陈思达（广东国信工程监理有限公司，广东 茂名 525011）

0 引 言

工艺管道焊接在石化工程焊接总量中占比往往达到60%～70%，而工艺管道向来有运行工况苛刻、涉及材质复杂、焊接质量要求高等特点[1]。近年来，石化行业飞速发展，各种新建石化装置纷至沓来，在为石化工程建设带来生机的同时，也给参建单位带来了极大的挑战。目前，多数施工单位仍旧依赖于劳动密集型的焊条电弧焊，一味以增加焊工人工时的方式来保证焊接量。近年来，随着石化工程建设规模的扩大，焊工劳务需求与焊工资源的匮乏形成了巨大的反差，劳务成本也随着需求的增长而提高，因而部分施工单位开始探索新的管道预制方式，以提高焊接效率和降低成本。在以先进、安全、高效和可靠的工艺管道焊接方式取代传统人工密集型的手工焊接方式的大趋势下，自动化焊接的管道预制方式应运而生。

1 工程背景

63/30 万 t/a SMPO 装置是中海壳牌石油化工有限公司 SMPO/POD 项目的核心装置。项目建设投资约 50 亿元，属于新建工艺装置。装置规模涵盖 63 万 t/年苯乙烯（SM）、30 万 t/年环氧丙烷（PO）和 75 万 t/年乙苯（EB）。工艺管线焊接量总计约 1.905 万 m（75 万吋径），涉及的材料主要包括 A106-B、A672-C65、A335-P11、A691-1.25CR、A358-304L、A312-TP304L、A358-316L、A312-TP316L、A333-6、A671-CC60、A790-UNS S32760、A358-UNS S31254 等，既有同类别材料之间的连接，又有不同类别材质之间的异种钢接头。其中，最大管径为 DN2100（A358-304L），最大壁厚为 30.6 mm（A333-6）。

本项目要求工艺管道焊接一次合格率达到 96%，在工期紧张的情况下，施工单位决定在现场建设一条工艺管道自动化焊接生产线，投入生产线的主要设施包括 22 台埋弧焊机、4 台自动钨极氩弧焊机、11 台全位置自动熔化极气保焊机。该生产线每天可以完成的最大预制焊接量达到177.8 m（7 000 吋径）。

2 手工焊预制与自动化焊接预制的应用效果对比

在传统的工程建设中，工艺管道通常采用手工氩弧焊及焊条电弧焊组合焊接。传统的焊接方法虽然成熟和简单，但其焊接效率低下、人工成本昂贵、焊接质量不稳定等缺点制约其自身的发展。

管道自动化焊接是采用工厂化的生产方式，运用埋弧焊和自动气体保护焊等机动焊焊接方法进行管道预制的一种新型的工程建设管道焊接生产模式。以下结合中海壳牌SMPO 项目焊接质量管理工作，从质量控制、进度控制、成本控制和 HSE 控制四个方面对手工焊预制与自动化焊接预制实施效果进行对比分析。

2.1 质量控制

在传统的手工焊条电弧焊中，焊接质量受限于焊工技能水平，焊工技能水平参差不齐使得焊接质量难以处于稳定状态。即使通过技能考核的方式筛选焊工，也难以确保焊工在作业过程中始终处于正常发挥状态。自动化焊接的质量主要由焊接设备、焊接材料和焊接工艺参数控制，对焊工技能要求低，受焊工自身状态影响小。自动化焊接设备一经调试后将一直处于稳定状态（除设备故障外），由机械控制的焊炬电极始终处于适当高度，焊炬摆动和焊接速度不受焊工身体素质的影响，焊接参数稳定，有效确保了焊接质量。

此外，气候是影响管道焊接质量的重要因素。中海壳牌 SMPO 项目地处广东省惠州市近海区域，雨季频繁，风力较大，自动化焊接以工厂化的生产模式有效降低了环境因素对焊接质量的影响。

在中海壳牌 SMPO 项目中，活动口手工焊条电弧焊 RT检测一次合格率为 97.26%，而自动化焊接 RT 检测一次合格率达到 99.02%，远远高于业主制定的焊接质量目标。

2.2 进度控制

自动化焊接的焊接速度可达到 500 mm/min，且在大管径、厚管壁的管道焊接时更具优势。将埋弧焊作为自动化焊接的主要焊接方法，每名焊工每日人均焊接量可达7.62 m（300 吋径），而手工焊条电弧焊焊工每日填充盖面焊接量一般在 2.29 m（90 吋径）。中海壳牌 SMPO 项目工艺管线焊接总量为 1.905 万 m（75 万吋径），预制焊接量约为 1.206 2 万 m（47.487 3 万吋径），预制深度达到了63.90%，在不考虑环境及材料到货影响因素的情况下，若单独采用手工电弧焊填充盖面，则至少需要 100 名焊工在两个月内完成预制；而采用自动化焊接，则只需要 26 名机动焊工即可在两个月内完成预制。在实际施工过程中，项目手工焊条电弧焊焊工维持在 150 人以上，手工焊条电弧焊预制焊接量达 4 231.45 m（16.659 25 万吋径），在预制焊接量中占比 35.08%；而同时段机动焊焊工 25 人，机动焊焊接量达 4 582.24 m（18.032 45 万吋径），在预制焊接量中占比 37.97%。因此，采用自动化焊接在管道预制进度控制方面明显优于手工焊接。

