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管道研究

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山区管道全位置自动焊施工技术研究

来源:《管道保护》杂志 作者:葛华 时间:2021-1-19 阅读:

葛华

国家管网集团西南管道公司


 

摘  要:鉴于山区管道环境特点和全自动焊的质量、效率优势,广泛了解国内外焊接技术现状,开展了内(外)焊机研发、适应性设计研究、焊接质量控制和施工技术研究,通过试验和实践认证,形成一套适用于山区管道的全位置自动焊接技术。

关键词:山区管道;沟下;全位置;自动焊


我国地形总体呈现西高东低的三级台阶,山区包含山地、丘陵分布地区和崎岖高原,占国土面积三分之二。随着国民经济对油气资源需求的持续增长,高钢级、大口径的山区管道占比越来越大。无论是东西走向的中缅管道,还是南北走向的中贵管道,山区管道占比达70%,中缅管道坡度≤ 25°的管段占比达90%。

目前,国内外大口径管道在平原地区已实现全自动焊接大流水施工,中俄东线采用全自动焊和组合自动焊。全自动焊是指内焊机+外焊机组合的自动焊工艺。组合自动焊工艺是指手工或半自动方法完成根焊,外焊机自动焊完成填充和盖面焊。全自动焊接大流水施工技术优势在于:焊接工艺参数易控制、焊接过程稳定、焊缝力学性能优良,焊口质量易保证,焊接效率高。其主要使用条件:管道坡度不大于12°、土质管沟、施工作业面大、施工断点少。

山区管道不同于平原管道,具有起伏频繁、坡度大、坡长面窄、土层薄、石方多、弯头多、施工断点多等特点,严重约束了现有的全自动焊接技术使用。山区管道使用手工焊和半自动焊,施工效率低,管理难度大,焊口质量不易保障。据了解,正在开展的中缅天然气管道环焊缝质量排查结果显示,缺陷焊口仍然占一定比例。

为适应油气管网建设需求,在已实现平缓地带管道全自动焊的基础上,通过创新和技术突破,实现山区管道自动焊焊接,获得高质量的管道焊口,发展山区管道全位置自动焊接技术是非常必要的。

1  山区管道全自动焊接主要技术

根据山区管道环境条件的复杂性,全位置自动焊按坡度划分为:管道纵向坡度不大于25°沟下全自动焊接技术和大坡度全自动焊接技术 。

1.1  管道纵向坡度不大于25°沟下全自动焊接技术

管沟成型后,在管沟内采用内焊机+双焊炬外焊机,实现管道纵向坡度25°且带有曲率半径6D热煨弯管的管道焊口全自动焊接流水作业。 主要涉及到内焊机研发、限坡度设计、作业带设计、施工机具适应性技改、沟下流水作业施工技术等。 

(1)内焊机研发。现有工程使用的内焊机(图 1)适应12°的纵向坡度和曲率半径为40D的冷弯管。不能适应山区管道沟下全自动焊接,需进行山区内焊机研发。 研制的山区用内焊机(图 2),从结构、动力、制动等方面突破了爬坡能力和过弯能力(能通过6D热弯、爬坡25°),解决了不大于25°的山区地形內焊机能力的适用性。 

                        

(2)线路设计。通过路由选择和线路纵断面设计控制管道纵向坡度为不大于25°,同时减少施工断点,为沟下全自动焊接流水作业创造条件。 通过管线作业带宽度、坡度和地耐力、截排水、水工保护设计,为管道沟下全自动焊接提供施工条件。 

(3)施工机具技改。BGY60山地布管机是管道山地施工过程中运管、布管、对口等专用设备,适应海拔高度为3000 m以下,自重44 t、履带板宽度600 mm、设计最大爬坡能力30°。为增加设备稳定性和爬坡能力,加装了辅助履带助推装置,提高设备的山地施工性能(图 3)。

(4)移动电站改造。技术方案如下:①增加发动机功率。发动机采用不低于国III及以上排放标准,水冷6~8缸、电控高压共轨、涡轮增压、在1500 r/min时功率不小于149 kW、设备在35°斜坡运行时发动机燃油系统、润滑系统以及设备其他部件液压系统正常工作;②增加坡道驻车装置、增加履带宽度不小于600 mm、采用全液压驱动;③前后端安装牵引钩(牵引强度要大于设备自重),设备前端安装卷扬机,后端预留安装卷扬机位置及安装孔等,卷扬机为液压驱动,具备自锁、自救功能、牵引力不小于8 t、钢丝绳的长度不低于30 m,达到爬坡能力不小于25°、牵引爬坡能力不小于35°;④吊臂采用折叠臂360°(全回转)、起重量不小于6.3 t、最大工作幅度不小于8 m、最大工作幅度起重量不小于1.2 t、不侧向偏转设计; ⑤配置电流、电压、频率稳压装置。见图 4。

(5)机械防腐车。集抛丸除锈、中频加热和红外线加热于一体,增加坡道驻车装置,可实现坡度≤ 25°防腐补口作业。 

(6)焊接施工方案。管沟成型后,在管沟内采用内焊机+双焊炬外焊机开展全自动焊接流水作业。根据内焊机焊前准备和焊接时间,配置双焊炬外焊机数量,实现沟下全自动焊流水作业。挖掘机扫线并完成作业带整理和碾压,形成有5 km左右的连续焊接作业面。机械开挖管沟和焊坑;吊管机进行布管和组对;移动电站提供焊接电源;内焊机进行对口和根焊;双焊炬自动焊机进行填充和盖面焊接;AUT无损检测;机械防腐补口;水工砌筑和管沟回填。

