我国油气管道焊接技术发展综述

现代焊接 2 0 0 9 年第2 期 总第7 4 期J-1引言天然气既是高效洁净的新能源又是重要的化工原料，其突出优势是热值高、大气污染排放物少、能源利用效率高，应用广泛。以天然气及其副产品为燃、原料的产品作纽带可以形成上下关联衔接的产业集合，围绕天然气的生产和利用可以形成一个天然气产业链和商品链，可带动化工、建材、机械、冶金、电力、交通运输、环保等一系列产业，经济关联度大。我国的天然气资源主要分布在中、西部地区和近海地区。8 0%以上的资源集中分布在塔里木、四川、陕西、甘肃、宁夏、准噶尔、柴达木、松辽等盆地及东南海域。而消费市场绝大部分在东南沿海和中南部的大中城市等人口密集地区，这种产销市场的严重分离使油气产品的输送成为油气资源开发和利用的最大障碍。管道运输是突破这一障碍的最佳手段，与铁路运输相比，管道运输是运量更大、安全性更高、更经济的油气产品输送方式,其建设投资为铁路的一半，运输成本更只有1/3。因此，我国政府已将“加强输油气管道建设，形成管道运输网”的发展战略列入了“十五”发展规划。根据有关方面的规划，未来1 0 年内，我国将建成1 4 条油气输送管道，形成“两纵、两横、四枢纽、五气库”且总长超过万公里的油气管道运输格局。这预示着我国即将迎来油气管道建设的高峰期。2 0 0 8 年2 月2 2 日，在时隔不足6 年后，中国管道建设又一重点工程西气东输二线工程正式开工。该工程西起新疆霍尔果斯口岸，南至广州，东达上海，途经新疆、甘肃、宁夏、陕西、河南、湖北、江西、湖南、广东、广西、浙江、上海、江苏、安徽等1 4 个省区市，管道主干线和8 条支干线全长9 1 0 2 k m。工程设计输气能力3 0 0 亿立方米/年，总投资约1 4 2 0 亿元。西气东输二线管道与拟建的中亚天然气管道相连，工程建成投运后，可将我国新疆地区所生产的以及从中亚地区进口的天然气输往沿线中西部地区我国油气管道焊接技术发展综述作者简介：庞红印（1 9 8 0-），男，河北石油技术学院焊接专业毕业，现主要从事管道焊接技术管理工作。天津市众元天然气工程公司庞红印和长三角、珠三角地区等用气市场。管径的增加和输送压力的提高，均要求管材有较高的强度。近年来，在保证可焊性和冲击韧性的前提下，管材的强度有了很大提高。由于管道铺设完全依靠焊接工艺来完成，因此焊接质量在很大程度上决定了工程质量，焊接是管道施工的关键环节。而管材、焊材、焊接工艺以及焊接设备等是影响焊接质量的关键因素。我国在上世纪7 0 年代初开始建设大口径长输管道，著名的东北“八三”管道会战建设了大庆油田至铁岭、铁岭至大连、铁岭至秦皇岛的输油管道,解决了困扰大庆原油外输问题。该管道设计管径7 2 0 m m，钢材选用1 6 M n R，埋弧螺旋焊管，壁厚6 1 1 m m。焊接工艺方案为：手工电弧焊方法，向上焊操作工艺；焊材选用J5 0 6、J 5 0 7 焊条，焊前烘烤4 0 0、1 h,3.2 m m 打底、4 m m 填充、盖面；焊接电源采用旋转直流弧焊机；坡口为1我国油气管道焊接工艺应用情况摘要关键词本文概述了我国油气管道焊接技术发展的现状，随着我国能源工业的发展和能源结构的调整，管道建设越来越趋于向长距离、高工作压力、大口径、厚壁化方向发展，这就需要高质量的焊接材料和高效率的焊接方法与之匹配，保证环焊接头的强韧性。采用自保护药芯焊丝半自动焊与手工电弧焊相结合，由于其操作灵活，环境适应性强，一次性投资小，对于大直径、大壁厚钢管是一种好的焊接工艺。