第11章 双管联焊技术
我国长输管道施工中，钢管长度一般为12m左右，钢管防腐后运到施工现场进行施工。为了提高管道焊接质量、减少现场的焊接量、提高效率，在管道施工现场附近建立双管联焊站（厂）。在双管联焊站（厂）内进行焊接、无损检测和防腐补口等工序。将两根钢管连接成一根长约24m的钢管，再将双联管运抵施工现场进行组装焊接。
11.1 双管联焊施工工艺简介
11.1.1 国内外双管联焊施工概况
双管联焊已在国外管道建设中得到较普遍的使用，特别是在大口径管道施工中，在地势相对平坦地带，采用双管联焊焊接技术是提高速度和降低施工成本的有效措施。在现场作业中，如果焊接相同的焊缝道数，使用双管联焊可比使用单根钢管提高生产率100％，整个工程的施工速度（包括穿跨越等）一般可提高70％以上，对于保证管线焊接质量和工期具有重要意义。
国外普遍采用的双管联焊生产形式有三种：一是在制管厂内增设双管联焊生产设施生产双管联焊，管道承包商直接从制管厂订购双联管，运往施工现场供使用，这种方法在中东一些国家普遍应用。这种双管联焊生产厂为永久式，设备固定，也比较复杂，但双联管的运输较为困难。二是在海运供货码头或铁路供货站附近建立半永久式双管联焊站。这种双管联焊设备比较简单。管道承包商从制管厂购买到钢管后在此加工成双联管，运往施工现场供使用。三是在施工现场设移动式双管联焊站，就地将单根钢管焊接成双联管，直接供现场使用。这种双管联焊生产设备简单，拆卸、组装、运输均十分方便，可随时将设备运输到合适的地点。
双管联焊生产厂和半固定式双管联焊站一般都采用埋弧自动焊工艺。国外早期采用的活动式双管联焊站的焊接工艺有所不同，一般根焊采用二氧化碳保护焊，然后送到自动化埋弧焊焊接生产线焊接其他焊道。目前，移动式双管联焊站也采用全自动化埋弧焊焊接工艺。
双管联焊作业在我国应用起步较晚，1988年，辽河石油勘探局油建一公司研制成功钢管对接自动焊作业线。该作业线适用于ф60～219mm管径范围内8m以下短管的接长。1991年，中石油管道局第二工程公司研制成功ф377～810mm管径范围内的双管联焊生产线。并于1991年应用于轮库管线，1996年用于陕京输气管线，1998年应用于苏丹原油管线的施工，取得了良好的应用效果。
11.1.2 双管联焊施工的优势
（1）提高焊接质量 在双管联焊站（厂）内生产双管联焊，可使焊接作业在固定的场所进行，便于采取有效的防护措施，如简易工房、固定式防护棚等，有利于保证焊接质量。长输管道双管联焊焊接一般采用埋弧自动焊工艺，焊接电流大、熔透能力强，由于采用自动焊焊接工艺，焊接质量比较稳定。
（2）生产速度快 在双管联焊厂内生产双管联焊，易于实现上管→传送→组装→根焊→传送→填充焊→盖面焊→下管的流水作业，充分合理地利用时间，提高了作业速度。
（3）缩短施工周期 采用双联管现场施工，由于每根钢管的长度从12m增加到24m，可提高近1倍的施工进度，双管联焊生产与施工现场的同步作业，实现工厂化作业与现场作业的同步进行，极大地加快了施工进度，缩短了施工周期。
（4）施工成本低 双管联焊生产的设备主要有作业线、对口器、焊机、发电机及配套设备。现场施工机组的设备主要有吊管机、焊接工程车、对口器、运输设备及配套设备等。双管联焊厂的设备投资远低于现场施工机组的设备投资，双管联焊厂的设备投资仅为现场半自动焊施工机组设备投资的1/5～1/3，是现场自动焊机组设备投资的1/8～1/5。双管联焊作业一般采用埋弧自动焊工艺，焊接效率高、价格低，因此，可大大降低施工成本。
