以下文章来源于油气储运 ，作者赵赏鑫

文章编号：1000-8241（2021）12-1409-07      中图分类号：TE832     文献标识码：ADOI：10.6047/j.issn.1000-8241.2021.12.012     

油气长输管道工程自动焊施工的技术准备要点

赵赏鑫

国家石油天然气管网集团有限公司建设项目管理分公司

摘要：自动焊接技术已广泛应用于大口径、高钢级长输油气管道工程建设，但目前缺乏成熟的自动焊施工技术体系。根据自动焊施工特点，结合长输管道自动焊施工实践经验，以发挥自动焊施工工效、保证施工质量为中心，从设计、管材、焊接、无损检测、施工组织等方面提出了自动焊施工的技术准备要点，剖析了焊接人员、技术储备及信息化焊接质量管理现状，并提出了合理化的应对措施，以期为今后管道工程推广自动焊施工方法、提高焊接效率、发挥技术优势提供参考。（参 25）

关键词：油气长输管道；自动焊；施工；焊接效率；技术准备            

随着中国经济快速发展，对石油、天然气消费需求量也不断增长，油气长输管道工程建设逐步向高钢级、大口径、高压力方向发展。大口径、高钢级、高压力管道建设给环焊缝质量控制带来了新的挑战，自动焊接技术以其高质量、高可靠性的优势，逐渐成为管道环焊缝的重要焊接方式。1998年，郑州—义马煤气管道首次试用了自动焊接技术；在2002年西气东输管道工程中，自动焊接技术得到了规模化应用，完成了670km的焊接任务，约占焊接施工总量的17.2％[1]。然而，受自动焊技术综合工效低、地形条件适应性差、坡口加工与组对精度要求高、未熔合缺陷对无损检测技术要求高等诸多因素的影响，在2016年中俄东线天然气管道工程建设前，自动焊接技术尚未在中国全面应用。国家石油天然气管网集团有限公司（简称国家管网集团）通过对近10年管道环焊缝失效案例[2-8]进行分析，开展了环焊缝专项提升工作，制定了10多项焊接DEC（PipeChinaDesign&EngineeringCode）文件，其中对于X70及以上钢级管道，明确要求在满足条件的情况下使用自动焊对环焊缝进行焊接。但焊接方式从传统的手工焊条电弧焊、半自动焊转变为自动焊，不仅是焊接设备、焊接材料、焊接工艺的改变[9]，而且需要从设计、管材技术指标、焊接与检测工艺、焊工培训、施工组织设计、施工方案等方面开展系统的技术准备工作，才能真正推广及应用自动焊技术，实现施工工效、环焊缝质量的提高。

1施工难点

目前，在中国油气长输管道工程中使用的自动焊工艺主要有两种：①全自动焊工艺，采用内焊机根焊，再用双焊炬气体保护实心焊丝外焊填充盖面焊接；②组合自动焊工艺，采用焊条电弧焊/钨极氩弧焊/RMD半自动焊/STT半自动根焊，再用单焊炬气体保护药芯焊丝外焊机填充盖面。其中，内焊机根焊全自动焊工艺焊接接头性能优良，尤其是冲击韧性相对稳定，焊缝中心的冲击韧性普遍在150~200J，为目前新建大口径、高钢级、高压力油气长输管道工程首选的焊接工艺。然而，受内焊机设备性能和自动焊工艺技术特点的影响，自动焊机组连续施工能力、焊接一次合格率主要受以下5个方面的影响。

（1）受内焊机爬坡能力的限制，目前内焊机主要应用于地形平坦或地形起伏坡度小于12°的地段，坡度过大则无法保证焊接质量和施工安全。

（2）内焊机能够连续通过曲率半径大于40D（D为钢管外径）的冷弯管、弹性敷设段，但其无法通过热煨弯头，造成连头处增加，进而导致综合工效降低。

（3）自动焊的焊接速度快，填充盖面焊采用双焊炬进行焊接，需要焊工观察熔池表面三维形态，通过控制两把焊枪的手柄来实时调整姿态，在复杂工况下形成良好的焊缝，从而保证焊接一次合格率。因此，对焊工的要求较高，焊工的培训周期相对较长。

（4）内焊机根焊全自动焊工艺的焊接热输入量、电弧熔宽、熔深均相对较小，因此对焊接坡口的加工精度、焊口组对精度要求高。焊接坡口的尺寸偏差、组对间隙变化均有可能造成焊接缺陷的产生，其中未熔合是*主要的焊接缺陷。一旦坡口加工或焊接参数出现问题，焊接缺陷则会呈现系统性、连续性的特点。

