吴正林

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300459）

海上油气田工艺系统种类多，不仅包括原油处理系统、天然气处理系统等主要工艺系统，还包括辅助工艺系统、公用系统等。各个工艺系统中管道的占比极大，管道的规格和种类较多[1]。随着焊接技术的不断进步，自动焊技术逐步应用于海上油气管道的焊接。常见的如埋弧焊，用于大直径、大壁厚的管道等的焊接，但受焊接位置、焊接适用厚度等的影响，部分管道的自动焊接无法满足，尤其是全位置的焊接。本文以海上油气管道中常用的ASTM A106 GR.B 和ASTM A105管道，选取Φ273mm×15.1mm 的管道，开展基于爬壁机器人为平台的自动焊接技术，开展全位置的自动焊接技术研究，探索可行性，并确定适用的焊接工艺参数。

1 焊接材料

1.1 母材

本项目选用的母材为ASTM A106 GR.B，ASTM A105。表1为ASTM A106 GR.B 钢材的主要化学成分，A106B 钢材的抗拉强度、屈服点分别为≥500MPa，≥285MPa，伸长率大于等于34%。表2为ASTM A105钢材的主要化学成分。A105钢材的抗拉强度、屈服点分别为≥470MPa，≥305MPa 伸长率大于等于26%。

表1 ASTM A106 GR.B 钢材的主要化学成分（%）

表2 ASTM A15 钢材的主要化学成分

1.2 焊接材料

鉴于首次开展基于爬壁机器人全位置自动焊的技术研究，为保证焊接质量，本项目根据母材的焊接特点、等强匹配原则等，优选焊接材料。打底焊接GTAW焊接方法选用焊接材料为ER70S-G（林肯焊丝JG-50），填充盖面焊接FCAW 焊接方法选用E71T-1C（林肯焊丝PRIMACORE® V-71），化学成分详见表3、表4。

表3 ER70S-G（林肯焊丝JG-50）的主要化学成分（%）

表4 E71T-1C（林肯焊丝PRlMACORE® V-71）的主要化学成分（%）

2 焊接设备及工艺参数设定

2.1 焊接设备

本试验采用的全位置自动焊爬壁机器人由焊接电源、全封闭送丝机构、磁吸附无轨爬壁小车（含控制系统）等组成。具体详见图1。

图1 全位置自动焊爬壁机器人

（1）焊接电源：MIG/MAG 焊接中一个重要的原理是恒压，应用恒压特性，最重要的是实现自适应电弧。在自动焊接时，各方面的要求相对人工焊接，要求更加严苛。例如对外形尺寸的控制，在坡口准备和修补工作中都会有不同程度的变形，焊接过程中，焊接热输入会引起变形，然而外形尺寸的变化会影响干伸长，从而影响焊接质量。综合以上因素，选用了芬兰进口的KEMPPI 焊机，其具备WisePenetration ™调节功能，能够保证焊弧集中，电弧密度集中在狭窄的区域中。实现更好的熔深，更快的焊接速度，更少的热输入，减少焊接缺陷的风险，如咬边或未融合，且能够稳定电弧。特有的自适应弧长控制，可以使电弧始终保持在短路边界以内，无需对弧长进行手动微调。

焊接电源型号为FastMig X 450，电流、电压的可调区间为15A/12V ～450A/46V，空载功率：100W，暂载率：60%。按下起弧按钮即可实现自动焊接。

（2）全封闭的送丝机构：送丝机构采用封闭式设计，内部配备自动恒温加热装置，实现送丝机箱内部的温度恒定，能够保证焊丝不会出现凝露现象。根据设定的焊接工艺参数，实现精准送丝，与焊接电源、磁吸附无轨爬壁小车项匹配。其中较为关键的是送丝速度的设定，要保障设定好送丝速度，与焊接电源设定的电流、电压等、爬壁小车的行走速度相匹配。

