长输油气管道焊接技术的发展与需求

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前言 * t) U$ {* P, G* f

    长输管道作为远距离油气输送的主要方式，随着我国能源工业的发展和能源结构的调整，管道工程建设迅猛发展。截止2003年底，输油气管道累计长度45865Km，居世界第六位；其中原油管道15915 Km、天然气管道21299 Km、成品油管道6525 Km、海底管道2126 Km。“西气东输”、“冀宁联络线”、“陕京二线”、“西部管道”等国内大型管道工程相继建成投产或即将完工，跨国管道“中哈管线”也即将完工，与俄罗斯及邻国、中亚等国的管线建设一直都在紧张筹划中。据国家规划，至2020年，我国油气输送管道基本形成分布合理、联络成网、互相调配、安全可靠、覆盖全国主要区域的油气管网，满足社会经济发展和人民生活需要。

    管道施工中的环焊部位是失效事故的多发位置，管道焊接技术是施工中必须确保的关键技术，不仅直接关系到工程的焊接质量、施工效率和成本，而且对管线运行期间的安全可靠性和经济效益也有重要影响。

    因此，开展管道工程的焊接技术研究，提高焊接技术水平，是现代优质、高效施工的必然要求。

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   1．管线钢的焊接性

    为了增加管道输送量和降低工程成本、满足越来越苛刻的使用条件要求，大口径、耐高压、薄壁化的高强韧性管线钢是发展趋势。国产高强X70管线钢在“西气东输”工程中全面使用，X80目前仅在冀宁管道上成功试用。德国、加拿大等欧美国家已经在陆地和海洋建设了很多X80管线；加拿大Trans Canada管道公司2002年完成了1km的φ1219mm×14.3mm的X100钢管试验段，Exxon Mobil公司于2004年在加拿大建成了X120钢管的1.6km试验段。【1】

    高强韧性管线钢属于低合金高强钢、低碳或超低碳的微合金控轧钢，采用了精炼技术、微合金钢技术、控轧控冷技术、形变热处理等先进技术，这使得管材含碳量极低、洁净度高、晶粒细化，具有较高的强韧性和良好的焊接性，尤其是焊接热影响区冷裂纹敏感性大大降低，粗晶区韧性大幅度提高，进一步适合高效率、大线能量的焊接工艺。

    然而，新的问题随之出现，如母材的低碳当量高强度化使得冷裂纹从焊接热影响区转移到焊缝金属中，多层焊接头中的局部脆性区问题等。因此对于低合金高强钢，应注意焊缝金属冷裂纹问题。对于大线能量焊接，必须对其焊接热影响区组织与韧性进行评定，特别要注意多层焊的局部脆性区问题。对于新发展的超细晶粒钢，要采用高能量密度、低热输入的焊接工艺来防止焊接热影响区晶粒的过分长大。

    2．焊接材料

    焊接材料的选择是长输管道焊接要考虑的一个重要方面，广义上包括焊条、焊丝、焊剂和保护气体，狭义上特指焊条和焊丝。【2】

    2.1 焊条

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    长输管道焊接用焊条目前多采用全位置下向焊焊条和传统的低氢型焊条，其执行标准为GB/T 5117-1995、GB/T 5118-1995、AWS A5.1-91和AWS A5.5-96等。全位置下向焊焊条分为两类：一类是高纤维素型的(基于管线钢C、S、P含量较低，可以考虑使用)，这种焊条焊接工艺性能好、熔渣量少，并且吹力较大，防止了熔渣和铁水的下淌，而且有较大的熔透能力和较快熔敷速度，在各种位置单面焊双面成型效果好，适于根焊和热焊，有代表性的如奥地利伯乐公司生产的BOHLER FOX CEL（AWS A5.1-91 E6010）和BOHLER FOX CEL 85（AWS A5.5-96 E8010—P1）焊条、美国林肯公司生产的FLEETWELD 5P+（AWS A5.1-91 E6010）和SHIELD ARC 70+（AWS A5.5-96 E8010—G）焊条、中船重工七二五所研制的SRE425G（AWS A5.1-91 E6010）、SRE505（AWS A5.5-96 E7010—G）和SRE555（AWS A5.5-96 E8010—G）焊条等。另一类是铁粉低氢型下向焊条，该焊条凝固速度快、铁水流动性和浸润性好、全位置焊时不易下淌、焊后焊缝金属韧性好、抗裂性好，适于各层的下向焊接，有代表性的如奥地利伯乐公司生产的BOHLER FOX BVD 85（AWS A5.5-96 E8018-G）焊条、美国林肯公司生产的LINCOLN LH D80（AWS A5.5-96 E8018-G）焊条。对于传统的低氢型焊条因其全位置上向根焊时，工艺性能一般、引弧困难、电弧稳定性差、飞溅较大、背面成型差、易气孔，故目前一般不再采用，一般用于维抢修和返修焊接填充盖面焊当中，有代表性的如四川大西洋公司生产的CHE507GX(GB/T 5118-1995 E5015)、CHE557GX(GB/T 5118-1995 E5515)。上述常用高纤维素焊条规格一般为Φ3.2mm、Φ4.0mm，铁粉低氢型焊条规格一般为Φ4.0mm，普通低氢型焊条规格一般为Φ3.2mm。

