王 均

中國石油天然氣管道工程有限公司上海分公司，上海

1.引言

長輸管全自動焊技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢顯著，兼具高效率、高穩(wěn)定性等多重特點，是長輸管道建設(shè)領(lǐng)域的重點技術(shù)[1]。但從我國的發(fā)展?fàn)顩r來看，全自動焊接技術(shù)并未在長輸管道中發(fā)揮出應(yīng)有的作用，有必要深入探討全自動焊接技術(shù)，提高其應(yīng)用水平[2]。

目前，長輸管道施工管口焊接有多種焊接方法，主要的有向上焊、下向焊、手工半自動焊、氣體保護焊、全自動焊、擠壓電阻焊等，我國常用的是下向焊和手工半自動焊。但是隨著對焊接質(zhì)量及焊接效率要求的提高，國外越來越多地開始采用自動焊接工藝。國外管道焊接施工經(jīng)歷了手工焊和自動焊的發(fā)展歷程。手工焊主要為纖維素焊條下向焊和低氫焊條下向焊。在管道自動焊方面，目前蘇聯(lián)研制的管道閃光對焊機，其在前蘇聯(lián)時期累計焊接大口徑管道數(shù)萬公里。它的顯著持點就是效率高，對環(huán)境的適應(yīng)能力很強。美國CRC公司研制的CRC多頭氣體保護管道自動焊接系統(tǒng)，由管端坡口機、內(nèi)對口器與內(nèi)焊機組合系統(tǒng)、外焊機三大部分組成。到目前為止，已在世界范國內(nèi)累計焊接管道長度超過34,000 km。法國、前蘇聯(lián)等其他國家也都研究應(yīng)用了類似的管道內(nèi)外自動焊技術(shù)，此種技術(shù)方向已成為當(dāng)今世界大口徑管道自動焊技術(shù)主流。

2.全自動焊接機組的管理現(xiàn)狀分析

中石油天然氣管道局(以下稱管道局)自主研發(fā)的CPP900自動焊設(shè)備近日完成了4000道口總里程焊接任務(wù)，合格率達(dá)到95%以上，此技術(shù)成功打破國外壟斷，推動了中國管道建設(shè)設(shè)備國產(chǎn)化進(jìn)程。

2019年12月中旬，寒潮一陣陣襲來，氣溫降至零下20度。遼河旁的中俄東線中段項目施工現(xiàn)場，熊谷管道全自動焊機機組正在持續(xù)進(jìn)行管口焊接。因施工現(xiàn)場處于高緯度沼澤地帶，冬季地面結(jié)冰封凍正是施工的好季節(jié)。中俄東線中段起于吉林長嶺止于河北永清，共需新建管道1110公里，計劃2020年10月建成。此項目共分10個標(biāo)段，全部采用機械化大流水作業(yè)。計劃投入31個全自動焊接機組，3571臺(套)施工機械，近10,000人員參與施工。

全自動焊接合格率高，焊接參數(shù)調(diào)定之后，即可實現(xiàn)自動化作業(yè)，減少人為操作因素對焊接質(zhì)量的影響，提高焊口一次合格率[3]。

全自動焊接參數(shù)調(diào)定后能進(jìn)行連續(xù)性作業(yè)，提高了生產(chǎn)效率，與其他焊接方法比較，減少了頻繁更換焊條、焊絲產(chǎn)生的材料浪費，降低施工成本。同時全自動化焊接作業(yè)也降低了工人的勞動強度，但對工人的自身素質(zhì)和操作能力有更高的要求[4]。全自動焊接工藝對管道組對坡口質(zhì)量和坡口型式要求嚴(yán)格，需要配套的坡口整形機等設(shè)備。全自動焊接的保護氣體為Ar 氣體和C氣體,因此與其他焊接方法比較，施工環(huán)境更為苛刻，現(xiàn)場施工時要求環(huán)境風(fēng)速小于2 m/s。本工法適用于管徑DN700以上、壁厚11 mm以上的油氣長距離輸送管道水平固定對接的全位置下向焊焊接施工。本工法需要良好的工程施工環(huán)境，適于在地勢平坦開闊的地段[5][6]。

全自動焊接對坡口要求嚴(yán)格，必要時用坡口整形機對管口進(jìn)行整形。管道全自動焊接管口組對尺寸如圖1所示。

Figure 1. Nozzle assembly 圖1.管口組對

管組對接頭的坡口形式應(yīng)為V 型，管道坡口角度應(yīng)為22.5°± 0.5°，鈍邊1.22.0 mm 間隙2.0～3.0 mm組對錯邊量按10管壁厚控制。對口采用內(nèi)對口器(連頭碰死口及其它不能使用時內(nèi)對口器時采用外對口器)施工時，應(yīng)在根焊一遍后，方可卸除內(nèi)對口器。使用外對口器時，必須在焊口整個圓周上均勻分布4～6處定位焊，每一處定位焊長度不應(yīng)小于100 mm 且在卸下外對口器前，定位焊的累計長度不得少于管周長的50%兩相鄰管的螺旋焊縫在對口處應(yīng)錯開不小于100 mm 的距離。