双管联焊作业使用的人员也少于同等工作量的现场作业人员，工厂化作业与现场作业的同步生产，以及受天气的影响小等特点，缩短了施工周期。并可提高设备利用率，提高经济效益。
（5）改善工人的劳动条件 双管联焊生产在固定的场所进行，避免了现场作业的流动性，组装、焊接在固定的厂房内作业，可减少气候因素的影响，改善了工人的作业条件，有利于作业人员的身体健康和心理稳定，场区一般距生活区较近，避免上下班长途坐车，既减少旅途疲劳，又相对延长了有效的工作时间。
11.1.3 双管联焊施工的局限性
由于双联管的长度约24m，对钢管运输的要求有所提高。双管联焊一般可以在地势较为平坦地带进行施工，在山区、丘陵、沼泽、水网地区由于运输困难，对采用双管联焊施工技术有所制约。
11.2 双管联焊焊接工艺
双管联焊焊接工艺可根据钢管管径和壁厚的不同进行相应匹配，目的是充分发挥焊接的高效性和质量的稳定性。现介绍三种典型的双管联焊焊接工艺和相应的生产线。
11.2.1 焊条电弧焊（SMAW）+埋弧自动焊（SAW）
采用此种焊接工艺是通常采用的焊接组合工艺。适应于壁厚小于15mm钢管的焊接，能够充分发挥焊接的高效性。当壁厚超过15mm时，也可采用此方法，但焊接效率较低。焊接的工艺参数见表2-11-1。
表2-11-1 双管联焊焊接工艺
此种焊接工艺要求在两个工位上完成。为了能够形成流水作业，两个焊接工位相对独立。双管联焊焊接生产线应根据焊接工艺进行设计和布置，以满足焊接工艺要求为出发点。整条双管联焊生产线为固定式，运输时将各组总成件单独包装运输以节省运费。安装时将各总成件安装在砼基础上，上管平台和双管联焊平台可采用适用于钢管重量的型钢制造，平台上表面需要安装防止破坏钢管防腐层的胶皮或尼龙带。该生产线适用于直径小于20in的钢管使用。双管联焊生产线见图2-11-1。
图2-11-1 双管联焊生产线示意图
（1）施工工艺流程（见图2-11-2）
图2-11-2 双管联焊工艺流程框图
（2）双管联焊生产工艺
①用装载机将选好的钢管送至上管平台，在上管平台上进行管口清理。然后将两根单管推至对口平台。
②在对口平台上，利用折叠式的三角辊道将两根单管找正，利用手动液压外对口器进行对口并按焊接工艺指导书进行根焊。
③根焊完成后，将根焊焊好的钢管送至中间平台对焊道进行清理。
④将清理好的钢管用液压翻臂翻至传送辊轮上，然后将钢管推至自动焊工位。此时可将升降辊轮处于最高位置，在钢管就位后，落下可升降辊轮使钢管落入自动焊转台。
⑤找正焊枪和焊道位置，固定限位盘，使其与钢管保持接触，按工艺要求进行填充、盖面的焊接。
⑥焊接完成后，移开自动焊焊枪，放倒限位盘，升起可升降辊轮，将双联管推至下管平台一端，用液压翻臂将双联管翻至下管平台。
⑦在下管平台上进行无损检测及返修作业，检测合格后出厂。
（3）施工关键技术 根据施工工艺流程，在采用此项焊接工艺时需要注意并解决以下四个问题。
①合理的管口技术参数，以保证焊条下向焊打底及埋弧自动焊的质量，具体要求见表2-11-2。
表2-11-2 管口技术参数
②专门设计的折叠式三角辊道（见图2-11-3），既可保证双管联焊对口和焊后的直线度，又可使钢管纵向移动。三角辊道伸直后，根焊完成的双管联焊即从上管平台上滚入中间平台。
图2-11-3 三角辊道示意图
③管子对口采用手动液压对口器（见图2-11-4），可修正管口偏差保证根焊质量。
图2-11-4 手动液压对口器
④埋弧自动焊焊接时，作业线上设有限位盘，保证在焊接过程中管口环形焊道始终对准焊嘴。作业线上的可顶升辊轮是为焊接后钢管顺利输出而设置的。焊接转台由调速电动机驱动，使焊接速度平稳和可调。
