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国内外油气管道焊接施工现状与展望 薛振奎隋永莉 摘薹管道输送具有经济、安全和不问断的特点。管道建设是一项大规模的焊接工程。本 文结合西气东输工程介绍r 国内外管道的焊接现状，并对未来的管道焊接方法进行了展望。 关键词长输管道、管线钢、焊接工艺、焊接设备 一、引言 我国的油气资源大部分分布在东北和西北地区，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 发和利崩的最大障碍。管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 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 三分之一。因此，我国政府已将“加强输油气管道建没，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”，总长超过万公里的油气管输格局。这预示着我 国即将迎来油气管道建设的高峰期。 我国正在建设和计划将要建设的重点天然气管道工程有西气东输工程，全长4 1 7 6 k m ， 总投资1 2 0 0 亿元，今年9 月正式开工建设，2 0 0 4 年全线贯通；涩宁兰输气管道工程，全长 9 5 0 k m ，已于2 0 0 0 年5 月开工建设，目前已接近完工，天然气已送到西宁；忠县至武汉输 气管道工程，全长7 6 0 k r n ．前期准备工作已获得重大进展，在建的1 1 条隧道已有4 条贯通； 石家庄至涿州输气管道工程，全长2 0 2 b n ，已于2 0 0 0 年5 月开工建设，目前已接近完工； 石家庄至邯郸输气管道工程，全长约1 6 0 k m ；陕西靖边至北京输气工程复线；陕西靖边至西 安输气管道工程复线；陕甘宁至呼和浩特输气工程，全长4 9 7 k m ；海南岛天然气管道工程， 全长约2 7 0 k m ；山东龙口至青岛输气管道工程，全长约2 5 0 k m ；中俄输气管道工程，中国境 内全长2 0 0 0 k m ；广东液化天然气工程，招商引资工作已完成，计划2 0 0 5 年建成。在建和将 建的输油管道有兰成渝成品油管道工程，全长1 2 0 7 k m ，已于去年5 月开工建设；中俄输 油管道工程，中国境内长约7 0 0 k m ；中哈输油管道工程，中国境内长8 0 0 k m 。此外，由广东 茂名至贵阳至昆明长达2 0 0 0 k m 的成品油管线和镇海至上海、南京的原油管线也即将开工建 设。除主干线之外，大规模的城市输气管网建设也要同期配套进行。 面对如此巨大的市场，如此难得的发展机遇，对管道施工技术提出了新的挑战。由于管 道敷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。 作者单位中国石油天然气管道科学研究院。 一3 2 8 二、管道施工用钢管 1 ．管线钢的发展历史 早期的管线钢一直采用C 、M n 、S i 型的普通碳素钢，在冶金上侧重于性能，对化学成 分没有严格的规定。自2 0 世纪6 0 年代开始，随着输油、气管道输送压力和管径的增大，开 始采用低合金高强钢O q S L A ，主要以热轧及正火状态供货。这类钢的化学成分C ≤ 0 ．2 ％。合金元素≤3 ％- 5 ％。随着管线钢的进一步发展，到2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初， 美国石油组织在A P I5 L X 和A P I5 L S 标准中提出了微合金控轧钢X 5 6 、X 6 0 、X 6 5 三种钢。 这种钢突破了传统钢的观念，碳含量为0 ．1 ％～0 ．1 4 ％，在钢中加入≤O ．2 ％的N b 、v 、T i 等合金元素，并通过控轧工艺使钢的力学性能得到显著改善。到1 9 7 3 年和1 9 8 5 年，A P I 标 准又相继增加了X T 0 和X 8 0 钢，而后又开发了x 1 0 0 管线钢．碳含量降到0 ．0 1 ％- 0 ．0 4 ％。 碳当量相应地降到0 ．3 5 以下，真正出现了现代意义上的多元微合金化控轧控冷钢。 我国管线钢的应用和起步较晚，过去已铺设的油、气管线大部分采用0 2 3 5 和1 6 M n 钢。。六五”期间，我国开始按照A P 标准研制X 6 0 、X 6 5 管线钢，并成功地与进口钢管一 起用于管线敷设。