應(yīng)用全自動焊技術(shù)之前，項目部臨時組建全自動焊機組，組織機組員工進(jìn)行培訓(xùn)、考試，完成階段性全自動焊接。在后續(xù)的非全自動焊接施工中，該機組又拆成半自動焊機組或者手工焊機組。這種靈活的施工組織形式可以避免資源的閑置，但同時也使得全自動焊技術(shù)的應(yīng)用陷入了一個“組建-培訓(xùn)-磨合-施工”的循環(huán)，全自動焊機組未能進(jìn)行施工后的提高、改進(jìn)，不能專注于全自動焊工藝的操作、應(yīng)用。將全自動焊操作人員固定下來，能促進(jìn)彼此間的配合，便于工序銜接，有利于技術(shù)培訓(xùn)等投入的經(jīng)驗積累。全自動焊機組必須擁有一整套全自動焊設(shè)備。目前我國能夠完成根焊的內(nèi)焊機(PIW)有英國NOREAST、美國CRC-EVANS和中國石油天然氣管道局3家公司的產(chǎn)品，完成根焊的外焊機有意大利的PWT；填充、蓋面的外焊機有NOREAST、RMS、CRCM300和P600、PAW2000和PAW3000，機組一般以外焊機冠名。我國陸地長輸管道焊接全自動設(shè)備匹配較復(fù)雜，不同設(shè)備搭配組合的施工操作細(xì)節(jié)不同，同一種設(shè)備間斷使用的工作狀態(tài)也不同，操作人員不連續(xù)地使用設(shè)備阻礙了全自動焊接功效的提升，固化機組的全自動焊設(shè)備將有助于發(fā)揮其功效。

全自動焊對施工作業(yè)周邊環(huán)境的溫度、濕度、風(fēng)速、保護氣體的純度、坡口的角度、焊材的批次變化等因素較為敏感，需要根據(jù)施工時的實際情況及時調(diào)整焊接參數(shù)。全自動焊設(shè)備是全自動焊應(yīng)用的硬件設(shè)施，具備發(fā)揮全自動焊全部功效的技能才是全自動焊機組的核心競爭力。目前，全自動焊機組操作人員具備了全自動焊接設(shè)備的基本操作能力，但根據(jù)施工現(xiàn)場條件變化，及時、準(zhǔn)確地調(diào)整設(shè)備運行參數(shù)和進(jìn)行設(shè)備突發(fā)故障維修仍需依賴后方全自動焊專家或外聘技術(shù)人員，全自動焊機組的操作人員及相關(guān)配合人員對全自動焊技術(shù)的掌控能力不足。這種偏事后管理的現(xiàn)狀導(dǎo)致不能及時實現(xiàn)焊接參數(shù)調(diào)整而造成質(zhì)量偏差損失和等待窩工的成本較大，因此急需提高操作人員的現(xiàn)場調(diào)控能力。

3.全自動焊接機組的經(jīng)濟焊接工程量

相比于半自動焊，應(yīng)用全自動焊后可顯著提高作業(yè)效率，但設(shè)備投資相對較高，難以提高經(jīng)濟效益。管道施工所需成本主要包含三部分，即設(shè)備、材料及人工。對此，此處以1219 mm 管徑的管道為例，對具體的經(jīng)濟焊接工程量展開分析[7]。

3.1.焊接效率

從既有經(jīng)驗來看，每千米約有85道口，通過全自動焊接技術(shù)的應(yīng)用，進(jìn)度約為75道口/天，換算后約為每26.5 km/月。相較于半自動焊而言，應(yīng)用全自動焊后效率可提高2.5倍(半自動焊的正常工作進(jìn)度為每月10.5 km)。

3.2.設(shè)備費

從設(shè)備租賃成本的角度來看，全自動焊CRC設(shè)備的租金約為400×104元/月，其具體涉及到的費用包含租賃費、報關(guān)費等多種類型。該設(shè)備為國外租賃形式，最短租賃時間6個月，若超出該部分則按月結(jié)算。對于半自動焊機組，其租金約為140×104元/月。

3.3.材料費

施工機組的材料投入主要包含自購輔材和油料，根據(jù)全自動焊機組的工作特點，其對于保護氣體的用量需求較高，約10×104元/月；相比之下，半自動機組約為9×104元/月。

3.4.人工費

人工成本也應(yīng)計入總成本范疇中，其中全自動焊機在此方面的投入約為80×104元/月，人員數(shù)量約為半自動焊的1.4倍，但其創(chuàng)造的工效相對較高，半自動機組約為50×104元/月。