（4）生产线功能 如图2-11-1所示，生产线由液压翻臂、传送辊轮、自动焊滚轮、限位盘以及上下管平台等主要部分组成。其主要功用如下。
①液压翻臂。用于将钢管翻落和翻离传动线。翻臂设计应满足钢管重量的升降要求。
②传送辊轮。用于将钢管在工位间传送。根据钢管直径大小可以加工制造成腰辊轮结构形式，增加钢管传送的平稳性。
③自动焊滚轮。用于将钢管旋转，以适应钢管所进行的埋弧焊接工艺。
④限位盘。限位盘主要用于防止钢管的轴向窜动。在进行埋弧焊接时由于钢管管径和作业线都存在一定偏差，在旋转焊接过程中，容易产生轴向位移，进而造成焊接的偏差，影响焊接质量。
⑤上下管平台。上管平台用于堆放单管，并在上管平台上进行根焊和热焊。下管平台用于焊接完成的双联管的临时堆放。
（5）人员配备（见表2-11-3）
表2-11-3 人员配备表
（6）设备配备 根据焊接工艺流程需要配备主要施工设备及专用机具见表2-11-4。
表2-11-4 设备配备表
11.2.2 STT+埋弧自动焊（SAW）
STT半自动焊是以STT焊接技术进行管道的根焊，根焊的保护气体采用的是CO2或Ar+CO2的混合气体。STT是“Surface Tension Transfer”的英文缩写，即表面张力过渡，是一种以表面张力为主要熔滴过渡力的焊接工艺。
1996年，中石油管道二公司在国内首家引进美国Lincoln公司的STT半自动焊，并针对苏丹管道工程ф711mm×10.7mm钢管，X65材质进行了多次试验，取得良好的效果。随后采用STT进行长输管道根焊方面得到较大范围应用。STT根焊工艺用于双管联焊焊接施工的优势在于减少了焊接辅助工序，即减少了两次清根的工序。同时，采用了STT半自动焊接方法进行根焊，埋弧焊填充盖面焊接的焊接工艺，提高了焊接效率，焊接质量也得到了提高。
以下是采用STT+埋弧自动焊（SAW）典型的双管联焊焊接施工工艺。
（1）STT+SAW焊接工艺
①焊接钢管。直径：ф711.2mm；壁厚：10.72mm；钢级：X65；管材生产方法：螺旋焊管。
管材化学成分及力学性能见表2-11-5。
表2-11-5 管材化学成分及力学性能
②焊接材料。根焊焊丝型号：JM-60；直径：ф1.2mm；保护气体：CO2；填充焊焊丝型号：H08MnMoTiB；直径：ф2.5mm；焊剂：SJ101；盖帽焊焊丝牌号：H08MnMoTiB；直径：ф2.5mm；焊剂：SJ101。
焊材化学成分见表2-11-6。
表2-11-6 焊材化学成分％
③接头设计。坡口简图及焊接顺序见图2-11-5。
图2-11-5 接头坡口简图及焊接顺序1～3—焊接顺序
坡口角度：60°±5°；间隙：2.5～3.5mm；钝边：0.5～1mm；错边：≤1.6mm；余高：0～1.6mm；盖帽焊缝宽：18～22mm。
焊道层数见表2-11-7。
表2-11-7 焊道层数表
④焊接准备。管口位置：立向下焊（根焊）+水平转动（填充焊、盖帽焊）；对口方式：气动内对口器；预热温度：100～150℃；焊接设备：STT+DC-1000。
焊接工艺参数见表2-11-8。
表2-11-8 焊接工艺参数
（2）配套生产线 生产线平面布置见图2-11-6。
图2-11-6 生产线平面布置图
生产线主要技术参数见表2-11-9。
表2-11-9 生产线主要技术参数
注：根据实际情况，本生产线对于不同的钢管其参数有所调整。
（3）施工工艺流程（见图2-11-7）