（5）全自动超声波检测（AutomatedUltrasonicTest，AUT）是未熔合缺陷有效的检测方式，具有检测速度快、检出率高、检测结果实时显示的特点，能够及时反馈焊接质量，确保焊接机组及时调整焊接参数，避免重复出现缺陷。但AUT检测图谱不直观，对评判人员水平要求较高，检测过程受轨道安装精度、待检焊缝表面状况（如制管焊缝）、设备性能及检测工艺的影响，易出现数据质量不合格及缺陷漏检等问题。

因此，在管道自动焊焊接施工作业前，需系统开展技术准备工作，从设计、管材加工、施工组织等方面为内焊机连续施工、提高焊接一次合格率创造条件，切实提高焊接、无损检测人员技术水平与管理水平，才能实现自动焊技术在油气长输管道工程中的全面应用。

2       技术准备要点

2.1设计

2.1.1“两段法”递进式设计

与传统设计理念不同，“两段法”递进式设计需要设计人员与施工单位的施工工序充分结合，将设计文件按照施工的先后工序分批次完成，进而更加精确地指导现场施工。在**阶段，设计人员根据不同的地质地貌条件，优先开展热煨弯头与连头口优化，公路、铁路、河流沟渠、地下管道及电光缆等“三穿”通道设计，对起伏管段的削方降坡进行设计，减少热煨弯头及施工断点，尽量满足内焊机作业对地形、坡度的要求，为全自动焊机组提供连续作业通道，实现大流水作业；在第二阶段，设计人员根据焊接机组的位置、施工计划，以区县为单位，顺序开展施工图设计。

2.1.2减少“两点”优化设计

在管道自动焊焊接施工作业中，*大程度地减少“两点”（即热煨弯头点、连头点）是提高自动焊连续施工能力及焊接效率的关键因素之一。管道每一处转向或穿越使用的热煨弯头能否采用冷弯管和弹性敷设的方式来代替，传统的设计很难解决该问题。这需要将设计工作前移，在施工阶段组织经验丰富的设计人员到施工现场开展设计工作，与施工单位共同对每一处平面转向点、纵向弯、穿越点进行现场勘查，通过采取多个冷弯管、弹性敷设、削方降坡等措施，减少热煨弯头的使用量，为全自动焊机组创造连续焊接的有利条件[10-12]。

变壁厚焊口是失效风险*大的焊口类型，为实现变壁厚焊口的全自动焊接，需将厚壁管内侧设计为内锥孔坡口的形式。内锥孔深度根据AUT检测结果模拟计算来确定，既可实现变壁厚焊口自动焊接，也能够保证无损检测质量[13]。

2.2管材

2.2.1提升管端几何尺寸

油气管道管端坡口加工质量、组对质量是影响全自动焊接质量的重要因素，而坡口加工、组对质量受管端椭圆度、管周长等几何尺寸的影响。在椭圆度一定的情况下，随着管道管径增加，组对难度也随之增大。如中俄东线天然气管道工程将椭圆度工厂内控指标从技术规格书要求的0.6％D降至0.42％D；此外，在管端标注长轴、短轴、管周长，以此提高现场钢管级配、组对效率，提高焊接合格率。

2.2.2细化管端表面技术要求

全自动焊焊口采用AUT进行检测，对管端光管部分的表面条件提出了更高的要求。在中俄东线天然气管道工程试验段建设初期，虽然AUT检测采用水或防冻液（冬季）作为耦合剂，但受到制管焊缝、钢管表面压痕的影响，经常发生耦合不良、检测灵敏度下降的情况。对于采用AUT检测的新建管道项目钢管数据单，需结合AUT检测结果仿真计算来确定管端光管长度，同时需对光管处制管焊缝余高、表面质量提出更高的要求。以中俄东线天然气管道工程为例，在钢管出厂前，采用机器人自动修磨的方法，将距离每个管端至少150mm范围内的内、外焊缝余高去除，剩余焊缝高度控制在0～0.3mm，且与相邻管体表面相对平滑过渡。

