长输管道自动焊连续施工技术工艺分析

李文

(中石化河南油建工程有限公司，河南 郑州 450000)

0 引言

随着国家管网公司的成立以及大口径高强度钢管道建设的快速发展，管道自动焊的应用场景越来越多。各管道建设单位对自动焊技术关注度极高，在自动焊工艺开发、设备引进和研发等方面投入了大量精力。经过近年来的发展，中石化的自动焊技术已逐步在管道建设项目开展实战应用，研发出多种新自动焊工艺。经过几个项目的施工实践，不断从工艺方法、设备机具、检验手段、人员配备、现场准备等方面完善自动焊施工工艺，长输管道自动焊施工将在未来长输管道工程项目上被广泛使用。该工艺具有焊口质量高、施工效率高、适应性强、劳动强度低等特点。结合目前全自动焊施工的经验，长输管道全自动焊能否连续施工，将影响到工程进度和工程成本。导致长输管道不能连续施工的主要因素有以下6 个方面：(1) 线路此起彼伏，热弯管较多；(2) 小型河流、道路等穿越点较多；(3)线路施工作业面不充足；(4)外协工作不到位，造成多次转场；(5) 长输管道全自动焊施工属于流水作业，因设备和人员造成停工；(6)焊接一次合格率不高，造成返工。

1 全自动焊连续施工条件

在长输管道的施工过程中，为了保证全自动焊连续施工应满足以下6 个方面：(1)适用于DN500～DN1400 等多种管径的平原低丘地带，其适应坡度地形≤12°；(2) 线路施工断点少；(3) 长输管道线路施工作业面充足；(4)征地协调计划周密，无阻工现象；(5)施工机组配备优良的设备及人员；(6)焊接一次合格率高。

2 全自动焊施工流程

长输管道自动焊施工流程图如图1 所示。

图1 工序流程图

3 全自动焊施工控制方法

3.1 施工准备

(1)现场踏勘。确定施工点的管线走向、埋深、地质、地下管线及其他障碍物等情况。

(2) 管道调查。向项目部进行咨询调查，确定待焊接处管线路由、管口封堵情况以及连头施工实施方案等。

(3)技术准备。明确自动焊的各工序操作要点，制定坡口清理打磨、管口组对、焊接过程监测等工序操作规程，同时根据自身设备型号，按照标准规范及设计文件要求进行焊接工艺评定及用于指导现场施工的焊接工艺规程，报项目部批准后实施。

(4)设备工装准备。检查电站、焊接气瓶棚、焊机、行走小车、中频预热和电伴热带等完好，可靠运行；计量器具、仪表设备应经过检定和校准，在有效期限内。

(5) 材料准备。对焊材、焊接用保护气体和导电嘴、喷嘴等焊接配件辅助材料进行进场验收，符合相关标准规定。

(6)人员准备。管道全自动焊工除具有各省级市场监督部门颁发的焊工资格证外还应具备应急管理厅下发的焊接与热切割作业合格证件(应项目业主要求确定)，经施工项目部上报监理和业主后参加业主组织的焊工岗前考试，取得焊工上岗证后方可进行施焊。焊工资格证持证项目的焊接方法、焊接位置、有效期等应能符合上岗考试要求。作业人员进行安全教育培训和安全技术交底。

(7) 岗前练兵。磨合期为机组到场后7 天时间练兵期，严格按照正式版《焊接工艺规程》开展规范性练兵操作，要求质量合格率稳中有升，方可向监理提请上岗考试。焊接机组通过监理组织的考试达到合格要求，才能进入考核期施工。

3.2 全自动焊接设备及焊接材料

为进一步加强施工现场综合管理，促进项目管理与施工机组现场管理的相互融合，提高施工水平，规范施工质量，形成良好施工氛围，全面提升施工机组管理能力，促进施工现场管理科学化、规范化、制度化，切实坚持并持续改善施工现场的综合管理，最终达到优化配置机组管理水平。

全自动焊施工工艺采用GMAW↓(根焊) + GMAW↓熔化极气保护实芯焊丝(热焊/填充/盖面)。根焊设备为熊谷A-800 系列内焊机，热焊、填充、盖面设备为熊谷DPS-500P 焊接电源＋熊谷A-610 双焊炬外焊系统。