图2-11-7 STT+SAW双管联工艺流程框图
（4）双管联焊生产工艺 如图2-11-7所示，本条双管联焊生产线，为提高工作效率，实现流水作业，采用了双线并行生产工艺。采用龙门吊卸车并将钢管送至一侧的上管平台，利用两台装在平台两侧桁架上的电动葫芦将钢管从一侧平台吊至另一侧的平台并在此对管口选配、修口。本道工序尤为重要，它直接关系到组装质量及施工效率。
钢管选好后，利用上管液压翻臂将钢管翻至传送线，传到组装工位，并将内对口器发送至组装位置。升起对口转台，使钢管脱离传送辊轮。按动操作按钮，使两根钢管的管口相对位置三维可调，组装间隙调整好后撑紧对口器完成组装作业。
组装完成后，用环形加热器预热管口100～150℃，然后使用STT对钢管进行根焊。根焊时为保证焊接质量，使焊工始终在最佳位置焊接，焊好后打磨焊道接头并通过对口转台将钢管旋转90°，按上述位置对剩余焊道完成根焊。焊工操作基本处于立焊位置，有利于焊道成形及提高焊接速度。
根焊完成后将对口转台落下，退出对口器。将根焊焊好的钢管传送至自动焊（SAW）工位。如自动焊工位正在施焊，则将钢管暂存于中间过渡段。
自动焊转台为可升降的转台，找正焊道位置升起自动焊转台，同时启动自动焊转台和埋弧焊机，可对钢管进行填充、盖面焊接，填充焊和盖面焊接不间断进行，只需在填充、盖面交接处调整焊接工艺参数即可。
整个焊道完成后，落下自动焊转台，将钢管传至下管平台处，用液压下管翻臂将钢管送至双联管平台。在平台上完成无损检测、焊缝返修及防腐补口等作业，经龙门吊装车出厂。
为保证连续作业，两条线的平台均为100m以上，可存双联管100～300根。
以上工艺流程可多工序交叉同步进行，为了使作业流畅，在手工焊到自动焊工位间，传送线可存放一根根焊好的双联管，并在两线之间设有平台，一方面促进流水作业顺畅，另一方面可实现两线交叉作业。
（5）生产线功能 双管联焊生产线各部分主要功能如下。
①采用龙门吊卸管，既节省了吊车又实现了大量存管，运输方便，单管存放区通常可存管400根以上。
②在上管平台两侧采用双桁架电动葫芦，其主要作用是将一侧平台的钢管运到另一侧，此外还可以对钢管进行选配，两个电动葫芦由同一控制器操作，单动、联动可调，使用时不影响其他工序正常作业。
③组装系统由两组对口转台组成，每组转台顶起一根钢管，转台的升降通过液压缸的升降来完成，其中一根钢管上下可调，转台螺旋送进实现钢管送进的轴向移动，另一根钢管在转台上可实现上下、左右移动，实现了两根钢管管口的位置三维调节，操作人员边观察管口，边操作按钮，方便灵活，准确无误，加快了组装速度。两个转台既可分动又可联动，当两管螺旋焊道重合时，分动调整，而焊工完成了1/4焊缝的焊接后，转台联动旋转90°，完成余下的焊道，焊接始终保持在最佳位置进行，有利于保证焊接质量。
④钢管传送系统由若干组传送辊轮组成，由驱动电动机直接驱动，可实现两根单管和根焊双联管的传送。并可根据两个工位要求设置分组，组间可进行单动和联动。当根焊完成后，将整根管从手工焊工位传到自动焊工位。由于所有转台均为可升降的，传送时并不影响自动焊转台正常工作。
⑤自动焊转台采用可升降的结构，焊接时升起转台，使钢管脱开传送辊轮，进行填充、盖面的焊接。转台的调速采用变频无级调速，数字显示，准确可靠，调节方便。
⑥每条生产线由2套液压系统组成：组装液压系统、自动焊液压系统。组装液压系统负责上管及组装工序，自动焊液压系统负责自动焊转台及下管工序，自动焊转台配有高性能的同步阀，以保证两个执行机构的精确同步，操作方便。
