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管道全自动焊接工法

天津大港油田集团工程建设有限责任公司

近几年，长输管道市场明显地向着高压力、大口径、厚壁厚的趋势发展。目前中国石油行业大多数施工单位采用全自动焊接的方式从事长输管道施工。

目前中国石油行业各施工单位都在管道焊接装备、施工能力等方面取得长足的进步，陆续装备了自动焊接机组，进入了大口径管道施工市场。

近年来，成品油管线工程及各种天然气支线工程建设累计将有数万公里正在施工。在未来的几年里，石油天然气管输管道工程施工市场容量巨大，给大港油田集团工程建设公司带来了更大的商机，市场发展前景看好。

通过近几年的研究，从室内试验到现场实践，进行了全自动焊接设备优化配置及各项资源的优化配置，合理调整了工艺参数，并针对不同地形地貌制定了适宜性的施工方案和施工组织方式，目前已形成了一套行之有效的施工工法——大口径长输管道全自动焊接工法，并在全公司范围内推广应用，达到了预期的研究效果，取得了良好的经济效益和社会效益。

一、工法特点

1．全自动焊接采用药心焊丝和气体保护，可以获得优良的焊接质量。该焊接工艺以其小电流、低电压、细直径实心焊丝、短路过渡

为主要特点，下向焊时熔池体积小、可实现全焊接及抗锈低氢的内在优势，特别适合于填充焊，盖面焊时Ar气体和CO

气体的保护作用

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使其焊缝表面成型规则、饱满，且与母材过渡圆滑。

2．全自动焊接合格率高，焊接参数调定之后，即可实现自动化作业，减少人为操作因素对焊接质量的影响，提高焊口一次合格率。

3．全自动焊接参数调定后能进行连续性作业，提高了生产效率，与其他焊接方法比较，减少了频繁更换焊条、焊丝产生的材料浪费，降低施工成本。同时全自动化焊接作业也降低了工人的劳动强度，但对工人的自身素质和操作能力有更高的要求。

4．全自动焊接工艺对管道组对坡口质量和坡口型式要求严格，需要配套的坡口整形机等设备。

5．全自动焊接的保护气体为Ar气体和CO

气体，因此与其他焊

2

接方法比较，施工环境更为苛刻，现场施工时要求环境风速小于2m/s。

二、适用范围

1．本工法适用于管径DN700以上、壁厚11mm以上的油气长距离输送管道水平固定对接的全位置下向焊焊接施工。

2．本工法需要良好的工程施工环境，适于在地势平坦开阔的地段。

三、工艺原理

管道全自动气体保护下向焊接工艺使用可熔化的焊丝与主要焊金属之间的电弧为热焊来溶化焊丝和钢管，在焊接时向焊接区域输送

保护气体以隔离空气的有害作用，通过连续送丝完成焊接。

管道全自动焊接其整个焊接过程是一个从平焊状态到立焊状态再到仰焊状态的平滑过度过程。管道全自动焊机的焊接速度、送丝速度、摆动宽度、摆动速度、焊接电压和焊接电流都要随着状态的变化而变化。圆周各点参数均由计算机程序自动控制完成，实现焊接工艺参数的连续变化。

本工法采用STT半自动根焊+自动外焊机填充、盖面。根焊设备为林肯STT－Ⅱ型焊接电源＋相匹配的送丝机，填充焊、盖面焊设备为PAW2000型自动外焊机。保护气体采用Ar气体和CO

气体。

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四、施工工艺流程及操作要点

（一）施工工艺流程

图1 工艺流程图

（二）操作要点

大港油田工程建设公司在西气东输—陕京二线联络线工程第8标段中采用了全自动气体保护下向焊焊接方法，根据该工法在工程中的实际运用，概括总结出以下几点操作要点。

1．管口清理

组装前使用专用清管工具清除管内的所有杂物；使用棉纱和钢丝刷等工具将管口两端100mm范围内的尘土、油污、铁锈等清理干净，露出金属光泽，螺纹管端口焊缝处需把余高打磨平滑，严禁使用砂轮机打磨坡口以外的管材表面，然后由管工用对口器进行管口组对，用间隙板定间隙。并检查管口是否存在压痕、裂纹等缺陷，如果发现要及时按要求修复，不符合要求的管子不得组装。

2．管口修整与组对

全自动焊接对坡口要求严格，必要时用坡口整形机对管口进行整形。管道全自动焊接管口组对尺寸如下图：

图2 管口组对

管组对接头的坡口形式应为Ｖ型，管道坡口角度应为22.5°±

0.5°，钝边1.2～2.0mm，间隙2.0～3.0mm，组对错边量按10%管壁厚控制。对口采用内对口器(连头碰死口及其它不能使用时内对口器时采用外对口器)施工时，应在根焊一遍后，方可卸除内对口器。使用外对口器时，必须在焊口整个圆周上均匀分布4～6处定位焊，每一处定位焊长度不应小于100mm，且在卸下外对口器前，定位焊的累计长度不得少于管周长的50%。两相邻管的螺旋焊缝在对口处应错开不小于100 mm的距离。