线路焊接采用熔化极气体保护焊(内焊机根焊+双焊炬外焊机热焊、填充、盖面)工艺，焊接设备为熊谷内焊+熊谷外焊焊接设备，复合U 型坡口，内焊材料为Lincoln Pipeliner70S-6(φ0.9 mm)，外焊材料为Lincoln Pipeliner 70S-6(φ1.0 mm)。

内补焊采用熔化极气体保护焊(内焊机补焊枪半自动焊)工艺，焊接设备为熊谷内焊设备，内焊材料为Lincoln Pipeliner 70S-6(φ0.9 mm)。

根焊、热焊、填充及盖面均采用保护气体进行保护。

3.3 全自动焊施工

(1)坡口加工。全自动焊接坡口采用复合U 型坡口。管端加工前，应检查管端内、外侧的平整情况，保证管端150 mm 范围内的内、外侧至与母材平齐。采用专用坡口机进行现场加工，管端坡口的加工参数应符合焊接工艺规程中接头尺寸的要求。坡口加工完成之后经自检合格后填写坡口加工记录。

不等壁厚对焊管段采用过渡管或坡口过渡处理措施。一般采用内削边处理，内坡口角度≤15°。壁厚差相邻等级采用坡口过渡处理，壁厚差2 个等级时采用过渡管处理。

为了避免坡口锈蚀及污物腐蚀对焊接质量的影响，所加工的坡口宜在24 h 内使用完成，如当天不能使用的应采用保鲜膜进行包裹。

(2)管口组对。管口组对前，应保证管内的泥沙、冰雪、杂物等均以清理至干净。钢管内外表面坡口及两侧150 mm 范围内无起鳞、磨损、铁锈、渣垢、油脂、油漆等影响焊接质量的其他有害物质存在，应采用机械法在坡口及两侧25 mm 范围内清理至金属光泽。

两相邻管的钢管焊缝(直焊缝、螺旋焊缝) 在对口处应相互错开不应小于100 mm 的距离。直缝管制管焊缝宜在位于钢管周长的上半部。管道焊缝的错边量不大于2.0 mm，宜均匀分布在钢管圆周，并满足其焊接工艺规程的要求。

为了保证焊工操作和安全，采用沟上焊接作业时，空间高度应大于500 mm；采用沟下焊接时应配置焊接防塌棚及安全通道。对每道焊口的组对情况进行检查并记录。

(3)焊前预热。X60 以上级别钢制管道施焊前管口需对焊缝两侧进行预热，其预热温度控制在80～150 ℃左右；若返修时预热温度一般为90～150 ℃。冬季预热宜采用缠绕式中频加热设备以保证管口处均匀加热，其温度一般为100～150 ℃。预热后应及时清除钢管表面污垢。为了保证预热温度均匀，采用红外线测温仪、接触式测温仪或测温笔在距焊缝25 mm处的圆周均匀测量温度。

(4) 轨道安装。轨道安装时，应控制好轨道边缘与管端之间的距离、轨道的松紧程度，轨道与管道的同心度和管口的平行度。安装过程中应采用轨道尺或者特殊加工的轨道定位器来定位轨道位置。轨道安装后，对轨道两侧至少测量4 个点的位置的安装尺寸进行检查方可安装焊机机头，其安装尺寸应满足：轨道与管表面的距离差不大于2 mm；轨道与管口端面的间距140 mm。

(5) 内焊机根焊。管道自动内焊机(A-800 系列)系统由电动、气动和机械模块组成，其功能是组对及焊接(从管道内部对根部进行施焊)。内焊机施焊前应根据焊接工艺规程中的送丝速度、焊接速度等参数录入其控制系统，焊接过程中则不需要进行修改[1]。

内焊机必须在完成焊道全周长的根焊后方可撤离，应力较集中时需热焊完成后方可撤离。

根焊完成后，应进行外观检查，外观合格后进行热焊作业，不合格应采用内补焊进行补焊。采用自动焊内焊机焊接根焊道，对管道两端采取防风措施，即在管道焊接起始管的管端安装不易脱落的临时盲板，在正在焊接的管端罩上用防雨布或帆布制作的防风罩，并用捆扎带固定。根焊完成后的钢管在放置到管墩上的过程中，钢管不应受到振动和冲击。

