1、管道全位置自动焊施工工法一、前言在管道工程施工中，焊接质量是保证工程质量最重要的环节之一，焊接效率也直接影响着施工进度，即工程的质量和进度在极大程度上取决于焊接质量和焊接进度。随着输油输气管道向大口径、长距离、高强度、高压力的不断发展，焊接的难度越来越大，对焊接质量的要求也越来越高。靠手工电弧焊和药芯焊丝半自动焊是很难满足上述要求的。而管道全位置自动焊，则是能够满足要求的一项全新的焊接工艺。管道全位置自动焊，是管子固定不动，焊接小车绕管子转动来实现管子全位置(平、立、仰)的焊接。焊接过程由机械和微机完成，受人为的影响因素较小，所以管道全位置自动焊具有焊缝质量好、焊接效率高等优点。二、工法特点利
2、用 STT 气体保护半自动焊工艺性能好、对管口适用性强的特点，焊接根焊焊道。利用管道全位置自动焊，焊接效率高的特点，焊接填充和盖帽焊道。此工艺具有如下特点：1STT 气体保护半自动焊工艺特点(1)引弧容易。(2)电弧燃烧稳定。(3)焊接烟尘和噪音小。(4)飞溅极小。(5)内焊道成形美观。(6)操作容易。(7)焊接成本较低。(8)焊接效率较高(与手工电弧焊和钨极氩弧焊相比)。(9)抗风能力差(与手工电弧焊相比)。(10)特别适用管口根焊道的焊接，也适用于其他焊道的焊接。2管道全位置自动焊接设备的工艺特点(1)焊接工艺参数输入器(牛顿信息包)，可储存多组焊接工艺参数，以适用多台焊机和不同规格钢管的
3、需要。(2)本焊焊接设备大部分焊接工艺参数由焊接工艺参数输人器输入，焊工不能对其进行修改(焊接工艺参数由焊接技术人员输入)，确保了焊接工艺参数的准确性。(3)焊接电弧燃烧比较稳定。(4)焊接生产率高，与手工电弧焊相比可提高 25 倍。(5)焊缝成形美观，内部质量好。(6)可采用 CO2气体或混合气体(Ar+CO 2)作为保护介质。(7)适用管径 325mm，适用管壁厚度 5mm。管径越大、壁厚越厚，其经济效益越好。三、适用范围本工法适用于低碳钢、低合金钢输油、输气和输水等管道的焊接。四、工艺原理1STT 焊接工艺原理STT 焊接电源是一种以表面张力为熔滴主要过渡力的 CO2气体保护半自动焊。S
4、TT 焊接电源具有波形控制功能，根据熔滴的不同过渡过程。控制焊接电流和电弧电压的波形。即焊接电源能自动调节焊接电流和电弧电压达到电弧所需的瞬时热量。确保焊接电弧的稳定燃烧和有效地控制焊缝成形。STT 熔滴过渡电流、电压波形图如图 1 所示：图 1 SIT 熔滴过渡电流、电压波形图 2管道全位置自动焊工作原理NOREAST 管道全位置自动焊机，是专门用于管道焊接的自动焊设备。它使用实芯焊丝(0810)，采用的保护气体为 c02 或混合气体(CO 2+Ar)。焊接方向为下向焊。送丝速度、焊接速度和摆动频率等焊接工艺参数由焊接工艺参数输入器输入，焊工不能对其进行修改(或只能对某种参数进行一定范围的修
5、改)，确保每台焊机和每道焊口焊接工艺参数的一致性。从而保证了各道焊口的焊接质量的均匀性，达到保证焊接质量的目的。此焊接设备适用窄间隙坡口形式的焊接。窄间隙坡口具有如下优点：(1)焊接接头受热范围小，焊接热影响区小。(2)焊接变形和应力小。(3)焊缝的组织和性能好。(4)节省焊接材料。(5)焊接效率高。此焊接设备适用于各种坡口形式的焊接。用于 V 形坡口的焊接时，除焊接效率较窄间隙坡口低外(仍可达到手工电焊的 25 倍)，其他焊接优点仍较突出。五、工艺流程(施工程序)工艺流程见图 2。六、操作要点1焊接性试验及焊接工艺评定管道全位置自动焊在工程施焊前，应进行焊接性试验。当钢管的材质、规格、坡口型
