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油气管道自动焊接技术综述

发表时间：2020/9/3 来源：《基层建设》2020年第10期作者：冯华东

[导读] 摘要：油气管道自动焊接技术相比传统焊接方式具有焊接效率高、焊缝性能稳定等优点，在油气管道焊接施工中的应用越来越广泛，各类数字化、智能化、自动化的新技术新方法在自动焊接领域不断的得到运用，使自动焊接技术更加先进，本文针对国内外研发的管道自动焊接技术进行综合介绍，展望了未来油气管道自动焊接技术的发展方向。

        身份证号码：13303019690908xxxx
        摘要：油气管道自动焊接技术相比传统焊接方式具有焊接效率高、焊缝性能稳定等优点，在油气管道焊接施工中的应用越来越广泛，各类数字化、智能化、自动化的新技术新方法在自动焊接领域不断的得到运用，使自动焊接技术更加先进，本文针对国内外研发的管道自动焊接技术进行综合介绍，展望了未来油气管道自动焊接技术的发展方向。
        关键词：油气管道；自动焊接技术；发展现状
        随着全球能源需求量的增加，油气管道工程建设项目逐年增多，管道的焊接质量是油气管道安全运行的保障。管道自动焊接技术不仅提高了焊接的速度和效率，而且焊接的质量稳定，排除了很多人为干扰因素，使一次焊接的合格率得到提高，降低了焊工的劳动强度，焊接位置的机械性能良好、焊缝均匀美观，一定程度上节约了焊接成本。自动焊接技术用于大管径、长距离、高钢材等级和厚壁油气管道焊接施工方面更具优势。
        1　管道自动焊接技术的应用
        我国从20世纪90年代开始致力于自动焊接设备的研发和配套工艺的开发设计，中石油天然气管道局相继研制出型号为PAW2000的单焊枪自动焊机和型号为PAW3000的双焊枪自动焊机，又研发了PFM系列管端坡口整形机和PPC系列气动内对口器、PPC－C带铜衬垫内对口器和PIW系列管道内环缝自动焊机等自动焊接设备，并在西气东输、中俄输油管线、中哈、陕京三线等油气管道项目建设中得到应用。为满足高等级、大管径长输油气管道焊接需求，我国不断引进国外先进的焊接技术和设备，重视自动焊接设备的升级改造，提高了管道自动焊接的技术水平。国外管道自动焊接技术发展较早，技术和设备也相对成熟。国际知名的管道焊接设备制造商美国CRC公司研制出了多焊枪管道自动焊系统，到目前为止，采用该系统在世界范围内累计焊接管道长度超过35000km。奥地利FRONIUS、法国SERIMAX、意大利PWT等公司分别研制的管道自动焊接系统都在不同国家的管道工程建设中得到应用。
        2　管道自动焊接技术的发展状况
        2.1　自保护药芯焊丝自动焊技术
        1996年我国开始在管道施工过程中应用自保护药芯焊丝半自动焊技术，该技术的特点是具有较高的焊接效率、焊缝处外观美观、焊接质量好、焊口位置的合格率高且具有良好的抗风能力。经过多年的推广应用发现自保护药芯焊丝半自动焊接技术的接头很少有未熔合缺陷。2008年中石油天然气管道局开发出新的自动焊接工艺，即内焊机自动下向根焊与自保护药芯焊丝半自动下向填充焊接，同时结合盖面焊接的新工艺，在中亚管线焊接施工中应用，展现出超高的焊接效率，吸引了国内外同行的目光。经过一段时间的发展应用，该技术难以适应大管径、厚壁长输管道的焊接强度要求，该方式释放出的烟尘和有毒气体对焊工的身体有很大危害，不能长时间施工，开发人员逐渐转向研发适合长输管道焊接的新型自动焊接技术。逐渐开发出自保护药芯焊丝自动焊接设备，针对相关的焊接技术也日益完善。
        2.2　Tandem双丝焊接技术
        近年来Tandem双丝焊接技术在国外受到广泛关注，该技术的特点是将两个焊丝前后串列在同一焊枪中，并同时进入到一个熔池中。该方式现场应用的焊接效率明显比普通单丝自动焊的效率高，是一种十分有效的管道焊接方式。Cranﬁeld大学为管道施工应用开发出基于Tandem双丝焊接技术的特殊焊接工艺——双焊枪双丝自动焊技术（CAPS），该技术在寒冷恶劣的环境中施工不影响施工质量，焊接效率更高，具有良好的经济性。CAPS系统中应用了加拿大RMS的管道自动焊接设备，同时与奥地利Fronius的数字电源相结合，在加拿大已经完成了现场试验。该项技术已经转让给美国CRC和加拿大RMS以及法国SERIMAX等公司，用于深入研究和商业化开发应用。