管线钢；下向焊；自动焊焊接行业热点话题、重点方向的专题阐述与分析专 题 综 述T O P I CS U M M A R YSummary of development of welding technology of oil and gas pipelines in ChinaMODERN WELDING TECHNOLOGYJ-2 0 0 9 年第2 期 总第7 4 期2现代焊接专题综述Topic Summary6 0 V 型，根部单面焊双面成形。东北“八三”会战所建设的管道已运行了3 0 年，至今仍在服役，证明当年的工艺方案正确，并且施工质量良好。上世纪8 0 年代初开始推广手工向下焊工艺，同时研制开发了纤维素型和低氢型向下焊条。与传统的向上焊工艺比较，向下焊具有速度快、质量好、节省焊材等突出优点，因此在管道环缝焊接中得到了广泛的应用。上世纪9 0 年代初开始推广自保护药芯焊丝半自动焊与手工焊相结合，有效地克服了其他焊接工艺方法野外作业抗风能力差的缺点，同时也具有焊接效率高、质量好且稳定的特点，现成为管道环缝焊接的主要方式。管道全位置自动焊的应用已探索多年，现已有了突破性进展，成功地用于西气东输管道工程，其效率、质量更是其他焊接工艺所不能比的，这标志着我国油气管道焊接技术已达到了较高水平。我国管道建设目前正处于大力发展阶段，因此管线钢的发展也非常迅速。在上世纪5 0 7 0 年代，管线钢主要采用A 3 钢和1 6 M n 钢；7 0 年代后期和8 0年代采用从日本进口的T S 5 2 K 钢（相当于X 5 2 级钢）；9 0 年代，管线钢主要采用的X 5 2、X 6 0、X 6 5 级热轧板卷，主要由宝钢和武钢生产供应。“八五”期间成功研制和开发了X 5 2、X 7 0 级高韧性管线钢，并逐步得到广泛应用。西气东输工程采用了X 7 0 级管线钢。本世纪初，由华北装备制造事业部第一机械厂研制的西气东输二线用X 8 0 级管2 油气管道用钢管2.1 管线钢的发展历史线钢、直径1 2 1 9 m m 2 2 m m 直缝埋弧焊管，通过由中国石油天然气集团公司和中国钢铁工业协会组织的专家鉴定，填补了国内大口径、高钢级直缝埋弧焊管生产的空白。管线钢的主要力学性能为强度、韧性和环境介质下的力学性能。钢的抗拉强度和屈服强度是由钢的化学成分和轧制工艺所决定的。输气管线选材时，应选用屈服强度较高的钢种，以减少钢的用量。但并非屈服强度越高越好。屈服强度太高会降低钢的韧性。选钢种时还应考虑钢的屈服强度与抗拉强度的比例关系屈强比，用以保证制管成型质量和焊接性能。钢在经反复拉伸压缩后，力学性能会发生变化，强度降低，严重的会降低1 5%，即包申格效应。在定购制管用钢板时必须考虑这一因素。可采取在该级别钢的最小屈服强度的基础上提高4 0 5 0 M P a。钢材的断裂韧性与化学成分、合金元素、热处理工艺、材料厚度和方向性有关。应尽可能降低钢中C、S、P 的含量，适当添加V、N b、T i、N i 等合金元素，采用控制轧制、控制冷却等工艺，使钢的纯度提高，材质均匀,晶粒细化，可提高钢材的韧性。目前采取方法多为降C 增M n。管线钢在含硫化氢的油、气环境中，因腐蚀产生的氢侵入钢内而产生氢致裂纹开裂。因此，输送酸性油、气管线钢应该具有低的含硫量，进行有效的非金属夹杂物形态控制和减少显微成分偏析。管线钢的硬度值对H I C也有重要的影响，为防止钢中氢致裂2.2 管线钢的主要力学性能纹，一般认为应将硬度控制在H V 2 6 5以下。随着管线钢碳当量的降低，焊接氢致裂纹敏感性降低，为避免产生裂纹所需的工艺措施减少，焊接热影响区的性能损害程度降低。但因焊接时管线钢经历着一系列复杂的非平衡物理化学过程，因而可能在焊接区造成缺陷，或使接头性能下降，主要是焊接裂纹问题和焊接热影响区脆化问题。