朱曉臣 郭存杰 楊萬里 曹延雙 趙恒宇

北京天然氣管道有限公司維搶修中心

摘要：為解決長輸管道動火連頭作業打底焊接封口過程中遇到的氣流問題，設計了一種打底焊接平壓器，有效減少了氣流影響，保障了連頭作業進度及焊接質量。

關鍵詞：長輸管道；動火連頭；打底焊接封口平壓器；氣流

北京天然氣管道有限公司（以下簡稱北京管道）維搶修中心每年完成換管動火任務30余次、動火連頭焊口130余道。為解決打底焊接封口過程中氣流干擾，介紹一種可削減氣流影響的方法，以提高焊接作業效率，保障焊接質量。

1  打底焊接封口存在問題

換管動火作業打底（根焊）焊接一般采用手工鎢極氬弧焊（TIG），作業前長輸管道需經放空、氮氣置換。裸露管道經太陽暴曬造成管內氣體膨脹，置換后低溫氮氣因緩慢升溫（大地溫度、太陽暴曬）膨脹，使管線內部壓力高于大氣壓力，導致氬弧焊打底焊接時封口處會有氣體流出，削弱氬氣對焊接熔池的保護效果，降低焊接速度，還會產生焊接氣孔，嚴重影響焊接質量。一般采取以下削減措施。

（1）囊式封堵術。采用囊式封堵器進行封堵時，打底焊接封口處無氣流流出，但由于焊接工藝要求限制了封堵術的使用，有較大的局限性。

（2）靜置。靜置使管道內氣體壓力自然下降，待打底焊接封口處不再有氣體流出才能進行最后焊接封口作業，需要較長時間等待。

（3）放空。通過放空使管道內氣體壓力降低，但會有呼吸氣發生，需要等待與外界壓力慢慢平衡，影響作業速度。

2  打底焊接平壓器設計及應用

2.1  打底焊接平壓器設計

（1）打底焊接平壓器設計。北京管道維搶修中心工匠室根據封口時氣流的特點，依據氣體力學原理，在管道最后封口處設計加裝一個密閉箱體，使箱體與管線外壁嚴密貼合，形成焊縫的管內和箱內連通，管道與箱體形成氣壓平衡，達到管道內外壓力平衡狀態，削減氣流的影響[1,2]，抑制焊縫封口處氣體流動。同時，箱體上開設焊縫操作窗口，便于開展焊接作業。這一箱體即連頭打底焊接平壓器的雛形。

后期綜合考慮溫度、壓力等影響氣體流動因素，調整打底焊接平壓器設計并開展試驗，最終結構如圖 1所示。

1.操作箱體；2.與管線外壁面相匹配的弧形型面；3.第一操作孔；
4.密封容置孔；5.第二操作孔；6.氣壓表；7.泄壓閥；8.硅膠墊。
圖 1 平壓器示意圖

（2）打底焊接平壓器構成。在操作箱體的下端面開設與管道外壁面相匹配的弧形型面，將打底焊接平壓器的箱體安裝于焊縫打底封口處，弧形型面上布設密封墊[3]，以將操作箱體緊壓在管道上，操作箱體上設置封車帶，環繞箱體與管道一周，通過拉緊器對箱體施加壓力，實現打底焊接平壓器箱體的密封， 建立管內腔通過焊道封口處與操作箱體的連通，隨著氣流流進操作箱體，達成氣壓平衡，抑制封口焊縫內的氣體流動，此時可以開始焊接作業。

為保證焊接人員不影響操作箱體的密封性能，操作箱體開設第一操作孔、第二操作孔及密封容置孔。第一操作孔和第二操作孔分別連接密封手套，從箱體外側將密封手套伸入箱內，執行焊接操作，并保證過程中箱體內外隔離。密封容置孔內設置焊接設備密封件，箱外側設置焊槍密封管，用于密封氬弧焊槍或者附屬線纜等。第一操作孔箱體外側和第二操作孔箱體外側分別設置過渡管，密封手套尾部通過環箍固定在過渡管上，穩定固定，可在高密封條件下順利實現焊接操作。為準確把握焊接時機和便于拆卸，操作箱體上設置了氣壓表和泄壓閥。

（3）存在問題及解決辦法。試驗前期，使用空壓機給管道短節充氣，打底焊接平壓器與管道接觸處密封良好，能實現壓力平衡不再產生氣流[1]。由于空壓機輸出氣體壓力接近0.6 MPa，高于氬弧焊把的輸出氣體壓力0.2 MPa，經過打底焊接平壓器罩體的壓力和管道內壓力都能達到0.6 MPa，有效減緩了封口處氣流影響，打底焊接順利進行，焊接成型良好。  

試驗后期，考慮到現場環境，管內壓力僅略高于大氣壓，在空壓機上再安裝一只泄壓閥，使其輸出氣體壓力低于0.1 MPa，由于氬弧焊把的輸出氣體壓力高于空壓機給管道內施加的壓力[2]，焊接時液態熔池塌陷形成焊瘤。解決方案是在罩體上安裝壓力表與泄壓閥，通過閥門開合釋放一部分壓力，調節罩體內的壓力略高于管道內壓力，實現正常焊接。

2.2  打底焊接平壓器應用

在某Φ1016 mm×22 mm管道焊接封口時，使用打底焊接平壓器，5分鐘內封口處內外氣壓平衡，不再有氣流流出，打底焊接順利完成，使用效果良好。 但一個打底焊接平壓器無法滿足全口徑管線使用，需要制作不同曲率的打底焊接平壓器，根據管徑選擇使用。

3  結語

北京管道維搶修中心工匠室設計制作的管線連頭打底焊接平壓器，氣壓平衡建立速度快，相對于現有自然冷卻解決方案，有效減緩了打底焊接封口時的氣流影響，縮短了整體焊接操作時間，極大地提升了焊接效率和焊接質量。

參考文獻：

[1]宋戰兵.擴散—熱和氣體動力學不穩定性對管道中預混火焰形狀的影響[J].天然氣工業，2004，24(004)：97-100.

[2]張永明，黃書濤.環境壓力對焊縫組織和性能的影響[J].電焊機，2016(09)：54-59.

[3]劉杰.粘接和密封材料在石油化工機械中的應用[J]. 中國科技博覽，2014(29)：24-25.

作者簡介：朱曉臣，1988年生，北京天然氣管道有限公司維搶修中心焊工，現主要從事天然氣管道維搶修工作。聯系方式：18635693275，499424769@qq.com。