2 0 世纪9 0 年代初宝钢、武钢又相继开发了高强高韧性的X 7 0 管线钢，并 在涩宁兰管道工程上得到成功应用。 2 ．西气东输管道工程用钢管 西气东输管道工程用钢管为X 7 0 等级管线钢，规格为≠1 0 1 6 m m 1 4 ．6 N 2 6 ．2 m m ，其 中螺旋焊管约占8 0 ％，直缝埋弧焊管约占2 0 ％，管线钢用量约1 7 0 1 0 4 t 。 X 7 0 管线钢除了含N b 、V 、T i 外，还加入了少量的N i 、c r 、c u 和M o ，使铁索体的形 成推迟到更低的温度，有利于形成针状铁索体和下贝氏体。因此I 7 0 管线钢本质上是一种 针状铁紊体型的高强、高韧性管线钢。钢管的化学成分及力学性能见表1 和表2 。 衰1 西气东输管道工程X T O 蕾墁钢典型化学成分 生产厂C S i№ C rM oN iN b V T iC uPS P 嘲C ∞ 宝钢0 ．0 50 ．加1 ．5 60 ．0 2 60 ．2 l0 ．1 40 ．0 4 50 ．0 3 20 ．0 1 60 ．1 80 ．0 1 40 ．0 0 2 90 ，1 70 ．3 9 武钢 0 ．0 50 ，2 11 ．5 5 00 2 10 ．2 7 0 ．2 30 ．0 4 70 ．0 3 8 0 ．0 1 80 ．2 10 ．0 1 00 ．∞2 20 ．1 8O ，4 1 日本住友0 ．0 70 ．1 5I ．6 20 ．0 20 ．0 10 ．2 00 ．0 3 50 ．0 50 ．0 2 20 ．2 80 ．0 l l0 ．0 0 10 ．1 80 ．3 9 巷国O ．鸺0 ．2 71 ．5 70 ．0 60 ．0 t0 ．0 30 ．0 40 ．0 70 ．0 1 30 ．0 30 ．0 l l0 ．0 0 lO1 90 ．3 7 要求值0 ．0 90 ．3 51 ．6 50 ．2 50 ．3 00 ．3 00 ．0 80 ．0 60 ．0 2 50 ．3 00 ，0 2 00 ．0 0 50 ．2 l0 ，4 2 注地的允许量太古量在c 吉量每减少0 ．0 1 ％町以增加0 ．0 5 ％，但在产品分析中M n 含量不得超过1 ．7 5 ％。9 M o №l 的总古量不应超过M n 的量太允许含t4 - 0 ．2 0 ％。 裹2 西气东输管道工程X T 0 管线钢典型力学性能 屈服强度抗拉强度 生产厂壁厚．r t n n取样位置伸长率，％冲击韧性届强比 胁M P a 宝钢1 4 ．6横向5 2 56 4 43 73 4 1 J 一2 0 1 20 ．8 2 武粥1 4 ．6横向5 3 96 5 94 24 0 2 I 一2 0 ℃O ．8 2 日本住友2 1横向5 3 26 2 74 0 ．92 9 7 一2 0 ℃0 ．8 5 蕾国2 1 ‘ 横向5 0 76 0 74 0 ．52 6 7 一2 0 ℃0 ．8 4 要求值4 8 5 6 2 05 7 0与壁厚有关1 4 0 一2 0 ℃≤0 ．9 0 3 2 9 3 ．管线钢的焊接性 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。但由于焊接时管线钢经历着一系列复杂的非平衡 的物理化学过程，因而町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，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索焊条、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。 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榴区的再次加热引 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／ 8 ／5 来改善韧性。 随着管线钢的焊接性不断改善，焊接裂纹倾向小，焊接工艺得到简化，其焊接技术应向 高效和自动化方向发展。 三、焊接工艺 1 ．管道施工焊接方法 国外管道焊接施工经历了手工焊和自动焊的发展历程。手工焊主要为纤维素焊条下向焊 和低氢焊条下向焊。在管道自动焊方面，有静苏联研制的管道闪光对焊机，其在前苏联时期 累计焊接大口径管道数万公里。它的显著特点就是效率高，对环境的适应能力很强。