4.經(jīng)濟分析結(jié)果

綜合上述分析，在全自動焊機組的總費用組成中，設(shè)備、材料及人工費占據(jù)較大比重，三者約占總費用的90%；若采用半自動焊機組，所投入的設(shè)備費相對較低，3項費用總和約占總量的80%。最低租賃期為6個月，采取全自動焊施工時存在工程量為132.5 km 的成本轉(zhuǎn)折點，超出的部分將對成本具有較高的敏感度。兩種焊接方式在M = 194.45 km 時所對應(yīng)的成本具有一致性，若M＜ 194.45 km，此時采用半自動焊的方式可有效減少成本，具體如圖2所示。

Figure 2.Trends in fully automatic,semi-automatic,and low equipment rental costs 圖2.全自動、半自動、低設(shè)備租賃費成本走勢

根據(jù)現(xiàn)階段全自動焊機組的工作特性，其承擔(dān)的焊接工程量約為100 km，具有全自動焊成本高于半自動焊的特點。從工程經(jīng)驗來看，全自動焊的技術(shù)優(yōu)勢并未得到有效的發(fā)揮，即難以完全轉(zhuǎn)化為效益，置身于市場經(jīng)濟的大環(huán)境下，管理人員并不會貿(mào)然采取全自動焊施工技術(shù)。對于低設(shè)備租賃費的成本計算，其建立在國產(chǎn)設(shè)備可創(chuàng)造同等施工效率的前提下，此時成本可由400×104元/月降至350×104元/月，經(jīng)濟效益較為良好[8]。在低設(shè)備租賃條件下，在119.14 km 時全自動焊和半自動焊的成本具有一致性，同時焊接工程量對成本的敏感度有所下降。由此表明，設(shè)備租賃費被壓縮后，有助于提高全自動焊的應(yīng)用能力，其適用范圍更廣[9]。

5.焊接工序控制要點

5.1.準(zhǔn)備工作

前期準(zhǔn)備工作將對全自動焊的應(yīng)用效果造成影響，具體應(yīng)注重全自動焊在縱向坡度中的可行性問題。在開展焊接工作前，需重點檢查焊材的型號及批號、保護氣體的純度等，盡可能將其前期準(zhǔn)備工作落實到位，從源頭上規(guī)避焊接缺陷。

5.2.及時檢驗焊口

長輸管道焊接期間應(yīng)注重對焊口的檢查，每道焊口都應(yīng)滿足質(zhì)量要求，無論采取超聲波檢測還是射線檢測的方式，均要在焊口滿足質(zhì)量要求的前提下方可組織施工作業(yè)；對于不合格的焊口，應(yīng)通過返修或割口的方式加以處理。若存在缺陷，采取手工焊返修的方式雖然具有可行性但效率較低，通常約為20道口/天，并且可能涉及到管內(nèi)返修作業(yè)，難度將隨之加大。根據(jù)規(guī)定，對于一次返修不合格的情況，需隨即割口，并按照6道口/天的進(jìn)度有序返修。重焊處理的工藝流程復(fù)雜，應(yīng)兼顧熱脹冷縮、加短接等方面的情況，施工效率相對較低。對于天數(shù)的確定，采取的是向上取整的方式[10]。

全自動焊接技術(shù)得以有效應(yīng)用的關(guān)鍵在于及時做好檢測糾偏工作，并完整反饋檢測結(jié)果，從源頭上避免大型質(zhì)量缺陷。由表1可知，檢測結(jié)果滯后天數(shù)的變化將隨之對缺陷焊口返修的工作天數(shù)造成明顯的影響，若要確保檢測結(jié)果的合理性，則必須給予充足的資源投入。但質(zhì)量缺陷的影響從原本的一個月壓縮到4天后，所能創(chuàng)造的整體價值將明顯超過檢測資源投入所耗費的成本。

Table 1.Comprehensiveinfluenceof lag daysof automatic welding inspection 表1.全自動焊接檢查滯后天數(shù)綜合影響

要實現(xiàn)及時獲得檢測結(jié)果，檢測方需要投入大量資源進(jìn)行保障，但是將質(zhì)量缺陷的影響由一個月壓縮到4天，其產(chǎn)生的整體價值遠(yuǎn)高于檢測資源投入的成本。同時，及時完成檢測，能更清晰、準(zhǔn)確地統(tǒng)計檢測信息，對檢測方的管理也是一個提升。未來，全自動焊接的施工速度必定會超越已有的75道口/天，而實現(xiàn)100～120道口/天，對檢測結(jié)果及時性的要求將更加嚴(yán)苛，焊口完成第2天即反饋焊接檢測結(jié)果是全自動焊應(yīng)用、發(fā)展的必然趨勢。

6.結(jié)論

在現(xiàn)代化工業(yè)進(jìn)程中，長輸管道工程的建設(shè)規(guī)模逐步擴大，通過全自動焊接技術(shù)的應(yīng)用，能夠給長輸管道工程提供可靠的技術(shù)支持，因此需對該項技術(shù)形成準(zhǔn)確的認(rèn)識，將其合理應(yīng)用于長輸管道工程中，給工程建設(shè)助力。