1.2  大坡度全自动焊接技术

采用自适应单焊炬自动焊机与内(外)对口器协同作业,可实现管道大坡度焊口和连头口全自动焊接。 主要涉及外焊机和内对口器研发、焊接工艺及焊接接头质量控制等。 

自适应自动焊机可实现管道大坡度焊口和连头口“根焊―填充―盖面”全自动焊接。研制的山区管道内对口器,可适用于坡度40°的焊口内对口,并能通过曲率半径为6D的热煨弯管。研制了外对口器,配合单焊炬自动焊,适用于內焊机或内对口器不能使用的环境。

陡坡段焊接施工采用单焊炬自动焊工艺。配置一个工作站的机组施工。 方案一采用轻轨或者索道布管,逐根管道组对焊接(作业带允许的情况下,也可采用之字形道路,搭设施工平台);方案二可采用自动焊预制,吊装到位,该方案适用于短陡坡地段(图 5)。

1.3  焊接工艺

研究6G位置单焊炬外焊机单面焊双面成型的根焊技术,和单焊炬外焊机气保护药芯焊丝下向焊填充、盖面焊技术,可使用金属粉芯焊丝、实心焊丝以及气保护药芯焊丝,适用于沟下、山区等各类地形的焊接。

研究管道纵向坡度不大于25°的內焊机+双焊炬全自动焊技术,匹配实心焊丝或者金属粉芯焊丝进行根焊和填盖焊接,通过优化焊接工艺参数,可适应不大于25°坡度的自动焊焊接。

1.4  焊口质量控制

在现有焊接工艺评定和质量控制要求外,补充以下内容。

(1)焊接接头未熔合控制。研究热输入、摆宽、边缘停留时间、摆动速度等工艺参数对未熔合的影响规律,根焊层、热焊层及填充层中对未熔合影响因素主次为:热输入>摆宽>边缘停留时间;热输入及摆宽偏小,表现为上下坡口连续未熔合缺陷;停留时间偏小表现为有规律间断未熔合缺陷,摆动速度偏下表现为“冷溶”现象及下坡口单边未熔合缺陷,而摆动速度是克服重力对熔池影响,维持熔池形态的最重要参数;通过适当增加热输入、边缘停留时间和摆动速度可有效降低未熔合缺陷。

(2)焊接接头微观组织和断裂韧性。通过对自动焊焊接接头进行RT检测、组织观察、拉伸、弯曲、﹣20℃夏比冲击及CTOD系列试验,结果表明优化后的焊接工艺合格,接头综合性能达到标准要求,内焊机根焊接头断裂韧性优于外焊机根焊。试验过程中,存在冲击试验合格而CTOD试验不合格的情况,建议在焊接工艺评定中增加CTOD试验以充分评价焊接接头韧性。

(3)焊接接头缺陷容限分析与工程临界评估。通过大量的焊接接头性能试验,得到强度、断裂韧性等试验数据,绘制ECA研究所需的FAD图。参照BS 7910《金属结构缺陷验收评定方法导则》推荐的缺陷评定相关计算公式编制用于X70管道焊接接头缺陷容限尺寸计算的C语言程序,从而完成了可放宽缺陷容限验收标准的ECA分析,制定了工程临界评估企业标准。

(4)焊接接头残余应力与致裂边界条件。使用有限元模拟与试验相结合的方法,揭示了坡度及组对应力对长输管道连头口焊接残余应力的影响,得出长输管道焊接连头口上坡口根焊HAZ距焊缝中心2.5~5.5 mm处残余应力较大,该区域为危险区域。使用数值模拟及C语言编程,根据弹塑性变形公式,得到在上坡口根焊HAZ区2.5~5.5mm以及盖面焊HAZ区5.0 mm~7.5 mm处在焊接过程中及焊后极易开裂结论。

2  试验

在试验场地和焊接工作台对山区管道全位置自动焊技术的装备性能、焊接工艺和施工工序等进行试验。

大坡度管道焊口和连头口的焊接试验在焊接工作台进行。坡度45°,采用单焊炬外焊机单面焊双面成型的根焊技术,单焊炬外焊机气保护药芯焊丝下向焊填充、盖面焊技术。试验效果:焊口成型质量好、冲击韧性好,焊接效率高(表 1、表 2、表 3)。进行25°纵坡的场地试验,验证了布管机、焊接工程车、机械防腐等性能。

3  结论

通过对设计方法、装备研发、焊接工艺、施工技术等研究和实践,山区管道全位置自动焊技术可在管道坡度25°及以下的焊口实现内焊机+双焊炬外焊机自动焊沟下流水作业,在管道坡度大于25°和连头以及特殊地段的焊口实现单焊炬外焊机自动焊作业,完全实现山区管道所有焊口全自动焊接。


作者简介:葛华,国家管网集团西南管道公司技术专家,高级工程师。1985年毕业于华东石油学院储运专业,大学本科。毕业后从事管道工程设计工作27年,完成大天池构造带地面集输工程等40余项,荣获2004年国家工程设计金奖等多项奖励。2012年调入西南管道公司,完成中缅油气管道工程建设监管,现主要担任工程技术管理和科研工作。联系方式:18085810801,1581362180@qq.com。

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