管线钢由于碳含量低，淬硬倾向减小，冷裂纹倾向降低。但随着强度级别的提高和板厚的加大，仍然具有一定的冷裂纹倾向。在现场焊接时由于常采用纤维素焊条、自保护药芯焊丝等含氢量高的焊材，线能量小，冷却速度快，会增加冷裂纹的敏感性，需要采取必要的焊接措施，如焊前预热等。焊接热影响区脆化往往是造成管线发生断裂，诱发灾难性事故的根源。出现局部脆化主要有两个区域，即热影响区和粗晶区脆化，是由于过热区的晶粒过分长大以及形成的不良组织引起的，多层焊时粗晶区再临界脆化,即前焊道的粗晶区受后续焊道的两相区的再次加热引起的。这可以通过在钢中加入一定量的T i、N b 微合金化元素和控制焊后冷却速度获得合适的t来改善韧性。西气东输二线用X 8 0 级管线钢（其化学成分和力学性能见表1、表2），用管总量约4 4 0 万吨，其中直径1 2 1 9 m m1 8.4 m m 螺旋钢管占3 8 0 多万吨。2.3 管线钢的焊接性2.4 西气东输二线管道工程用钢管3.1 现场焊接的特点8/53 焊接工艺MODERN WELDING TECHNOLOGY由于发现和开采的油气田地处边远地区，地理、气候、地质条件恶劣,社会依托条件较差，给施工带来很多困难，尤其低温带来的麻烦最大。现场焊接时，采用对口器进行管口组对。为了提高效率，一般是在对好的管口下放置基础梁木或土堆，在对前一个对接口进行焊接的同时，开始下一个对接准备工作。这将产生较大的附加应力。同时由于钢管热胀冷缩的影响，在碰死口时最容易因附加应力而出问题。现场焊接位置为管管水平固定或倾斜固定对接，包括平焊、立焊、仰焊、横焊等焊接位置。所以对焊工的操作技术提出了更高、更严的要求。当今管道工业要求管道有较高的输送压力和较大的管线直径并保证其安全运行。为适应管线钢的高强化、高韧化、管径的大型化和管壁的厚壁化，出现了多种焊接方法、焊接材料和焊接工艺。我国钢质管道环缝焊接技术经历了几次大的变革，上世纪7 0 年代采用传统焊接方法，即低氢型焊条手工电弧焊上向焊技术；8 0 年代推广手工电弧焊下向焊技术，为纤维素焊条和低氢型焊条下向焊；9 0 年代应用自保护药芯焊丝半自动焊技术，到今天开始全面推广全位置自动焊技术。包括纤维素焊条和低氢焊条的应用。手工电弧焊上向焊技术如图1 a 所3.2 管道施工焊接方法3.2.1 手工电弧焊方法示，它是我国以往管道施工中的主要焊接方法，其特点为管口组对间隙较大，焊接过程中采用熄弧操作法完成,每层焊层厚度较大，焊接效率低。手工电弧焊下向焊如图1 b 所示，是8 0 年代从国外引进的焊接技术，其特点为管口组对间隙小，焊接过程中采用大电流、多层、快速焊的操作方法来完成，适合于流水作业，焊接效率较高。由于每层焊层厚度较薄，通过后面焊层对前面焊层的热处理作用可提高环焊接头的韧性。手工电弧焊方法灵活简便、适应性强，其下向焊和上向焊两种方法的有机结合及纤维素焊条良好的根焊适应性，在很多场合下仍是自动焊方法所不能代替的。图2 所示为下向焊流水作业平面布置图。目前使用的半自动焊方法分为两种：一种是采用自保护药芯焊丝进行下向焊的方法，这种焊接方法操作灵活，环境适应能力强，焊接效率高，焊接质量好，并且已具有相当多的施工经验，使用中没有更多的困难；另一种是采用实芯焊丝进行C O气体保护电弧焊下向焊的方法，如S T T 型C O逆3.2.2 半自动焊方法22现代焊接 2 0 0 9 年第2 期 总第7 4 期J-3专题综述Topic SummaryB0.0 0 0 6C0.0 6 5S i0.2 4M n1.8 5P0.0 1 1S0.0 0 2 8N b0.0 5 7V0.0 0 5T i0.0 2 4C r0.0 2 2Mo0.3 4N i0.3 8C u0.0 1A l/表1 试验用X 8 0 级管线钢的化学成分（w t%）s/s0.7 70.5bs（M P a）5 6 70.5s（M P a）7 3 9b（%）3 3.0表2 试验钢常规力学性能变焊机的应用等。