（3）磁吸附无轨爬壁小车（含控制系统）：爬壁小车采用磁力吸附的方式，焊接不锈钢管道时需配置轨道，因本项目焊接用母材材质为碳钢，故无需采用轨道。小车自重10kg，控制系统型号为YX-150 型，可控制摆速、摆宽、行走速度、焊枪上下移动、角度调节等，摆速在1mm ～100mm 内连续可调，焊枪位置的移动上下在0mm ～30mm 内可调，左右在0mm ～70mm 内可调，焊枪角度在0°～10°内可调，摆动宽度控制在0mm ～30mm，可实现焊接行走速度控制在0mm/min ～750mm/min。同时可实现左、右定时控制在0s ～2s 内连续可调。

表5 确定的焊接工艺参数

2.2 焊接工艺参数确定及焊接控制

（1）坡口形式及焊接顺序。母材焊接形式为管-管对接，尺寸为Φ273mm×15.1mm。为保证焊枪的可达性、爬壁小车摆速、摆宽等因素，预留钝边控制在0mm ～2mm，坡口间隙控制在0mm ～4mm。本项目为全位置自动焊接，对坡口加工精度要求较高，采用机械加工的方式，严格控制外形尺寸，不允许存在变形。组对后不能存在错边。图2、图3为坡口形式、焊接顺序布置。

图2 焊接坡口形式及尺寸

图3 自动焊顺序布置

（2）焊接工艺参数。焊接工艺参数确定，不仅要考虑各参数间的匹配，同时要考虑焊接电流、焊接速度对驼峰的影响。具体的参数设定详见表5。

（3）焊接实施注意要点。①第一层打底焊接的质量要保证，采用GTAW 方法，保证足够的熔敷厚度。焊层表面若有杂质，要打磨清除。②自动焊接实施前，首先要保证焊枪上下、左右的位置，重要的是调节好焊枪的倾角；确定好摆动参数，爬壁小车的转速等，匹配一致后方可施焊，同时观察焊接电弧情况，如有问题停止施焊，调整后再进行。③自动焊接首层焊接，考虑焊枪可达性，坡口宽度较小，要降低摆动速度和宽度，采用较小的线能量进行焊接。④关注层间温度，层间清理可采用钢丝刷清理，祛除杂质，不能用尖锐的物体大力敲击。

3 性能测试及结果分析

设计和工艺评定的要求为ASME 标准，对试件进行了射线探伤。根据标准截取试样，并进行了拉伸、冲击、弯曲、宏观测试等测试。

（1）射线探伤（RT）：射线探伤结果详见表6，存在气孔等，长度分别为1mm，2mm。根据标准要求，合格标准为“圆形指示的最大允许尺寸为20%t 或者3mm，两者取较小值”，故射线探伤结果合格。

表6 射线探伤结果

（2）弯曲试验：弯曲试验的结果详见表7。选取4 个样品进行侧弯试验，经测定，测试合格。

表7 弯曲试验结果

（3）拉伸试验：取两个横向拉伸试样，断裂位置位于母材，结果分别为531MPa，535MPa，大于母材500MPa 的抗拉强度要求，拉伸测试合格。

（4）冲击试验：取样位置和数量分别为焊缝中心取3 个，间隔熔合线2mm 的区域取3 个，熔合区取3 个。试验温度为0°，三个位置吸收功均值为138J、47J、28J，测试结果均合格。

（5）宏观测试：宏观测试结果详见图4。观察焊缝区域，无缺陷存在，宏观测试合格。

图4 宏观测试结果

虽然上述工艺经过测试合格，但存在气孔等缺陷。针对此情况，分析产生气孔的原因为保护气体选用问题，故进行了工艺的优化，保护气体使用80%Ar+20%CO2代替纯CO2作为进行焊接，经过再次检测，气孔等缺陷已消除，同时力学性能测试结果合格。

4 结语

本文以海上油气管道中常用的ASTM A106 GR.B 和ASTM A105 管道，选取Φ273mm×15.1mm 的管道，开展基于爬壁机器人为平台的自动焊接技术，开展全位置的焊接技术研究，总结如下：选用合适的焊接电源、全封闭送丝机构、磁吸附无轨爬壁小车（含控制系统）等，要确保匹配；要控制坡口加工误差、焊接变形等，满足自动焊接的要求；保护气体采用纯CO2进行自动焊接，容易导致气孔的产生，建议采用80%Ar+20%CO2代替。