2.3 成本控制

焊接成本主要由设备采购、设备损耗、劳务成本和焊材消耗组成。自动化焊接设备一次投入较大，但设备使用年限一般可以达到 10年，设备购置成本可以逐年摊销。通常，焊工薪酬是手工电弧的主要成本之一。目前理想状态下手工焊条电弧焊预制阶段大约需要 6 000 工日，而自动化焊接仅为 1 500 工日；焊工日薪普遍达到 500 元以上，采用自动化焊接可节省大量劳务成本。焊材消耗方面，手工焊焊接 7.62 m（300 标准吋径），大约需要 600 根 Ф3.2焊条；而采用埋弧焊仅需要一盘 20 kg 的焊丝和 15 kg 焊剂，既可节省近 20% 的焊材成本，又能避免因更换焊条而造成的焊材浪费。因此，采用自动化焊接可有效降低管道预制的综合成本。

2.4 HSE 控制

自动化焊接生产线主要设置在管道加工厂，作业环境较好，无需焊工手持焊把作业，劳动强度较低，可有效避免中暑等意外情况的发生。

另外，焊条电弧焊所产生的弧光和烟气对人体伤害较大，是焊工电光性眼炎和尘肺等职业病的主要诱因；而在埋弧焊焊接过程中，电弧始终在焊剂下方燃烧，无弧光，烟气少，极大地减少了对焊工的伤害。

3 自动化焊接质量管理的要点

自动化焊接生产效率高且焊材更换频率低，一旦出现焊接参数不当或焊材不匹配等问题，就会造成大范围的返工。因此，只有积极主动地掌握自动化焊接的质量管理要点，才能让自动化焊接技术更好地适应工程建设的发展要求。

3.1 熟悉规范和设计文件，掌握各种焊接方法的特点和要求

规范和设计文件是把控焊接质量的依据。虽然对于管道的自动化焊接，可采取的焊接方法有多种，可选取的焊接材料也很多样，但其在石化工程中的应用时间较短，普及程度也较低。因此，多数从业者对自动化焊接方法的特点及其在施工过程中的控制要求鲜有了解，对于自动化焊接的工艺评定、焊接材料和焊工资质管理等相关条文也知之甚少。为此，在焊接施工前，监理人员应掌握各种焊接方法的原理及所用设备特点，了解自动化焊接方法的焊接材料制作及验收标准，熟悉 NB/T 47014－2011《承压设备焊接工艺评定》中机动焊接方法的专用焊接工艺评定因素及各种焊接方法的通用评定规则，熟悉 TSG Z6002－2010《特种设备焊接操作人员考核细则》中机动焊的相关条文要求。只有熟悉各种焊接方法的焊接原理及其优缺点，以及适用工况和相关规范要求，才能做到知己知彼，有针对性地采取预防措施，有效处理问题。

3.2 做好焊接施工前的监理准备工作

在焊接施工准备阶段，监理主要从焊工资质、焊接设备、焊接材料、焊接工艺评定和工艺卡等方面进行重点控制。

3.2.1 焊工资质

自动化焊接所需焊工资质与传统手工焊不同且不可代用。依据 TSG Z 6002－2010《特种设备焊接操作人员考核细则》，手工焊工往往需要考取多项资质才能满足现场作业需求，而自动化焊接资质项目对试件的材质管径厚度、焊材类型、熔覆金属厚度均无要求，不仅降低了焊工取证成本，而且大幅度降低了焊工资质管理的难度，有效避免了超项问题的发生。自动化焊接在工艺上与传统手工焊焊接不同，在改变电流极性和焊丝类型时无需重新考核，但在资质考试项目中，存在“使用稳压系统、自动跟踪系统和遥控操作的焊工不得操作无对应功能的焊机，单道焊资质不得进行多道焊”的要求。

3.2.2 焊接工艺评定

焊接工艺评定（PQR）和工艺规程（WPS）是焊接生产的纲领性文件，是保障焊接施工质量的核心措施。在工程焊接前，监理须敦促施工单位整理管道料表，依据施工现场存在的母材材质壁厚、拟用的焊接方法和异种钢接头报验必要的焊接工艺评定，并以此为依据制定相应的焊接工艺规程。在自动化焊接的工艺评定中，气体保护焊改变气体种类及混合比例，改变熔滴过渡方式，药芯、实芯焊丝互换，埋弧焊改变焊剂混合比等都必须重新报验工艺评定；改变坡口、焊丝直径、电流极性，增加焊接位置，将对接焊缝工艺评定用于角焊缝焊接，自动化焊接与手工焊转换，均无需重新报验工艺评定，但应重新制定焊接工艺卡。