6、式、焊丝的牌号、焊丝的规格和保护气体种类等发生变化时，均应进行焊接性试验，试验步骤如下：(1)根据标准要求、理论计算和以前的经验，初步确定焊接工艺参数范围。(2)在确定的焊接工艺参数范围内，设定几组不同的焊接工艺数进行焊接工艺性试验。对焊接后的试件进行外观检查和无损探伤，缩小焊接工艺参数的范围。(3)在拟定的焊接工艺参数范围内，重新进行试验，确定一组最佳的焊接工艺参数。(4)用确定的焊接工艺参数进行多道焊口(一般不少于 5 道)做模拟施工环境的焊接试验。并对试件进行外观检查和无损探伤。确定良好的焊接质量是否稳定。若不稳定应调整参数重新试焊，直至焊接质量达到规定的稳定状态。图 2 施工工艺流程
7、(5)焊缝的外观质量和无损探伤质量良好稳定后，应抽一个(或 2 个)管口进行力学性能试验。试验的各项指标均合格后，方可应用于工程焊接。2焊工考试焊工在从事新的焊接项目前应进行考试。考试项目包括与考试项目相关的焊接基础理论知识和试件的操作技能。应对试件进行外观检查和无损探伤，各项指标均合格后发给焊工合格证。3焊前准备自动化程度越高的焊接，对焊前准备工作要求就越严格。管道全位置自动焊焊前准备包括如下几个方面：(1)焊接设备的调试及各工艺参数的确定：在焊接前应对焊接设备进行调试，确保设备各部分运转正常，并按焊接工艺评定编制的焊接作业指导书的要求输入各焊接工艺参数。(2)管口的测量和修整：严格按焊接作
8、业书的要求，对坡口角度、钝边厚度及管口的圆度、垂直度和平面度等进行测量，不符合要求的必须进行修整，直至达到要求，否则不得施焊。(3)管口清理：焊接前必须对坡口及坡口内外两侧进行清理。坡口两侧 100mm 范围内应无污物，坡口及坡口两侧 10mm 范围内应见金属光泽。(4)防风准备：由于本管道自动焊是气体保护焊，焊接时风速不得大于 2ms。在自然环境下达到此要求的天气很少，所以在野外施工必须采取有效的防风措施。我们采用的是随焊接作业车起吊的专用防风蓬，该防风篷还可防雨，既确保了焊接质量，又提高了工效。4焊前预热当焊接钢管的强度较高、钢管厚度较大、焊接环境温度较低时，在焊接前应对钢管进行预热。预热
9、参数如表 1：表 1 预热参数预热温度预热温差预热宽度 加热速度100150 (1)20焊缝两侧各不小于 100mm 50/min(1)标出的是一般低合金钢的预热温度。具体预热温度应视钢材的种类，由焊接性试验来确定。5管口组装管口的组装质量是保证管道全位置自动焊焊接质量的基础，管口组装质量必须符合焊接作业指导书的要求。常用的 V 型坡口管口组装尺寸如图 3。图 3 管口组装尺寸图 6焊接根焊焊道采用 STT CO2气体保护半自动焊，焊接根焊焊道。焊接工艺参数如下：根焊焊道焊完后，应对其进行外观检查。对焊缝接头处应采用砂轮机磨平，对其它部位应采用电动钢丝刷清理，清除焊道表面的氧化熔渣(渣量很少)
10、。7安装焊机轨道自动焊接小车行走在焊机轨道上，轨道与管道的同心度和与管口的平行度，直接影响着焊道的质量和操作者的操作复杂程度。我们采用轨道安装专用工具安装轨道，专用安装工具具有下列功能：(1)测量轨道边缘与管道坡口之间的距离。(2)调整轨道边缘与钢管坡口之间的距离。(3)调整轨道的松紧度。表 2 焊接工艺参数序号 参数名称 参数 序号 参数名称 参数1 焊材牌号 JM-56 7 电孤电压，V 18222 焊材规格，mm 0.9 8焊接速度，cm/min10183 保护气体 CO2 9 送丝速度，m/min 3.55.04气体流量，L/min812 10 干伸长度，mm 5105 基值电流，A