美国 C R C 公司研制的a 配多头气体保护管道自动焊接系统，由管端坡口机、内对口器与内焊机 组合系统、外焊机三大部分组成。到目前为止，已在世界范围内累计焊接管道长度超过 3 4 0 0 0 k i n 。法国、前苏联等其他国家也都研究应用了类似的管道内外自动焊技术，此种技术 方向已成为当今世界大口径管道自动焊技术主流。 ．， 我国钢质管道环缝焊接技术经历了几次大的变革，2 0 世纪7 0 年代采用传统焊接方法， 低氧型焊条手工电弧焊上向焊技术，2 0 世纪8 0 年代推广手工电弧焊下向焊技术．为纤维紊 焊条和低氢型焊条下向焊，2 0 世纪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。 ． 手工电弧焊包括纤维素焊条和低氢焊条的应用。手工电孤焊上向焊技术如图l 所示，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，焊接过程中采用患弧 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 所示，是2 0 世纪 8 0 年代从国外引进的焊接技术，其特点为管口组对问隙小，焊接过程中采用大电流、多层、 快速焊的操作方法来完成，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，焊接效率较高。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。 一 自保护药芯焊丝半自动焊技术是2 0 世纪_ 9 0 年代开始应用到管道施工中的，主要用来填 充和盖面。其特点为熔敷效率高，全位置成型好，环境适应能力强，焊工易于掌握，是目前 管道旄工的一释重要焊接工艺方法。 一量Ⅺ一 随着管道建设用钢管强度等级的提高，管径和壁厚的增大。在管道施工中逐渐开始应甩 自动焊技术。管道自动焊技术由于焊接效率高，劳动强度小，焊接过程受人为因素影响小等 优势，在大1 7 1 径、厚壁管道建设的应用中具有很大潜力。但我国的管道自动焊接技术正处于 起步阶段，根焊自动焊问题尚未解决，管端坡日整形机等配套设施尚未成熟，这些都限制了 自动焊技术的大规模应用。 O 点 0 点 伊帮 心．力 ∞手工电氟厚下向焊 6 点 佃 手工电弧焊上向焊 圈1 手工电弧焊下向焊、上向焊示意图 目前自动焊根焊主要采用S 兀’半自动焊。S 1 T 半自动焊属于c o e 气体保护焊，它是通 过精确的基值和峰值电流和电压控制，使熔滴过渡更利于成型，焊接过程稳定，解决了飞溅 问题和大口径管道根焊环节单面焊双面成型的难题。 2 ．西气东输管道工程中应用的焊接方法 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孤焊 G T A W ，自保护药芯焊丝电弧焊 H 、A w 和手工电弧焊 S M A w 。 自动焊方法包括 1 内焊机根焊 自动外焊机填充、盖面。 2 S r T 气保护半自动 焊根焊 自动外焊机填充、盖面。 3 纤维索焊条手工电弧焊根焊 外焊机自动焊填充、盖 面。这几种焊接方法的区别在于根焊方法的不同。图2 所示为自动焊焊接过程。 a 自动内掉机根焊过程 ”自动外焊机填充、盖面过程 图2 自动焊焊接过程 针对管道局自动外焊机P A W - 2 0 0 0 、英国自动外焊机N O R E A S T ，集团公司工程技术 研究院自动外焊机A P W 1 1 分别进行了焊接工艺性能试验。试验结果表明，对于大口径、 一3 3 J 一 厚壁钢管，采用自动焊的方法焊接具有十分明显的优势，劳动强度大大降低，焊接嫂率显著 提高。试验还表明，自动外焊技术对坡口形状及管口组对要求严格 现场施工必须具备内对 口器、管端坡口整形机等配套机具。另外，采用手工焊或半自动焊方法进行根焊时，由于管 口组对间隙不同造成坡口形状、尺寸不一致，自动外焊机填充、盖面时就极易形成坡口边缘 未熔合，从而制约了自动外焊机优势的发挥。 半自动焊方法为纤维素型焊条手工下向根焊，自保护药芯焊丝半自动焊填充、盖面。 手工电弧焊方法为纤维紊型焊条下向焊根焊。低氢型焊条下向焊填充、盖面。 四、焊接材料及焊接设备 管道焊接施工中采用的焊接材料有纤维索型焊条、低氲型焊条、自保护药芯焊筵和O 岛 气保护实芯焊丝。纤维索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型。