容器、板状部件的焊接，但在承压管道焊接中的应用较少[5]。

4.4 3种焊接方法应用效果对比

经过以上比较，可以总结出3种焊接方法的优缺点，对比见表1。

表1 3种焊接方法对比

以国外某200MW光热电站DN1000×20.62mm的导热油管道为例，管道根部采用钨极氩弧焊打底，管道焊缝中间层的填充及盖面焊接使用管道全位置自动焊，设备选用佛山市金圆润自动化焊接设备有限公司生产的JYR1100A全位置管道自动焊机，现场焊接试验结果见表2.

表2 现场焊接试验结果

在实际焊接过程中，由于受现场环境及管道制造质量的影响，该工程管道焊接大多采用手工焊，在管道条件适合时，采用全位置自动焊。

5 结束语

由于海外大型光热电站管道焊接工程量大，因此焊接方法合理选择对工程总体质量和工期的实现非常关键。经过理论分析和工程实践，证明在选择焊接方法时，需要前期对项目的工期要求、焊接工作量、场地条件、管道特点及焊接方法等情况进行综合分析，海外某大型光热电站工程现场采用钨极氩弧焊+全位置自动焊方法组合，提高了焊接效率，保证了焊接工期，且质量受控，同时降低了工程成本和焊工劳动强度。该施工经验可为其他类似工程提供借鉴。