11、5565 11 电源极性 反接6 峰值电流，A 390420 12 摆动方式直线或微摆轨道安装专用工具的锤面硬度，应稍低于焊接轨道的硬度，过硬易造成轨道的损伤，过软易造成轨道安装专用工具磨损太快。轨道安装后，应保证轨道与管表面的距离差不大于 3mm，轨道与管口端面的距离差不大于2mm。以上均符合要求后，安装自动焊机。8焊接填充焊道自动焊机安装好后，经检查根焊焊道外观合格，即可进行填充焊道的焊接。根据钢管壁厚确定填充焊道的层数和道数。填充焊道每层的厚度为 23mm。填充焊道焊接工艺参数如表 3：表 3 填充焊道焊接工艺参数序号 参数名称 参数 序号 参数名称 参数1 焊接方法 自动焊 8 电弧电
12、压，V 20252 焊接方向 下向 9焊接速度，cm/min20353 焊材牌号 JM-56 10 送丝速度，m/min 7.09.54 焊材规格，mm 0.9 11摆动频率，次/min1201305 保护气体 CO2 12 摆动宽度，mm 586气体流量，L/min2530 13 干伸长度，mm 5107 焊接电流，A 160220 14 电源极性 反接填充焊道的各层接头应错开 50mm 以上。盖帽前的最后一层填充焊道，应填至低于管表面 1mm左右，以保证盖帽焊道的外观成形。层间应采用电动钢丝刷清除氧化层。9焊接盖帽焊道经检查填充焊道外观合格后，方可焊接盖帽焊道。盖帽焊道的宽度应为每侧比坡口
13、增宽 12m为宜，最大不应超过 3mm。盖帽焊道焊接工艺参数如表 4，表 5。七、机具设备(略)。八、劳动力组织劳动力组织见表 6。九、质量标准1本工法执行的主要标准本工法执行的主要标准有：表 4 盖帽焊道焊接工艺参数序号 参数名称 参数 序号 参数名称 参数1 焊接方法 自动焊 8 电弧电压，V 18222 焊接方向 下向 9焊接速度，cm/min15253 焊材牌号 JM-56 10 送丝速度，m/min 6.58.54 焊材规格，mm 0.9 11 摆动频率，次 90120/min5 保护气体 CO2+Ar 12 摆动宽度，mm 7106气体流量，L/min1525 13 干伸长度，mm
14、 587 焊接电流，A 150210 14 电源极性 反接表 5 机具设备序号 设备名称 单位 数量 备注1 吊管机 辆 2 布管、对口各一辆2 内对口器 台 1 3 焊接车(带吊臂) 辆 2 4 STT 焊机 套 2 包括送丝机5 NOREAST 自动焊机 套 4 包括送丝机和焊接轨道6 防风蓬 个 3 合计 14 表 6 劳动力组织序号 职务或工种 文化程度 年龄 人数1 台班长 大专以上 45 12 技术人员 大专以上 45 13 管工 初中以上 40 34 STT 焊工 初中以上 40 25 自动焊焊工 初中以上 40 46 机械手 初中以上 45 57 电工 初中以上 45 18 普
15、工 35 6合计 23GB 5023698 现场设备、工业管道焊接工程施工及验收规范SY040198 输油输气管道线路工程施工及验收规范APlStd1104 管道及有关设施的焊接2焊缝外观和无损检查的质量要求焊缝外观和无损检查质量要求见表 7。十、安全措施(1)参加施工的电焊工、气焊工、起重工和电工必须持有劳动部门颁发的特殊工种安全上岗证。表 7 焊缝外观和无损检查质量要求检查项目 质量要求外观检查 焊缝宽度以每侧比坡口增宽 12mm 为宜，最大不应超过 3mm。焊缝余高以 12mm 为宜，最大不得超过3mm。焊缝应与母材圆滑过渡，焊缝的宽度和余高应均匀一致。焊缝及焊缝附近表面的渣皮和飞溅应清
