引言
随着陆地石油资源趋紧，海洋石油勘探与开发、海上新能源、海上液化天然气等海洋工程成为国家能源安全的重要保障。在这些复杂的海洋工程项目中，涉及大量不同材质（如高强钢、耐腐蚀合金、复合材料）、不同管径与壁厚规格的管线铺设工作。其组对与焊接工艺要求极为严格，需适应深水高压、低温腐蚀等恶劣环境，并满足高强度、高密封性和长期安全运行的需要。这项技术直接关系到海洋能源设施的建设质量、运营安全和使用寿命，是我国推进海洋资源开发、提升海洋工程能力的关键核心环节。为保证管线组对和焊接质量，国内外学者在其工艺及方法进行了诸多研究。毛晓军[1]对管线焊接技术进行详细阐述，结合工艺标准提出了焊接质量的控制办法和提高质量标准的主要途径；冯冲[2]以直径108 mm、壁厚3 mm管线为例，对铜镍管线的焊接特点、焊接过程易产生问题以及焊接推荐做法进行了分析；闵祥军等[3]通过评定试验，对大壁厚双相不锈钢管线的焊接工艺进行开发研究。
综上，当前对海洋工程领域管线的组对和焊接的研究主要集中在焊接机理及工艺分析，鲜有结合现场施工情况，对管线组对和焊接的辅助技术进行研究分析。本文针对现场管线组对和焊接的痛点难点，结合施工过程中遇到的组对困难、焊接变形等技术问题，针对性提出四种组对焊接辅助装置，满足提高管线组对精度及焊接效率的需求，节省经济成本，为提高海洋工程管线组对焊接质量具有重要意义。
1 组对与焊接
1.1 组对
如图1所示，管线组对是指在管线总装过程中（一般包括热熔连接、承插连接、法兰连接、焊接等），将两段及以上的单管或管件按照设计要求进行精准对接。组对工序如下[4]：
（1）施工人员在组对前需要检测管材的材质规格是否符合设计要求，检查完毕后对管段的端口进行打磨清洁，之后对需要焊接的管段进行坡口加工；
（2）利用夹具、千斤顶或对口器调整管段位置，适用卡尺、激光对中仪等工机具调整管段间中心轴线的距离，控制错边量≤10%壁厚值；
（3）根据管径和壁厚调整焊缝预留间隙，检查组对后的错变量、间隙及坡口尺寸，对不合格的部位进行调整。
图1 管线组对
Fig.1 Pipe fit-up
1.2 焊接
如图2所示，管道焊接是指在加压、加热或在二者共同作用下，两段管段或管段与管件之间的金属达到熔融态，通过焊条、焊丝等填充物形成原子间结合，冷却后形成高强度、高密封性的整体的过程。
按焊接原理分类，焊接可分为电弧焊、电阻焊和钎焊等。其中，电弧焊在海工领域最为常见，其又可分为焊条电弧焊、气体保护焊和埋弧焊等[5]。
图2 管线焊接
Fig.2 Pipe welding
在海洋工程中，有碳钢、不锈钢、铜镍、玻璃钢、合金复合管、CPVC等材质，有3/8寸-48寸管径的管线，多样化的WPS决定着不同的焊接工艺，这都意味着管线组对与焊接的效率和质量决定着生产安全和产品的使用寿命。因此，如何高效、高质、精准地进行组对和焊接工作成为研究重点，下面提出四种用于海洋工程领域的组对焊接辅助技术。
2小口径管线组对及焊接辅助技术
2.1 技术原理
在海洋平台、海管、船舶等工程中，存在大量小口径管线组对焊接作业，此类管线总延米长，定位跨度高，无法在室内车间进行施工，一般采取地面接长后再整体安装就位。此方法虽然提高了管线安装效率，减小了高处作业的风险，但在地面接长组对及焊接时，由于需要利用木块垫、钢板垫等垫高方式对管线进行组对，管线组对的固定度和水平度差，组对精度低，使得焊接效率偏低。
针对上述问题，本文提出一种小口径管线组对及焊接辅助装置，如图3所示。其中，1为固定管线的角钢管座，2为用于调节高度的伸缩螺杆，3为支撑内螺纹套管，4为支撑底座。该辅助装置不受制于地面水平度、施工环境等限制，通过可调节伸缩螺杆可快速建立一条满足管线组对要求水平度的支架平台，将需组对的管线放置于固定角钢管座上，实现快速组对，极大程度地提高了组对效率。