(6)全自动单焊炬热焊。为了保证钝边的融合，增加熔深，采取增大电流、增加大送丝速度，焊接速度较填充盖面快，必须单焊炬焊接。管道自动焊热焊设备为双焊炬自动外焊设备热焊施焊前应根据焊接工艺规程中相应焊接参数录入到控制系统中，例如：电流、电压、焊接速度、送丝速度、摆动宽度、频率、左右停留时间等。

外焊机固定在焊接轨道上，根据规程适当调节外焊机，即可进行热焊道的焊接。热焊道的起弧、收弧接头应保证与其根焊道的接头处错开30 mm 以上。热焊完成后对起、收弧接头处进行打磨，打磨时应注意不要碰到坡口。采用电动钢丝刷对层间氧化层进行清理，同时对整个焊道进行检查，确定合格后进入下道工序。

(7)全自动双焊炬填充盖面。热焊焊道外观合格后，即可用进行填充、盖面焊接。填充、盖面施焊前应根据焊接工艺规程中相应焊接参数录入到控制系统中。同时应确定填充焊道的层数和道数，填充焊道每层厚度大约2～3 mm。填充、盖面焊接过程中，各层接头位置应错开30 mm 以上。其中为了保证盖面焊道的外观成形，最后一层填充焊道应控制在距离管表面1～2 mm 左右处。填充、盖面焊接过程中，各层间应采用电动钢刷对氧化层进行清理，同时并用砂轮机打磨焊道表面的熔渣、密集气孔、引弧点或接头高凸处及坡口边缘的飞溅，以避免未熔合缺陷的产生。采用双焊炬焊机焊接，除最后一遍填充焊外，所有填充焊需要启动电弧水平和垂直跟踪功能。接头打磨时要圆滑过渡且不能伤及坡口。最后一遍填充则根据情况及时调节焊接参数确保盖面焊接工序的正常进行。盖面焊接过程前，应对其填充焊道进行检查，如有填充不饱满的地方需要补焊、填充太满的地方则适当打磨。盖面焊道的宽度应满足每侧比坡口增宽1～2 mm。运用双焊炬焊机盖面焊时采用排焊，盖面成型美观，宽度均匀，“6 点”处焊道的余高容易超标的现象，应根据情况及时调节参数。填充、盖面焊接完成后，采用电动钢刷及时清理飞溅，然后进行焊道外观检查。

每道焊口宜当日完成。若当日不能完成的焊口其焊接厚度应满足50%钢管壁厚，且不少于3 层焊道，并置于在防风棚内。未完成的焊口应采用防潮、隔热的材料进行包裹。次日焊接前，应按照焊接工艺规程要求预热至层(道)间温度的最低值。

(8)表面清理及外观检查。盖面焊完成后，应使用电动钢丝轮等工具对焊接表面焊渣及飞溅等附着物进行清理，清理完成后进行焊工自检以确保焊缝外观质量。焊缝表面不得有裂纹、气孔和焊瘤等外观缺陷。按照项目要求填写相应的记录表格并做好焊口标识。

(9)轨道拆除。焊工自检及质检员外观检查合格后，方可拆除其轨道。

4 连续施工保证措施

为最大程度发挥全自动焊接效率，应根据工程线路特点和以往全自动焊工程施工经验，制定组织、人员、设备等方面连续施工保证措施。

4.1 加强施工组织管理

加强征地协调，保证有连续施工的作业面，避免造成停工转场。优化焊接机组各岗位人员，提升专业技能水平，确保每个焊接机组整体技术水平，减少因个别人员造成焊接工效降低。配备专业的设备维保人员，避免设备故障原因造成停工。在有条件的情况下采用单枪组合自动焊配合主线路全自动焊焊接，避免后期转场和连头工作。为了保证焊接机组有足够的施工作业面应提前优化施工段，并进行划分，减少机组转场次数。加强管材出库与现场布管的级配管理，避免错边超标，提高管口组对效率。

4.2 加强设备管理

开工前期准备充足的设备配件，确保施工过程备件充足。加强维护，定人定机。焊工每天检查焊机状况，及时保养做好设备运转记录。加大检查力度，对全自动焊接设备完好情况和设备性能定期进行检查，对焊接质量不稳定的焊接设备及时查找原因并进行维修。