3．安装焊接轨道

自动焊接小车行走在焊接轨道上，轨道与管道的同心度和与管口的平行度直接影响着焊接的质量，应采用专用工具安装轨道，轨道专用安装工具可以测量和调整轨道边缘与管道坡口之间的距离，调整轨道的松紧度。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。轨道安装后，应保证轨道与管道表面的距离小于3mm，轨道与管口端面的距离小于2mm。

4．输入焊接参数

轨道安装完毕后，将焊机安装在轨道上，按焊接指导书的要求调整焊机的焊枪位置和角度。通过焊接参数输入器，将焊接参数输入到计算机中。

表1 根焊焊接工艺参数

②根焊电压为参考值，填充、盖面焊电流为参考值。

③ （75-90）％Ar+（25-10）％CO

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表2 填充焊、盖面焊焊接工艺参数

②填充、盖面焊电流为参考值

5．焊接

根据焊接工艺规程的要求，管线焊前需预热管口，预热温度≥100℃且小于150℃，预热宽度为坡口两侧不小于75mm的范围内，预

热方法应保障在预热范围内温度均匀，可用非接触式温度计在距管口50mm处测量，预热结束温度高于但不超过规定温度50℃，预热源撤离后1～2分钟后，开始焊接，以保证温度均匀。预热源为液化气，配备专用的中环型火焰加热器加热。火焰要远离防腐层，严禁用气焊和其它高温火源。

6．外观检查

外观：宽度为坡口两侧外表面0.5~2.0mm；余高为0~2.0mm，局部不得大于3mm，余高大于2mm且小于3mm部分的长度不得大于50mm；焊缝外表面都不得低于母材表面，咬边深度不得大于0.5mm，咬边深度在0.3～0.5mm的单个长度不得超过30mm，累计长度不得大于焊缝周长的15%；接口错边量小于2mm。

焊缝及附近表面上不得有裂纹、未熔合、气孔、夹渣、凹陷、引弧痕迹、有害的焊瘤、夹具焊点、溶合性飞溅等，外观成形均匀一致。

自检合格后，写焊工号(不准打钢印) 做自检记录，如此流水作业进行组对焊接。

7．探伤检验

焊完的焊缝先检查外观合格后再进行无损探伤。管道焊缝100%进行环向焊缝的X射线照相，执行《石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级》标准Ⅱ级为合格。将检测结果及时确认核实后，对不合格的焊口安排专人进行返修。

8．不合格焊口返修

组织专门返修小组对不合格焊缝进行返修，焊口返修采用手工焊接返修。二次返修不合格的焊口需割口重新焊接、拍片检查至合格。

五、材料、设备及劳动力组织

（一）工程材料

该工法在西气东输—陕京二线联络线工程第8标段运用时采用地工程材料有：

1．钢管

钢管标准：API Spec 5L（GB/T 9711.2）钢级：X70（L485）直径：Φ1016mm 壁厚：17.5mm 其化学成分和机械性能见表3。

表3 钢管的化学成分和机械性能表

表4 焊接材料表

本工法用到的保护气体为Ar气体和CO2气体。其中Ar气体纯度：≥99.96％，CO2气体纯度：≥99.5％，CO2气体含水量：≥0.005％。

（二）机具设备

本工法使用的主要机械设备见表5。

表5 主要机械设备表

本工法人员组织见表6。

表6 劳动力组织表

六、质量控制

1．制定长输管道全自动焊接施工项目管理质量方针、目标。成立施工质量管理项目组，明确项目部岗位质量管理职责。

2．施工前，检查验收管子的长度、钢管厚度、防腐层厚度、防

腐质量、管口质量（直径、椭圆度、管口垂直度、管子直度）等。对螺旋焊缝管，检查测量管口周长、直径，以使匹配对口，做到使两相邻管口直径误差＜1mm，周长误差≤4mm。对检查出的不合格的管子应标识隔离。

3．清理管口，采用专用清理工具将管口的坡口、钝边修好；机制坡口的内卷边要清除掉，螺旋管、直缝管管端内外焊道高出管壁10mm范围内要用砂轮机抹平且平缓过渡；管端内外20mm 内的锈迹要清除，直至见到金属本色。管组对接头的坡口形式应为Ｖ型，管道坡口角度应为22.5°±0.5°，钝边1.2～2.0mm，间隙2.0～3.0mm，组对错边量按10%管壁厚控制。

4．对口时，起吊管子的吊具不得损坏防腐层。组对时应控制错边量、螺旋焊缝或直焊缝错开量以及对口间隙，使其符合焊接规范要求。

5．焊接施工前对所有参加施工的人员进行交底，明确各项质量指标及要求，同时明确各岗位人员的质量职责，严格按规范及设计要求进行施工。

6．参加施焊的焊工必须是经过培训取得专业资格证书，同时通过针对当前施工管线焊接要求考试的合格者。

7．管口根焊没有完成时，不得撤出内对口器。在根焊过程中，不得活动管子或碰撞管子。根焊必须熔透，背面成形良好。根焊完成后，焊工应仔细自查是否有裂纹、夹渣、气孔等缺陷，如有，应消除