图3 小口径管线组对及焊接辅助装置
Fig.3 fit-up and
welding auxiliary device for small diameter pipes
2.2 应用分析
该辅助装置使用步骤如下：使用前，结合组对管线长度，将3-4个装置分段放置于地面，如图4所示。利用水平仪检测管线组对通路是否位于同一水平线，通过旋调伸缩螺杆，使得管线放置于固定角钢管座之上并处于同一高度，控制管线组对错边量保持在合理范围，完成管线组对工作。
由于管线可以较好地固定在角钢管座上，管线不会发生摇晃、移动、位移等行为，支撑内螺纹套管的高度也提供了良好的焊接条件，使得管线的焊接效率和焊接质量得到了显著的提升。
图4 施工应用
Fig.4 Construction apply
3 小管径管线对接的组对及变形控制技术
3.1 技术原理
针对管径在1-2寸，厚度在3-10 mm范围内的小尺寸管线，焊接通常采用人工组对的方式，在作业过程中极易产生焊接变形，特别是对于有色金属管线，此类管线具有熔点高、热膨胀系数大、热影响区大等特点，其服役温度、工作环境和力学性能的要求更为严格，导致焊接后极易产生焊后变形、应力集中等问题，变形修复极为困难。
针对上述问题，本文提出一种小管径管线对接组对和变形控制工装，如图5和图6所示。其中，1为需要组对焊接的小管径管线，2为大力钳，3为工装的支撑横梁，4为张紧支架，5为调节螺栓，6为缓冲胶皮。该工装通过大力钳和张紧支架的耦合作用，利用调节螺栓实现组对管线的固定，不仅能够对小管径管线对接进行快速组对，还可以通过刚性固定有效控制焊接中的变形，焊后拆卸方便，可以反复利用，提升了小管径管线对接的准备效率。此外，张紧支架内侧表面设置有软性塑料材质的缓冲胶皮，该缓冲胶片可以对小管径管线进行缓冲保护，避免在固定过程中对小管径管线造成损坏，导致管线无法精确组对和焊接。
图5 小管径管线对接组对和变形控制工装
Fig.5 fit-up and deformation control device for
small diameter pipes
图6 工装横截面结构示意图
Fig.6 Schematic diagram of tooling cross-section structure
3.2 应用分析
该辅助工装使用步骤如下：使用时，通过调节大力钳实现张紧支架的开合和夹紧。如图5所示，4个调节螺栓按照90°角度平均布置在环形截面上，通过沿轴线方向等距布置四组该调节螺栓组，对小管径管线与张紧支架间的距离进行调节，实现管线的组对与压紧，保证组对间隙严格控制在2 mm-4
mm，从而实现对管线的焊接变形控制。
4 小尺寸管线弯头焊接防变形装置
4.1 技术原理
由于小管径、薄壁管线的截面惯性矩小，材料刚性差，使得此类管线受温度变化影响较为剧烈，局部区域在焊接时无法有效抵抗焊接产生的收缩应力而自由变形，而临边区域的金属对焊接收缩的约束作用较小，导致纵向收缩、横向收缩和弯曲变形的效果叠加[6]。此外，由于小管径管线散热面积受限，残余应力难以均匀分散，致使管线整体变形扭曲。特别涉及弯头焊接时，焊接变形将更为严重，这不仅会极大程度地降低管线焊接质量，还额外增加了经济成本。
针对上述问题，本文提出一种小尺寸管线弯头焊接防变形装置，如图7所示。其中，1为固定筋板，2为三角支撑梁，3为固定底板，4为螺旋调整装置。该工装组对和防变形原理同节3的小管径管线对接组对和变形控制工装类似，通过固定筋板和螺旋调整装置对管线固定后进行弯头焊接作业，焊接完成待焊道冷却后可移除装置，实现小管线弯头焊接100%不变形。
图7 小尺寸管线弯头焊接防变形装置
Fig.7 Welding deformation prevention device for