2.2.3严控母材成分波动范围

管材的碳含量、冷裂纹敏感指数是自动焊焊接工艺评定的重要参数，当现场焊接钢管与焊接工艺评定使用的钢管碳含量或冷裂纹敏感指数的差值超出规定范围时，表明此焊接工艺评定将不适用，需重新开展焊接工艺评定以满足现场焊接的需求。这就需要管材制造单位加强质量管控，严格控制管材成分的波动范围。如在中俄东线天然气管道工程南段线路钢管数据单中，要求各厂家在生产过程中应确保批量生产的钢管与焊接工艺评定使用的钢管冷裂纹敏感指数的差值范围小于±0.02％、碳含量差值范围小于±0.02％，其为提高环焊缝质量提供了基础保障。

2.3焊接施工

2.3.1焊工培训

目前，管道自动焊技术尚未达到智能焊接的水平，因此焊工水平仍是决定环焊缝一次合格率的*主要因素。由于自动焊机组通常是大流水作业，一个机组一般配备14~18名焊工，关注每个焊工技术水平的同时更看重焊接机组的整体水平。一个成熟焊接机组的焊工，除了能够熟练操作焊接设备外，至少应具备以下能力：①具备观察电弧稳定性、熔池状态的能力，特别是焊接深度较大的热焊、双焊炬填充焊；②具备在焊接过程中发现缺陷和打磨缺陷的能力；③在填充盖面焊接过程中，具备通过操作手柄进行微调的能力；④当转场、天气或地形坡度变化时，具备对焊接参数设置进行微调的能力；⑤当焊接壁厚发生变化时，具备快速调整与适应的能力。

以中俄东线天然气管道工程北段、中段及南段的工程实践[14-16]为例，一个全新的焊接机组从焊工完成上岗考试到一次合格率、日焊接量均达到正常水平，通常需要3个月的培训时间。因此，提高焊工培训质量、加强焊工准入管理是保证管道自动焊焊接质量、工期按时完成的重要因素。

2.3.2焊接工艺评定及规程编制

焊接工艺评定及规程编制是管道工程施工技术准备的一项重要工作，是焊工考试的前提条件，也是工程能否按期开焊的关键，更是环焊缝质量控制的基础。所有环焊缝的焊接都应严格执行焊接工艺规程，而焊接工艺评定是支持焊接工艺规程制定的重要依据。与半自动焊相比，全自动焊接工艺评定的影响因素相对较多，主要包括管径、材质、壁厚、坡口、焊接材料、混合气比例、焊接速度、预热与层间温度、*小层道数、自动焊设备品牌型号、焊接电压、焊接电流、送丝速度、钢管碳含量及冷裂纹敏感指数等20多项。当焊接工艺评定的影响因素超过DEC文件规定的变化范围时，需重新进行焊接工艺评定。按照国家管网集团DEC文件的有关要求，新建管道工程项目开展焊接工艺评定需要经过以下环节：①在施工承包商选商完成后，业主提供焊接工艺评定所需的管材；②施工承包商编制焊接工艺方案，并需通过业主组织的专家审查；③施工承包商编制预焊接工艺规程，并完成工艺口的焊接；④施工承包商委托两家具有CMA（ChinaMetrologyAccredidation）或CNAS（ChinaNationalAccreditationServiceforConformityAssessment）资质的实验室平行开展理化性能试验；⑤施工承包商编制焊接工艺评定报告和焊接工艺规程，并需通过业主组织的专家审查[17]。

因此，新建管道工程项目焊接工艺评定数量多、周期长，一般需要2~3个月才能完成满足开工要求的焊接工艺评定。以在建的中俄东线天然气管道工程南段为例，开展管径为1219mm自动焊工艺评定数量达122项，随着焊材、焊接设备品牌的增加，焊接工艺评定数量将持续增加。

2.4无损检测

保证AUT检测质量是提高自动焊焊接质量的前提，自中俄东线天然气管道工程全面采用AUT检测以来，AUT质量控制体系逐步得以完善，包括人员培训、设备校验、试块设计加工、通用工艺评定、专项工艺评定等制度。其中，专项AUT工艺评定是针对入场的AUT检测机组开展的能力考核，对入场的AUT检测人员、检测设备、校准试块及检测工艺进行有效验证，以保证入场AUT检测机组的能力水平[18-19]。

专项工艺评定既是AUT检测质量控制的重要环节，也是自动焊施工技术准备的重要部分，完成专项工艺评定是AUT检测机组进场检测的前提条件。专项工艺评定主要包括以下3个环节：①根据管径、壁厚、坡口形式加工测试焊缝，测试焊缝中应设置满足DEC文件要求的缺陷；②确定被检测焊接机组采用的坡口参数，包括坡口角度、内坡口高度、钝边高度等，根据坡口参数开展试块设计与加工，试块加工周期一般为20天，若壁厚、坡口参数发生变化则需重新加工试块；③用试块对AUT检测设备进行校准，通过扫查测试焊缝完成专项工艺评定的相关工作，一般一个AUT检测机组完成评定的时间为7天。