这种焊接方法焊接效率高、操作灵活，但焊接过程受环境风速的影响较大。我国虽然在2 0 世纪7 0 年代就开始了管道自动焊技术的研究工作，但直到2 0 世纪9 0 年代才开始在管道建设中应用自动焊技术。如1 9 9 8 年管道局的P A W2 0 0 0 自动焊机在河南义马煤气管线进行了焊接试验，1 9 9 9 年进口英国N O R E A S T 公司的自动焊机在港清输气管道工程中进行了焊接试验，以及2 0 0 0年在涩宁兰输气管道工程中管道局的P A W2 0 0 0 自动焊机和进口英国N O R E-A S T 公司的自动焊机共同进行了自动焊工艺试验等。自动焊技术对施工过程中的各种变化适应性较差，因此保持管口椭圆度和坡口参数的一致性，对自动焊技术的质量稳定起着关键的作用。自动焊技术适合于地形平坦地段的管道焊接施工，尤其是在自然环境条件比较恶劣的地区，如戈壁、沙漠、无人区等，自动焊技术具有不可替代的应用空间和优势。结合不同的工程特点和施工环境因素，合理分配自动焊、半自动焊和手工焊的焊接任务量，将会使焊接效率、焊接质量、劳动强度和施工成本之间的关系达到最合理的效果。由于西气东输线路工程用钢管的强度等级较高，管径和壁厚较大，所以线路施工以自动焊和半自动焊为主,手工焊为辅。所涉及的主要焊接方法有熔化极气体保护电弧焊（G T A W）、自保护药芯焊丝电弧焊（F C A W）和手工电弧焊（S M A W）。3.2.3 自动焊方法3.3 西气东输管道工程中应用的焊接方法MODERN WELDING TECHNOLOGYJ-2 0 0 9 年第2 期 总第7 4 期4现代焊接专题综述Topic Summary焊材标准号A WS A5.1 E 6 0 1 0A WS A5.5E 8 0 1 0-GA WS A5.5E 8 0 1 8-GA WS A5.5E 8 0 1 8-P lA WS A5.2 9E 7 1 T 8-K 6A WS A5.2 9 E 7 1 T 8-N i 2A WS A5.1 8E R 7 0 S-6A WS A5.1 8E R 7 0 S-GA WS A5.1 8E R 7 0 S-GA WS A5.1 8E R 8 0 S-G用途手工电弧焊根焊手工电弧焊根焊手工电弧焊填充焊、盖面焊半自动焊填充焊、盖面焊半自动根焊或内焊机根焊自动外焊机用填充焊、盖面焊S T T表3 西气东输线路工程试验段使用焊材情况焊材类别纤维素型焊条低氢型焊条自保护药芯焊丝C O 气体保护实芯焊丝2用于S T T 半自动焊和全位置自动焊。目前，四川大西洋、天津金桥等公司也相继开发了管道下向焊用纤维素型焊条。管道施工中采用的自保护药芯焊丝主要为美国L I N C O L N 和H O-B A R T 的产品。适合的C O气体保护实芯焊丝主要来源于台湾锦泰、四川大西洋、法国S A F、日本神钢和助友等焊材生产厂家。为保证西气东输线路工程环焊接头的强韧性，经工艺试验选择使用了表3 所示的焊接材料。使用一般的直流焊机进行纤维素型焊条焊接，在小电流时易出现断弧、粘条、电弧不稳等问题。低氢型焊条对弧焊设备的要求较低，一般的直流弧焊设备即可满足要求。管道施工中手工电弧焊可供选择的焊机有美国L I N-C O L N 公司的D C-4 0 0、美国M I L L E R 公司的X M T-3 0 4、北京时代公司的Z X 7-4 0 0 B 和山东奥太公司的Z X 7-4 0 0 S T 等。