16、理干净。焊缝表面不得存在裂纹、表面气孔、表面夹渣和咬边等缺陷GB 3323 级SY/T 4056 级射线探伤API Std.1104 合格GB 11345 级SY/T 4065 级无损检查超声波探伤API Std.1104 合格(2)焊接前，焊工应检查焊接设备的工具是否安全、完好、干燥。(3)转移工作地点，焊接设备发生故障检修时，必须切断电源后方可进行。(4)焊接或更换焊丝时，必须戴干燥的手套。(5)设备与设备之间应保持一定的距离，要避免车辆或其他物体碰撞带电体。(6)加强个人防护，穿戴完好的工作服、绝缘良好的手套和工作鞋。(7)气体保护电弧焊弧光辐射比手工电弧焊强，应加强防止紫外线对眼睛和皮
17、服的灼伤。(8)各种气瓶必须符合气瓶安全监察规程的规定，并应定期进行检查。禁止剧烈振动与撞击，搬运时要轻装轻卸。气瓶不得放在太阳下曝晒，使用温度不得超过 45。(9)防风蓬应采用铁皮或阻燃布等防火材料制造。(10)防风蓬必须设有通风口或排烟装置。(11)焊口周围 10m 范围内，应无易燃易爆物品。十一、社会效益与经济效益分析1社会效益分析(1)管道全位置自动焊具有劳动强度低、生产率高和环保等优点。随着社会的不断发展，要靠刻苦练习获得优秀焊工的困难越来越大，并且手工焊接质量，受人的因素影响较大。而管道自动焊则受人的影响因素较小，焊缝的质量稳定性好。(2)焊工的培训周期短，要得到一名优秀焊手工电弧
18、焊焊工，至少要经过一年的严格培训和二年的工程锻炼。而管道自动焊只要有一定焊接基础的焊工经半个月的培训，即可焊出优质的焊缝。2经济效益分析(1)国产下向焊焊条和药芯焊丝的价格一般为 1525 万元t，国产实芯焊丝的价格约为1 万元t。(2)管道全位置自动焊焊丝的熔敷率可达 90，而焊条的熔敷率通常为 5055，药芯焊丝的熔敷率一般也在 75左右。虽然本焊接工艺需用保护气体，但保护气体所需的经费仅占焊接材料经费的 1015。(3)上述两项综合考虑，管道全位置自动焊焊接材料的经费用量仅是焊条或药芯焊丝经费量的1312。(4)管道全位置自动焊设备投入较大，是焊条焊接设备或药芯焊丝焊接设备的 35 倍。
19、但管道全位置自动焊焊接效率高，焊缝质量好(无损探伤合格率高、力学性能好)，焊缝的返修率很低。(5)各项综合比较，管道全位置自动焊的经济效益较焊条焊接、药芯焊丝焊接比较如下。表 8 综合效益对比表(71179)焊接方法 备注序号 项目 手工电弧焊半自动焊自动焊 1 工效，道/日 4 5 9 2 焊接材料，kg/道 2.3 1.8 1.5 3 焊接一次合格率，% 86 90 97 4是弧燃烧时间，min/道 62 50 35 5 设备费，万元/km 3.3 2.7 2.5使用费6 人工费，万元/km 2.8 2.3 2.0 十二、工程实例大港北京的输气管道工程，全长 103km。管道材质为 X60、规格为 71179。是我国第一条要求对环焊缝进行 100射线探伤的大口径输气管道工程。在此工程永清段我们管道第二工程公司采用了管道全位置自动焊接工艺，经本工艺焊接的焊口外观检查一次合格率为 100%。焊口经100的射线探伤，射线探伤一次合格率为 9798(按焊口计算)。我公司的管道全位置自动焊小组 1999 年获国家级优秀 QC 小组。在涩宁兰输气管道工程，全长 860km。在 X70(660103)的试验段中，采用管道全位置自动焊焊接了 353 道焊中，长度为 412km。外观检查焊缝一次合格率为 997，经 100射线探伤焊缝一次合格率为 97。