3.2.3 焊 材

焊材是影响焊接质量的主要因素。焊接施工前，监理须敦促承包商，依据 JB/T 3223－2017《焊接材料质量管理规程》制定焊接材料管理规定；依据 NB/T 47018－2017《承压设备用焊接材料订货技术条件》严格控制用于压力管道的焊材入场；不符合 NB/T 47018－2017 技术标准的焊材，不得用于压力管道的焊接。与此同时，还要重点关注药芯焊丝的使用。由于国内药芯焊丝生产技术尚未成熟，多数药芯焊丝均为酸性渣药芯焊丝，且无法保证药芯焊丝的均匀分布，目前少有符合 NB/T 47018－2017 技术标准的药芯焊丝，一般不得将药芯焊丝用于压力管道上。

3.2.4 焊接设备

焊接设备的性能决定了自动化焊接的质量，因而对其进场必须严格把关，确保焊机性能良好，传动设备、传感装置和送丝机构等设备灵敏有效。

3.3 加强自动化焊接的现场管理

3.3.1 “一机一料”

限制每台设备所焊接的管道种类可以保障该设备焊接材料的单一性，避免频繁更换不同材质的焊丝、焊剂和保护气体，防止因焊材与母材不匹配造成质量事故。同时，限制单台设备焊接的管道种类可促使施工队伍自觉进行管材分类分区堆放，杜绝了不锈钢与碳钢混放的现象，也避免了外观相近的管材混淆。

3.3.2 “一人一机”

限定自动化焊接焊工使用单台设备，以便对焊工进行持证上岗管理。“一人一机”也即“一人一料”，焊工只领用一类焊材，以利于在焊材领用环节把控焊材的使用情况。每位焊工只焊接单一材质，可快速增加焊工对此类材质焊接性的了解，从而提高整体焊接质量。另外，自动化焊接设备的服役年限往往较长，部分机器的实际焊接参数可能与预设值存在误差，“一人一机”有利于焊工把握机器性能，灵活调节参数，确保焊接质量。

3.3.3 埋弧焊控制要点

埋弧焊的焊剂在焊接过程中不仅起保护作用，还能补充焊缝合金元素，因而焊丝与焊剂的匹配尤为重要。焊剂呈颗粒状，本身无标识，且不同焊剂外观基本相同，因而必须要对焊剂的存放容器进行标识，以便焊剂的使用与回收。使用过的焊剂含有较多的杂质，且颗粒大小不一，易导致焊缝出现黑点和压坑，必须要严格控制新旧焊剂的比例。旧焊剂不得超过 50%，以约 30% 为宜；必须经过筛网筛除超大和超小颗粒，不允许回收焊剂并单独使用。

3.3.4 气体保护焊控制要点

气体保护焊的焊接效率和焊接质量不如埋弧焊，一般应用于埋弧焊难以焊接的管段，以提高结构复杂管段的焊接效率。对于气体保护焊，改变气体混合比会改变焊接熔滴过渡方式，因而不同的混合比就需要相应的工艺评定。半自动熔化极气体保护焊线能量较大，不宜使用在低温钢和不锈钢等对线能量要求较高的材质上。为保证二保焊焊缝成形美观和减少飞溅，在二保焊作业时，还应关注焊接电压与焊接电流的匹配。短路过度的二保焊通常使用经验公式 U＝0.04×I＋16±2（V）来选择适当的参数。

4 对自动化焊接质量管理的建议

（1）完善规范标准内容以适应不断出现的自动化焊接方法。现行规范标准的版本更替相对缓慢，在各类先进焊接方法不断涌现的形势下，难免出现无法可依的情况。在现行标准 SH 3501－2011《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》第七条“管道焊接”中，仅对氩弧焊和焊条电弧焊作相关管理规定，无涉及自动化焊接方法的相关条文；其余涉及管道焊接的石化标准，对自动化焊接方法的管理也是语焉不详。笔者建议，在后续规范标准的更替中，应扩充自动化焊接的相关管理要求，以适应不断发展的自动化焊接方法。

（2）监理单位应针对自动化焊接制定完善的相关监理工作文件。自动化焊接在石化工程建设中应用时间较短，监理人员在编制焊接监理细则等文件时通常仅针对传统的手工氩弧焊和焊条电弧焊，缺乏对自动化焊接相应的质量控制措施。例如，传统的焊接设备一般仅要求设备指示仪表灵敏有效，而自动化焊接设备的行走装置、送丝机构和跟踪系统等设备同样影响着焊接质量，较之于手工焊，其设备要求更高。此外，自动化焊接涉及的焊接方法和材料种类众多，各种焊接方法对应不同的质量控制重点，各种焊材也有各自不同的储存和使用要求，从而对施工现场管理和焊接材料管理提出了更高的要求。因此，监理单位在编写焊接监理细则等相关监理工作文件时，应针对自动化焊接制定更为完善的管理措施，以应对不断丰富的焊接方法。

5 结 语

自动化焊接是未来石化工程工艺管道焊接的主流方式。为了做好管道预制的自动化焊接质量管理，首先要保证工艺评定和工艺规程的正确性，安排娴熟的操作人员，使用合格的焊材。同时，监理单位应不断总结自动化焊接预制的管理经验，依据各种焊接方法的原理及其易发问题，有针对性地制定相关管理规定。这样才能更好地应对管道自动化焊接预制应用于石化工程的发展要求。