后重焊。

8．焊缝接头点，应略加打磨，相邻两层的接头点不得重叠，应错开20mm以上每遍焊完后焊工应认真清根，除去表层气孔、夹渣等缺陷，砂轮粉末也应清除。

9．焊接过程中，应注意控制层间温度，当层间温度低于规定要求时，应重新加热。

10．使用的焊接极性、电流、电压、焊接速度等应符合焊接工艺规程要求

11．焊道表面应成型良好，管口和焊道表面应无飞溅、裂纹、焊疤、气孔和夹渣等缺陷，焊道外观检验执行《油气长输管道工程施工及验收规范》GB50369-2006的规定

12．所用焊机须是完好设备，设备性能满足焊接工艺的要求。

13．所用焊材与设计要求相符，且通过焊接工艺评定，满足设计要求。

14．在下列任何一种环境中，如未采取有效防护措施不得进行焊接：

1）雨、浓雾天气；

2）大气相对湿度超过90%；

3）风速大于2米/秒，应采取有效的措施（如防风棚等）；

4）环境温度低于5℃，应采取有效措施（如石棉被等进行层间或焊后保温），防止焊缝冷速过快。

15．严把好各工序的施工质量，质检人员施工期间不离场，随时检查施工质量。

七、安全措施

1．建立安全保证体系，确定安全生产责任人。

2．对所有参加施工人员进行HSE安全教育，对施工中容易出现的安全隐患提前预防。做好各工序安全教育和安全技术交底。

3. 定期召开安全生产例会，定期组织进行安全检查工作，例行安全检查每周一次，安全员及相关人员对施工全过程进行全方位、全过程监督检查。

4.施工机械操作处要有规范的操作规程，特殊工种及专业施工人员要持证上岗，严格执行岗位责任制，做到自我安全保护“三不伤害”。

5.施工负责人及现场安全员负责施工现场安全，随时检查现场情况，发现问及时使处理。

6.施工人员要穿戴好劳动防护用品，劳动防护用品质量必须符合相关要求并定期检查，施工机械必须在使用前进行检查验收.

7. 电焊工要有相应的资格证，要严格遵守电气安全技术规程。除电焊机二次开关以下的电气线路外,电焊工不许使用其它电气线路施焊。对所有电焊设备都应进行日常使用前的故障检查。电焊机必须有接地线，电焊机一次接线处应加保护罩，电线应该经常保持绝缘良好。焊机机体的任何部位禁止与焊把未绝缘的金属部件以及任何裸露的导体相接触。电焊面罩应严密不漏光，焊接前应佩带好防护用品。焊

接时要按技术要求进行施工，打焊渣时，要防止焊渣伤眼或进入耳朵。

8. 在潮湿地焊接时必须采取绝缘措施，不得使人体、焊机或其它金属构件成为焊接回路，以防焊接电流造成人身伤害或设备事故。

八、环保措施

1.环境保护职能部门及人员对日常施工及生活进行管理和监督，发现不符合项及时纠正，保证环境处在一个良好状态

2.在施工作业区范围内与施工有关的焊丝、焊渣等垃圾和碎片应及时清理出场，并进行妥当处理。

3.建筑施工和生活垃圾不得随意堆放、遗弃或洒落，要集中收集，当天带回住地妥善处置。

4.设置生活垃圾集中堆放设备，对生活垃圾进行回收处理，禁止任意乱扔造成白色污染，并保持场地内清洁。

九、效益分析

在大港油田工程建设公司承建的西气东输—陕京二线联络线工程第8标段，直径为Φ1016的管线长约14.5km，壁厚为17.5mm和21mm 两种，焊口总数1237道焊口（全自动焊接）。对以上焊口进行100% X 射线检测，结果按SY/T4056－93《石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级》的Ⅱ级合格标准进行评定，一次合格率达到96.32％，比半自动焊接一次合格率提高了6个百分点，累计节约费用达到75.8万元。

在西气东输二线管道工程（西段）第十二标段中，管线直径为

Φ1219的管线长约80km，壁厚为18.4mm、22mm和26.4mm三种焊口总数达到7000道焊口。对以上焊口进行100% X射线检测，结果按SY/T4056－93《石油天然气钢质管道对接焊缝射线照相及质量分级》的Ⅱ级合格标准进行评定，一次合格率达到95％，比半自动焊接一次合格率提高了5个百分点，累计节约费用达到419.9万元，保证了大口径长输管道施工质量，而且取得了明显的经济效益。

本工法的成功应用，为大港油田工程建设公司培育了一支成熟的长输管道全自动焊接施工队伍，提高了公司的竞争实力，形成了新的利润增长点，为进一步开拓市场，打下了良好的基础，创造了良好的社会效益。

十、应用实例

2005年，本工法在大港油田工程建设公司承建的西气东输—陕京二线联络线工程第八标段工程中得到了运用，该工程于2004年12月10日开焊，2005年7月30日完工，管线直径为Φ1016，管线长约14.5km，壁厚为17.5mm和21mm两种，其焊接一次合格率达到了96.32%。之后在工程建设公司中标的西气东输二线等工程（西段）第十二标段中也运用此工法参与了长输管道的施工，施工效果良好。