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得大量 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 0 2 气保护实芯焊丝主要用于s 1 T 半自动焊和全位置自动焊。 过去管道焊接施工中采用的纤维素型焊条和低氢型焊条主要依靠进口，如美国L I N C O L N 焊材，奥地利B O H L E R 焊材，瑞典E S A B 焊材，只本K O B E 焊材，法国S A F 焊材， 以及美国H O B A R T 焊材等，目前天津金桥、四川大西洋等公司也相继开发了管道下向焊用 纤维素型焊条和低氢型焊条。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 0 2 气保护实芯焊丝主要来源于四川大西洋，台湾锦泰，法国 S A F ，日本神钢等焊材生产厂家。 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。 ‘ 裹3 西气东输线路工程试验段使用焊材情况 焊材类别焊材标准号甩 途 A W S A5 ．1E 6 0 1 0 手工电弧焊根焊 纤维素型焊条。 A W S A5 ．5F m 0 1 0 一G 。 手工电掘焊热焊 A W A5 ．5E 8 0 1 8 一G 低氢馥焊条手工电氟焊填充焊、董面捍 A W S A5 ．5E S O l 8 一P i A W S A5 ．2 9 E T I T 8 一K 6 自保护药芯焊丝半自动焊填充焊、盖面焊 A W S A5 ．2 9E W I P 8 一N i l A W A5 ．1 8E I 钉0 S 一6 。 A W SA 5 ．1 8E R 7 n S G ，S I T 半自垂捏掉或内焊机根搏 。遵气保护实芯焊丝 A W S A5 ．1 8E R T 0 一G 自动外焊机用填充、盖面 A W S A5 ．1 8 球踟S G 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 等同题。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 一4 0 0 ，美国M I L L E R 公司的 3 3 2 X M T 一3 0 4 ，北京时代集团公司的Z X 7 4 0 0 B ，济南奥太公司的Z X 7 4 0 0 S T 等。 自保护药芯焊丝焊接时．美国L I N C O L N 公司的D C 一4 0 0 直流电源 L N 一2 3 P 送丝机 是较好的选择，另外M I L L E R 公司的X M T 3 0 4 直流电源 S 一3 2 P 送丝机，唐王D C 一4 0 0 L I N C O L NL N 一2 3 P 送丝机也可供选择。 C C h 气保护焊根焊时，适用的焊机为L I N C O L N 公司的期_ r 型逆变电源 L N 一7 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 焊机十U L T R A ．F E E D1 0 0 0 送丝机。 自动焊时，管道局的自动外焊机P A W 一2 0 0 0 是较好的选择，另外英国N O R E A S T 自动 外焊机、自动内焊机等也可供选择。 五、管道焊接施工未来的展望 随着管线钢性能的不断提高，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。 未来的管道建设，为获得施工的高效率和高质量，将优先考虑熔化极气体保护焊。而自 保护药芯焊丝半自动焊与手工电弧焊相结合，由于操作灵活，环境适应性强，一次性投资 小，对于太直径、大壁厚钢管是一种好的焊接工艺。 参考文献 [ 1 ] 张木早．我国油气管道建设将有大发展．中国化工报，2 0 0 1 年6 月2 1 日第3 1 0 9 期 [ 2 ] 李午申．我国新钢种及其焊接性的发展．第十次全国焊接会议论文集．哈尔滨黑 龙江人民出版社，2 0 0 1 [ 3 ] 辛希贤等．管线钢的焊接．西安陕西科学技术出版社，1 9 9 7 [ 4 ] 高惠临．管线钢．西安陕西科学技术出版社，1 9 9 6 [ 5 ] 李宪政．长输管线高效焊接技术及焊机特点．焊接技术，2 0 0 0 ，2 9 增刊 ． 一3 3 3