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Tandem双丝焊接技术避免了传统单丝焊接系统的电流限制问题，将两个独立的脉冲电弧设计放置在单一焊枪中，按照一定的时间顺序来改变电弧，使两个电弧分别达到最大的功率。借助奥地利Fronius公司的模拟—数字转化设备来完成与焊接系统之间的数字通信，将焊接系统的模拟信号转化为可被电源识别的数字信号，从而稳定控制双丝电弧进行工作，使焊接的质量得到有效控制[1]。
        2.3　激光—电弧复合自动焊技术
        为了更好的实现管道施工与现场应用一体化，减少管道施工建设的时间、人力及财力方面的投入，提高管道焊接的效率，逐渐开发出激光焊接技术。该技术适合长输管道焊接施工，从技术角度和经济方面均展现出良好优势。首先开发出激光自熔焊技术，但是该技术得到的焊缝组织经显微镜观察，焊缝组织的马氏体/贝氏体含量高，对焊缝的韧性造成很大影响，焊缝中还存在裂纹，因此激光自熔焊的研发逐渐被取代，开始研究激光—电弧复合焊技术，对激光焊接方法进行改进，在同一熔池中完成激光和电弧的结合，提高了焊接的速度，对于接口间隙较大的管道同样适合。激光—电弧复合焊技术的热输入增加，冷却的速度变慢，填充焊丝的过程中焊缝成分的微观结构发生改变，可以获得针状铁素体的焊缝组织，使焊接处的韧性和密度提高[2]。激光—电弧复合焊技术中的电弧能量可以被充分利用，用来作为激光器的补充能量，这样在选择激光发生器时可以选择功率稍低的型号，可以一定程度上节约焊接成本。材料在熔化状态时对激光的吸收率比固态时高，因此采用激光—电弧复合焊技术时，先利用电弧将母材充分熔化之后再进行激光照射，实现较高的激光吸收效果，使焊接效率提高。美国爱迪生焊接研究所（EWI）和英国焊接研究所（TWI），以及美国的CRC公司和德国的VIETZ公司在21世纪初的管道焊接研究中主推激光—电弧复合焊。我国于2012年研制出一台全位置激光—电弧复合焊接系统典型样机，并完成了实验室工艺试验。
        2.4　多焊枪自动焊技术
        国内外在管道焊接施工时多采用单丝单头、单丝双头自动焊接设备，为了使焊接的效率更高，研发人员在轨道上设计安装多个焊接小车，研制出多焊枪自动焊技术，该技术在海底管道铺管船上得到良好应用。美国JRayMcdermott公司研究很早开始焊接设备的研发，在1993年研发出了6焊枪JAWSⅠ焊接系统，其中应用了先进的计算机伺服控制，系统中一个JAWS焊接系统设计配备14个伺服轴，主控单元不仅实现焊接电源和运动系统控制，还能同时完成管理操作和其他协同控制。系统中还添加了单枪激光跟踪器，可以实现焊缝组织的实时跟踪监测。在2012年底，JRayMcdermott公司又对JAWSⅠ焊接系统进行升级，使焊枪部分不仅能使用单丝焊枪，还可更换为Tandem双丝焊枪，选取GMAW-P焊接电源，结合激光传感技术和高效处理器完成焊接数据的传输，全程电脑进行定位和焊接过程控制，大大减少人为操作。此系统设计在大口径海洋管道建设中得到很好的应用，X80以下钢级的钢管都适用。法国SERIMAX公司研制出8焊枪焊接系统，采用了4个焊接小车同时工作，将焊接的时间大大缩短，焊接时结合焊缝跟踪系统，稳定的控制焊接质量，该系统可应用于管径910~1220mm的管道焊接[3]。
        3　自动焊技术发展趋势
        管道自动焊接技术的广泛应用必然会形成相应的技术体系，要不断提升自动焊的焊接效率和焊接质量，在自动焊技术的管理方面必须加强，统一制定相关的技术标准，便于管理各个环节的质量。我国的自动焊接设备还需要不断提高技术要求和设计质量，加强操作人员和技术人员的培训，做好设备的相关服务和技术支持。对于自动焊的施工方法应该设计有序，合理布置施工现场，实现流水作业，保障各工序之间的衔接，使自动焊机组人员高效配合，提高管道焊接的质量和效率。探索更加准确的自动焊检测方法，对自动焊的质量精确评判。逐渐缩小我国自动焊技术与其他国家之间的差别，从焊接质量和成本控制等多方面入手，解决我国自动焊技术面临的问题和困难，使我国油气管道焊接朝着更高质量和更高效率方向的发展。
        参考文献
        [1]韦菊彬.油气管道焊接工艺及焊接质控对策研究[J].中国高新技术企业，2015(15):62~63.