⑦整条生产线采用一个电气总控柜控制，根据工序分别配备两个操作台，分别用于上管、组装操作和自动焊转台及下管操作。
⑧为保证焊接质量，改善工人的劳动环境，生产线手工焊及自动焊均在焊接工房内完成，并在每个工房内配备空调设备。
（6）生产线主要设备配备（见表2-11-10）
表2-11-10 双管联焊生产线设备配备
11.2.3 双面埋弧自动焊焊接工艺（以ф1219mm×18.4mm为例）
双管联焊焊接施工采用双面埋弧自动焊接工艺是借鉴于钢管厂制管生产工艺。制管厂螺旋焊管一般采用内外双面埋弧自动焊接工艺，对于大口径钢管焊接，采用此种焊接工艺能够加快制管焊接速度。
双面埋弧焊双管联焊生产线采用了类似于钢管制管的焊接工艺，即采用内外埋弧自动焊焊接双联管。该工艺特别适用于管径大、管壁厚的钢管焊接施工，可以大大提高焊接工效。
（1）焊接工艺 采用双面双丝埋弧自动焊接工艺必须根据钢管壁厚的不同制定不同的焊接工艺参数。以下以ф1219mm×18.4mm的管道双管联焊焊接施工为例介绍焊接工艺。接头形式及尺寸见图2-11-8，焊接规范见表2-11-11。
图2-11-8 双面埋弧自动焊接头形式及尺寸
表2-11-11 焊接规范
接头形式：对接；
坡口形式：X形；
钝边：7～8mm；
坡口角度：90°±5°；
对口间隙：0～0.5mm；
错边：≤3.0mm；
焊缝层数：4层；
余高：0～2.0mm；
垫板：无。
（2）配套生产线（见图2-11-9）
图2-11-9 双面埋弧自动焊焊接生产线示意图
（3）施工工艺流程（见图2-11-10）
图2-11-10 双面埋弧焊双管联焊流程框图
（4）工位设置 双管联焊生产设置两个焊接工位，即组装定位焊工位和内外自动焊工位，两工位操作独立互不影响。设置两个工位的目的是将双管联焊的生产形成流水焊接施工
（5）生产作业工艺 本生产线的双管联焊施工采用履带吊将坡口加工后的钢管放置在上管平台上，由上管平台中的液压翻臂将钢管放置在传送线上，并通过传送滚轮将钢管传送至组装定位焊工位，同时上管翻臂将另外一根钢管放置在传送线上并传送至组装定位焊工位。对口器发送仓设置在生产线端部，待组装钢管到达定位焊工位后，由定位焊转台将钢管托离传送线，并通过定位焊转台上的侧向旋转滚轮对钢管进行旋转，进行初对口调整错边量。初对口完成后，发送内对口器进行组装，并在管道外部进行预热，随后进行定位焊。定位焊为外部采用半自动焊在焊口满焊一遍。对口定位焊完毕后，定位焊转台下降将钢管放置在传送线并传送到内外自动焊工位。钢管到达内外自动焊工位，再由内外自动焊转台将钢管托离传送线，并进行焊接前预热达到规程规定温度，随后进行内部焊接。内部焊接是由设置在长度约16m大臂上的焊接机头完成，内部焊接完成半个圆周后，外部和内部同时进行焊接。整体焊接完成后自动焊转台下降，将钢管放置在传送线上并将其回传至下管平台位置，通过下管翻臂进行下管。在双联管平台上进行无损检测，检测合格的钢管进行防腐补口，需要进行返修的钢管通过轨道小车放置在返修区进行返修。补口后的钢管在平台底部由履带吊进行堆管或装车，完成整个焊接施工过程。
在进行内外焊接时，由限位盘对钢管进行限位，防止在焊接时钢管窜动。内焊时在钢管外部设置摄像头和监视器随时观察焊接位置的偏差并实时进行焊丝位置调整。在大臂内焊机头位置也设有摄像头，用以监视焊丝在管口的具体位置和焊剂的输送回收情况。
（6）生产线功能 双管联焊生产线各部分主要功能如下。
①坡口加工。根据焊接工艺要求，需要对钢管进行坡口的机械加工。采用专用钢管端面坡口机进行X形坡口加工，便于焊接。