small size piping elbow
4.2 应用分析
如图8所示，该辅助装置使用步骤如下：使用时，利用砂轮机打磨坡口，清除油污和氧化层等杂质，通过螺旋调整装置调整三角支撑梁的夹持角度，根据管径将四块筋板固定在管线弯头焊接处，之后再次通过螺旋调整装置调整坡口间隙，焊接时按照WPS工艺要求分层焊接，焊接完成冷却后可取下该装置，实现小管径弯头焊接防变形。
图8 施工应用
Fig.8 Construction apply
5 可调节式法兰组对装置
5.1 技术原理
在海工领域，为满足管线系统连接、分流、转向、变径、密封和支撑等功能，管线除了与管线连接，也常与法兰、弯头、三通、异径管、管帽和支管台等管件相连[7]。其中，法兰连接可靠性高、可适应性强、安装较为便捷，在管线系统中被广泛应用。但管线系统中存在各种管径的管线，对于4英寸以下的小尺寸法兰，由于其自身重量较轻，施工人员可以较为轻松地将法兰托起到管线支撑台面进行组对和调整；但对于4英寸及以上的法兰，其体积更大、重量更重，单凭人力无法托起，必须使用吊车或倒链等方式将法兰吊起，在完成法兰角度和高度的调节后，将法兰与管线进行组对，这造成现场施工效率低下，增加了施工成本。
针对上述问题，本文提出一种可调节式法兰组对装置，如图9所示。其中，1为装置支撑底座，2为可调节式平台，3为水平仪，4为水平调节把手，5为支撑角铁，6为竖直调节把手，7为万向轮，8为管线组对法兰。该装置由支撑底座、可调节式平台和水平仪三部分组成，可调节式平台可以根据法兰尺寸进行调节固定，也可以根据管线与法兰的组对高度进行高度调节，同时通过水平仪辅助定位，可实现管线与法兰的快速组对。
图9 可调节式法兰组对装置
Fig.9 Adjustable flange fit-up device
5.2 应用效果
该辅助装置使用步骤如下：使用时，首先将需要组对的法兰立放到可调节式平台上，根据法兰的尺寸，旋拧水平调节把手带动支撑角铁移动，以使支撑角铁夹紧至法兰两侧。之后，再根据管线和法兰的组对高度，旋拧竖直调节把手调节可操作式平台至指定高度，以使法兰和管线轴心处于同一水平线上。同时，底座设置有4个万向轮，可以根据实际需求，在法兰定位组对时自由移动，以使法兰和管线保持合理组对间隙，最后根据装置上的水平仪调节法兰上法兰眼的角度，符合组对技术要求后，完成电焊定位工作。
6 总结
本文对海洋工程领域的管线组对和焊接工艺及要求进行了分析，针对小管径、薄壁管线以及大尺寸管件和管线的组对焊接难题提出了四种辅助技术方案，给出了四种辅助方案的技术原理和应用流程。工程应用结果表明：
（1）针对总延米长，定位跨距高的小管径管线，小口径管线组对及焊接辅助装置不受制于地面水平度、施工环境等限制，可通过可调节伸缩螺杆和固定角钢支座的共同作用，实现了此类管线的快速组对和焊接；
（2）针对小管径、薄壁管线焊接易变形的问题，小管径管线对接组对和变形控制工装通过大力钳和张紧支架的耦合作用，利用调节螺栓实现组对管线的固定，实现了小管径管线的快速组对，有效控制了此类管线的焊接变形；
（3）针对小尺寸管线弯头焊接变形严重的问题，小尺寸管线弯头焊接防变形装置通过固定筋板和螺旋调整装置对管线的固定作用，可实现小管线弯头焊接100%不变形；
（4）针对4英寸及以上的法兰重量重，组对难的问题，可调节式法兰组对装置通过可调节式平台水平角铁固定和竖直高度调节的功能，可实现管线与法兰的快速组对和焊接。
本文提及辅助技术适用于海洋工程领域和石油化工领域的管线和管件组对和焊接作业，可为后续类似的项目施工提供工程实践依据。
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