从上述3个环节可见，只有施工单位焊接工艺的坡口参数尽早确定下来，才能开展试块设计与加工工作；试块加工完成后才能对AUT检测设备进行校准，并开展AUT检测专项工艺评定。因此，做好AUT检测专项工艺评定与焊接工艺评定的衔接，尽早完成AUT检测专项工艺评定，是保证自动焊施工按时开工的关键。

2.5施工组织设计文件编制

全自动焊施工组织设计文件需充分考虑自动焊机组大流水施工的特点，以*大程度地开展自动焊连续施工作业为目标进行编制。

（1）旱地地区的全自动焊施工应充分重视焊接通道的连续性，建立满足自动焊机组连续施工作业的焊接通道、减少连头点是施工组织设计的核心。

（2）水网地区的全自动焊施工需考虑运布管通道、焊接通道、重型机械设备行走通道的连续性。此外，在水网密集地区，还应考虑将焊接机组连续通行施工作业段划分为一个独立的“施工单元”。如在建的中俄东线天然气管道工程连云港—泰兴段划分为了155个施工单元，每个施工单元的机组进出场路线、焊口数量、弯头、地下障碍物等信息与工程量均标注在地图上，形成清晰的“施工作战图”。每个施工单元内的焊接、防腐、下沟等工序及时跟进、紧密衔接，力争做到“干一段、完一段”，保证机组在雨季之前及时完工，将连头点留在雨季也能进场施工的通道旁边，确保工程顺利推进。

2.6外协

与半自动焊接不同，当全自动焊机组没有连续作业面时，会致使连头点增加、机组频繁转场。每次转场后通常需要3天来微调焊接参数、恢复设备状态，直接导致焊接一次合格率、工效降低。因此，外协工作在保证全自动焊机组连续作业方面起到了至关重要的作用。

3       应对措施

目前，在油气长输管道工程自动焊施工作业中，尚存在基础工作不扎实、准备周期长、相关技术人员紧缺、技术要求不明确等现象，需采取有效的应对措施，以满足油气长输管道建设快速发展的需求[20-25]。

3.1加快专业人员培养

3.1.1壮大现场设计人员队伍

“两段法”递进式设计需要将设计工作前移，但目前具有全自动焊施工设计经验且能够在现场开展设计优化的优秀设计人员数量不足。因此，设计单位应重视对设计人员开展施工现场设计的培养。

3.1.2加强焊工培训

新建管道工程相继开工建设，对焊接机组需求量与日俱增，成熟的自动焊焊工相对紧缺。焊工培训不能仅停留在对自动焊设备的熟练操作上，还应掌握手工焊技能。此外，施工单位在开展技能训练时不能仅用RT（RadiographicTesting）进行检测，还应采用AUT检测配合训练。对于参加多个在建项目的施工单位，需合理安排每个项目的人员构成，尽量采用“老带新、师带徒”的模式，为后续新建项目储备人才。

3.1.3重视检测人员能力考核

随着AUT、PAUT（PhasedArrayUltrasonicTesting）、DR（DigitalRadiography）等无损检测技术的大规模推广应用，严重缺乏检测人员，但培训、发证机构较多，持证人员的技术水平参差不齐，第三方、第四方检测单位人员进场能力考核有待进一步完善。

3.2夯实技术基础工作

施工进度与质量是管道工程建设*主要的两大控制目标，施工技术进步和装备升级则是提升进度与质量的*有效手段。为此，围绕管道工程建设的焊接、无损检测等行业，正在加快标准制订、新工艺新材料新技术研发、设备国产化等工作。但从目前实际情况来看，尚存在以下问题：技术标准要求不明确、依据不充分，技术基础工作准备不充分、不扎实，现有工艺与工法不能满足管道建设快速发展的需求。

3.2.1总结固化成果经验

注重现有技术、质量要求在工程建设中的实际应用效果，必要时可对特定的技术指标开展工程现场的专项验证工作。通过数据积累、经验总结，将经过现场实际验证且成熟的技术质量要求进一步固化，针对不足的方面开展专项研究，为后续完善技术质量要求、提升工艺工法水平奠定基础。