②上管平台。上管平台用于堆放坡口加工完成后的钢管。可根据场地的大小制定不同长度的平台用于堆放钢管。
③对口系统由两组对口转台组成，每组转台顶升单根钢管，转台的升降通过液压缸的升降来完成。用以调整管口错边量。定位焊接时钢管可以旋转。使焊工始终在最佳位置焊接，有利于保证焊接质量。
④传送系统由若干组传送辊轮组成，由驱动电动机直接驱动，可实现两根单管和根焊双联管的传送，并可根据两个工位的要求设置进行分组，组间可进行单动和联动。传送电动机采用变频控制。
⑤自动焊转台采用可升降的结构，焊接时升起转台，使钢管脱开传送辊轮，脱开后进行内焊接和外焊接。
⑥生产线由2套液压站组成：组装液压站和自动焊液压站。组装液压站用于上管、组装工序，自动焊液压站用于自动焊转台及下管工序，液压执行机构均配有液压锁，保证在焊接时钢管稳定旋转。
⑦整条生产线采用一个电气总控柜控制，根据工序分别配备两个操作台，分别用于上管、组装的操作和自动焊转台及下管操作。
⑧内部埋弧焊接采用焊接臂完成，焊接臂长度约为16m，焊接臂端部安装焊接机头，用以完成内环焊缝的焊接。在焊接臂端部除安装焊接机头外，还安装有焊接辅助设施，主要包括照明、机头微调装置。
⑨生产线配置焊剂输送和回收装置，用以进行焊接时的焊剂输送和回收。
⑩为保证焊接质量，改善工人的劳动环境，生产线手工焊及埋弧自动焊均在焊接工房内完成，并在每个工房内配备空调设备。
（7）生产线安装 生产线可根据实际情况制造成每8～10m为一组的撬装结构，在现场制作混凝土基础，安装时将每组撬装结构摆放到基础上并找正调平固定即可，安装速度快。
（8）生产线主要设备配备（见表2-11-12）
表2-11-12 设备配备表
（9）主要人员配备（见表2-11-13）
表2-11-13 人员配备表
（10）焊接功效和适应性 本生产线可适应管径范围为ф813～1220mm钢管焊接。每台班可完成ф1220mm×18mm钢管焊接24道口。根据管径和壁厚的不同，焊接工效有所变化。
11.3 双联管的运输
11.3.1 一次倒管
一次倒管是指将预制好的双联管用运输车辆通过公路从双管联焊场地运输到施工作业带或作业带附近的过程。
①首先需要对现有的运输车辆进行改造，或者增加相应的技措方法，保证车辆能够运输长达24m的双联管。运输车辆改造是对一般的运管车进行改造，在运管车后增加一个炮车，通过连接桥与管车相连。炮车上安装刹车制动装置，保证车辆的整体安全。根据管径大小拉运数根双管联焊。
②根据需要运输的位置，先选择好运输路径。选择运输路径时应考虑当地道路的承载能力和转弯半径。
③车辆上路前需要和当地交通部门联系，获得当地交通部门许可后方可按照选择好的路径拉运双联管。
④对于转弯半径不够处，经报交通部门同意，可对其进行适当处理。
⑤双联管运输时，应以车队的形式，由引导车统一指挥。
⑥运输到位置后，可由吊车卸管，整体堆放在作业带内，堆放要求应按相关规范要求执行，以保证安全。
11.3.2 二次倒运
当运输条件较差，无法将双联管直接运到作业线上，就需要对双联管进行二次倒运。
①在地形和承载力较好的地段，用连接桥连接两个炮车运输双联管，牵引设备可以是轮式设备，这样运输较快。
②在地形平坦但承载力差地段，可以用连杆将两个爬犁连接好，由履带设备牵引，一次可拉运多根双联管。
11.3.3 布管
将运到作业线上的钢管，用吊管机将双联管均布在施工作业带上的过程就是布管。
如果双联管在沟上组装焊接，运输到位的管道应成锯齿状排布。如果双联管在沟下组焊，应布置在管沟上，组装时再吊管下沟。