自保护药芯焊丝焊接时，四川熊谷Z D 7-5 0 0 电源加上X G-9 0 送丝机是较好的选择。另外，唐王D C-4 0 0+L I N-C O L NL N-2 3 P 送丝机也可供选择。C O 气体保护焊根焊时，适用的焊机为L I N C O L N 公司的S T T 型逆变电源+L N-7 4 2 送丝机，飞马特公司的U L T R AF L E XP U L S E3 5 0 焊机+U L T R A F E E D1 0 0 0送丝机。我国目前没有较合适的焊机。自动焊时，管道局的自动外焊机P A W-2 0 0 0 是较好的选择。随着管线钢级的不断提高和国内225 管道焊接施工未来的展望X 8 0 管线钢在西气东输二线工程的成功焊接，更高级别管线钢X 1 0 0 和X 1 2 0不久也将应用在国内管道建设上，这就需要研发高质量的焊接材料和高效率的焊接方法与之匹配，保证环焊接头的强韧性。国内管道焊接技术的应用现状，在焊接材料、方法、工艺和设备等应用方面与国外的技术差距越来越小，自动焊技术已基本普及应用。但是国内的焊接材料多满足于手工焊，而自动焊丝和半自动焊材自主研发、生产不足，相当一部分还需要进口。同时国内焊接材料的性能也有待改善，产品系列化不足。在焊接电源方面，国内山东奥太、北京时代、四川熊谷焊机有了大面积应用，但是目前还不能像林肯焊机那样应用广泛；用于打底的自动根焊电源国内还没有生产。最近，深熔电子束焊、激光辅助熔化极气体保护电弧焊在管道应用上有突破性进展。因此，国内在焊接技术方面还有很大的提升空间，焊接用户对焊接材料和设备的需求也会进一步增加。参考文献 1 李宪政.长输管线高效焊接技术及焊机特点 J .焊接技术（2 0 0 0），2 9（增刊）2 吴夏.中国石油报.2 0 0 8（0 2）:2 9 3 辛希贤.管线钢的焊接.陕西科学技术出版社.4 薛振奎,隋永莉.长输管道焊接施工工艺 J .焊接，2 0 0 4（0 8）自动焊方法包括：内焊机根部焊+自动外焊机填充、盖面焊；S T T气保护半自动焊根部焊+管道外部自动焊机填充、盖面焊；纤维素焊条手工电弧焊根部焊+管道外部焊机自动填充和盖面焊。这几种焊接方法的区别在于根部焊方法的不同。在西气东输工程中，自动焊技术主要应用于西部地形平坦地段，共有1 1 家施工单位组建了1 5 个自动焊施工机组，采用管道全位置自动焊的方法焊接完成了大约6 7 0 k m 长的管线，约占全线总体焊接任务的1 7%。半自动焊方法为纤维素型焊条手工下向根部焊，自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面焊。手工焊接方法大量采用了纤维素型焊条下向根焊方法，大多数返修焊、连头焊和一些特殊地段、特殊焊缝的焊接采用纤维素型焊条根焊和低氢型焊条填充、盖面上向焊组合的方法。管道焊接施工中采用的焊接材料有纤维素型焊条、低氢型焊条、自保护药芯焊丝和C O 气体保护实芯焊丝。纤维素型下向焊条的药皮中含有3 0%5 0%的有机物，具有极强的造气功能,在保护电弧和熔池的同时增加了电弧吹力，适合于全位置单面焊双面成形；低氢型下向焊条的药皮中含有铁粉，可增加熔敷效率，提高焊接接头力学性能，适用于山区、水网等地形复杂或焊接自动化程度要求不高的场合；自保护药芯焊丝由药芯高温分解释放出的大量气体对电弧及熔池进行保护,同时通过熔渣对熔池及凝固焊缝金属进行保护，是管道施工的一种重要的焊接材料；C O 气体保护实芯焊丝主要4 焊接材料及焊接设备22MODERN WELDING TECHNOLOGY