4.3 优化线路，加强沟通，减少断点

全自动焊接适用于DN500～DN1400 等多种管径的平原和坡地地带长输管道线路自动焊接施工。内焊机系统最大可适应≤12°的坡度地形，针对地势起伏超过12°的山区丘陵地带，可提前根据施工环境、钢管内壁厚度变化的次数、施工地点等影响全自动焊接工效的因素，通过冷代热和改线等优化措施减少连头断点，提高一次通过性，使全自动焊接连续作业面更长[2]。

(1)河沟、干渠等穿越措施。对小型河沟、干渠、山丘等进行降坡处理，管道尽可能采用降坡取直、增加冷管以及弹性敷设与降坡相结合的方式进行纵向转向；对于小型沟渠、排水管沟、河流，采取埋设涵管便桥的方式，确保涵管便桥修筑方式或者预制简易浮筒方式通过；对中型长度、无通航的河流，采取多组浮筒组成临时浮桥；对于大型河流，可通过办理航道通行的河流采取浮船载运的措施。

(2)道路穿越措施。一般县级以下道路，若车流量较小，可采取大开挖的方式通过，施工前先封闭道路，待管道焊接后弹敷穿越道路后，在其上方敷设干土和厚钢板，施工完成后，再恢复道路通行。若道路车流量大，在施工前，先修筑一条临时绕行道路，用于车辆通行，待道路穿越施工完成后，再恢复道路。在管道能够采用大开挖穿越的三、四级公路时与设计沟通采用盖板涵来代替套管。开挖加盖板涵穿越方式缩短了施工时间，减少对交通的影响，同时也避免了穿越段留头。

采用开挖方式穿越机耕道，应提前下卧预埋的敷设方式，即管道在穿越机耕道时，提前开挖引沟(深度较浅，一般为2 m)，将管道下卧埋设于路面下方，同时在管道上方铺设钢板等进行保护，快速回填至路面，不影响机耕道的正常通行。然后在公路段的两侧线路，挖一个临时管沟，深度从2 m 逐渐过渡到地表，让管道以纵向弹敷的方式敷设。待焊接完毕后，进行沉管作业，直至管沟深度达到设计埋深要求。

(3)地下障碍物穿越措施。对于地下灌溉水管线(PVC 等塑料水管线)的障碍物，测量时进行统计工作，征地赔偿针对性告知情况进行补偿时间，焊接时连续进行。

对于铸铁水管线，敷设在地上的管线，征地时进行补偿，管理单位配合进行更换检修工作，施工时更换为软性连接管进行连接，焊接管线置于水管线下方，设备通过时采用铺设钢板、垫土袋的方式确保设备通过时管线无影响，回填后，恢复原输水方式。对于敷设在地下的铸铁水管线，征地时进行补偿，焊接直接焊接，管道下沟时，管线管理单位关闭阀门切管。

对于国防光缆、通信光缆、地下电缆、地下管道等地下障碍物，由于在运营，无法切断施工，严格控制预留的长度，穿越处设置在管线的中间，若偏离单根管线中间较多时，地形较好、穿越地下障碍物更方便的一侧进行二接一预制，作为非全自动焊口施工。

4.4 加强焊接质量管理

加强焊工责任心教育，严格三检制，细化工序管理。加大焊工重新进行焊接工艺规程的详细交底。焊接时，要求焊工掌握好焊丝摆动角度，在坡口部位适当停留，保证焊滴与坡口完全熔合。控制层间温度，尤其是停焊后再焊时，重新预热到规定温度，满足焊接工艺规程要求。焊接过程中，注意观察熔池金属的异常情况，发现异常及时打磨处理。做好坡口清理，完全清除坡口表面及附近区域的污物、锈蚀及表面缺陷等，露出金属光泽。控制好电流、电压、焊接速度等焊接参数[3]。

5 结语

长输管道自动焊连续施工技术在一些重点项目中得到成功应用，取得了一定成效。自动焊连续施工技术需要不断总结提升，施工单位要持续加强总体统筹，优化现场策划，提升自动焊技术和工艺应用水平，实现项目主动快速高效推进，降低施工成本，努力提高市场竞争能力。