3.2.2统筹解决系统问题

国家管网集团DEC文件对环焊缝质量控制提出了更高的要求，但提高环焊缝质量是一个系统问题，既需要焊工严格执行焊接工艺规程、优化焊接参数，又需要焊材、管材品质同步提升，才能保证焊缝中心、热影响区的质量稳定可靠。目前，无论是钢板轧制工艺还是焊材加工工艺、成分体系控制均未与DEC文件中环焊缝的新要求结合起来，仅靠焊接工艺评定时调整焊接参数、试用各种品牌焊材的方式去满足环焊缝的指标要求。近期某些企业已经关注到该问题，正在逐步开展试验研究工作。

3.2.3持续开展技术创新

为了进一步发掘全自动焊技术的潜能，结合现有自动焊装备开发新型工艺技术，如超窄坡口全自动焊工艺技术、自动外根焊工艺技术、热煨弯管连续焊接全自动焊工艺技术及连头口全自动焊工艺技术等，解决当前山区、水网等地段的工程应用问题，使其具备全天候、全地形、全口径、全材质等复杂工况下的全自动焊接作业能力。

3.2.4加快焊接相关专项方案的制定

随着油气管道“全国一张网”的建设，新建管道与已建管道联通的情况越来越多，而已建管道受到建设期资料（如钢管碳含量、冷裂纹敏感指数）不完整的影响，其与新建管道连接的焊口无法完全按照现行规范的要求开展焊接工艺评定。为此，需要针对此类情况制定专项焊接方案，在保证焊接质量的前提下确保项目的顺利施工。

3.3提升信息化管控水平

开展工程质量管理工作是油气管道智能工地的一项重要作用。对于全自动焊接而言，目前预热温度、层间温度、焊接电压、电流、送丝速度等焊接参数已实现了自动采集，但与工程质量管理要求尚存在差距，主要表现在以下3个方面。

（1）数据采集精度尚需提高，数据采集系统采用的温度传感器为非接触式，焊工手持测温仪多为接触式，二者测量结果差异较大（误差一般约10℃）。因此，尚不具备利用数据采集系统对焊接工艺执行情况进行判定的条件。

（2）目前，检测坡口加工质量的万用角度尺、检测焊缝外观质量的焊缝检验尺均采用机械式测量、人工记录的方式，记录检测结果的真实性无法保证，工作效率也不能满足工程实际需求，未来应实现测量结果数字化显示、存储。

（3）图像采集智能化水平还需进一步提升，智能工地图像采集系统尚未实现对影响焊接质量的重要工序进行全过程采集，通过采集的图像智能识别违反操作规程的作业是智能工地建设下一步努力的方向。

4结论及建议

油气长输管道自动焊接施工是一项涉及设计、工艺、工法、外协等方面的系统工作，为进一步提升自动焊的综合工效、环境适应能力，更好地发挥自动焊焊接技术优势，今后应重点开展以下3个方面工作。

（1）加大科研立项与科技创新力度。中国地形地貌复杂，山地丘陵占国土总面积的2/3，拟建的西气东输三线中段、西气东输四线、川气东送二线等国家干线管道沿线途经水网、山地、丘陵、戈壁等地区，其地貌复杂、地形条件差，江河、湖泊、高山、峡谷等天然障碍更趋密集，将给大口径管道工程机械化施工带来极大挑战。因此，需要从施工设备、材料、工艺、工法等方面开展专题研究，推动施工技术水平的全面提升，实现低温、水网、山地等不同环境下的全机械化施工。

（2）重视成果的总结与传承。通过陕京四线、中俄东线天然气管道工程等大口径、高钢级、高压力长输管道建设，在设计、机械化施工组织、工艺、工法、技术要求等方面已经积累了大量经验，形成了丰硕的成果，是未来管道工程建设的宝贵财富。以焊接工艺评定为例，目前评审流程复杂、周期长，对于已建项目上已经应用的评定方法，且通过现场大量割口试验对可靠性得到有效验证的焊接工艺评定，应纳入焊接工艺评定库，在满足新建项目设计要求的前提下宜优先使用。

（3）开展经验交流与分享。从近年来中国数条典型管道工程的建设情况看，不同设计单位的设计理念存在差异，不同施工单位的施工优势也各不相同。建设单位在组织好项目建设的同时，应适时开展设计单位、施工单位之间的经验交流与分享活动，取长补短、共同提高，为油气长输管道建设的长期发展积蓄力量。

参考文献：详见原文。

论文原载于《油气储运》2021 年 12 月 第 40 卷 第 12 期

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