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    一般来讲，σ0.5（0.2）≤415MPa输油、输水管道干线焊接可选择高纤维素型焊条进行各层焊接；输气管道或σ0.5＞415Mpa输油管道干线焊接可采用高纤维素型焊条根焊、热焊+低氢型下向焊条填充、盖面的复合工艺。

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    2.2 焊丝

    长输管线用焊丝分为实心焊丝和药芯焊丝两种。

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    (1) 实心焊丝

    实心焊丝主要有两类：一类用于埋弧焊，另一类用于熔化极活性气体保护焊。埋弧焊用实心焊丝执行标准有GB/T 5293-1999,有低锰焊丝，如H08A(如四川大西洋公司生产的CHW-SG焊丝)配合高锰型熔炼焊剂，用于低碳钢及强度级别较低的管线钢焊接；中锰焊丝，如H08MnA、H10MnSi，配合高锰高硅低氟型熔炼焊剂主要用于管线钢焊接，并可配合低锰焊剂用于低碳钢焊接；高锰焊丝，如H08Mn2Si、H08Mn2SiA用于管线钢焊接；Mn-Mo焊丝，如H08MnMoA、HO8MnMoTiB，配合低锰中硅中氟型熔炼焊剂、氟碱型烧结焊剂或硅钙型烧结焊剂，主要用于强度级别较高的管线钢焊接。焊丝直径一般在1.6～6.4mm范围以内。

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    活性气体保护焊用实心焊丝执行标准有GB/T 14947-1994、GB/T 8110-1995、AWS 5.18-93和AWS 5.28-96等标准，最常用的焊丝有H08Mn2SiA（如相当于GB/T 8110 ER49-1），它具有良好的焊接工艺性能，适宜于焊接σs≤500MPa的管线钢。当焊接强度级别较高的钢种时，则应选择含Mo的焊丝，例如，国产H10MnSiMo焊丝和执行美国标准AWS 5.18 ER70S-G的锦泰公司生产的JM-58焊丝、BOHLER SG3-P焊丝和执行美国标准 AWS A5.28 ER80S-G的锦泰JM-68焊丝等。常用焊丝的规格为φ0.9mm、φ1.0mm、φ1.2mm等。

    (2) 药芯焊丝

    近年来，随着长输管线向着高强度、大口径、厚壁化方向发展，传统的手工焊焊接方法已逐渐地被半自动焊和自动焊焊接方法所取代，其中以半自动焊应用发展最为迅速，与之而来的是药芯焊丝得以迅猛发展。
药芯焊丝之所以能得到如此的重视和发展，与它自身的许多特点是分不开的，表现在：熔敷速度快，焊接生产率高；与实芯焊丝相比，药芯焊丝电弧软、飞溅小，焊接工艺性能好；熔深大，成型美观；综合成本低。

    药芯焊丝按焊接时保护方式的不同可分为气保护药芯焊丝和自保护药芯焊丝，其中自保护药芯焊丝以其特有的优越性在长输管道中广泛应用，执行标准有GB/T 17493-1998和AWS A.29-98。有代表性的有T8-Ni1型（例如天津金桥JC-29Ni1 Φ2.0mm焊丝、美国郝伯特HOBART 81N1Φ2.0mm焊丝）、T8-Ni2、T8-K6型（林肯NR207 Φ2.0mm焊丝）等，这种焊丝全位置操作性能好，熔敷速度快，同时焊缝金属韧性好，但焊缝金属在焊态下粗大的柱状晶组织的出现，使得其焊缝金属冲击韧性在焊态与热处理之间，多层焊和单道焊之间有很大的差别。因此采用T8型自保护焊丝焊接时，应严格控制焊接规范参数、热输入量、焊接道次以及每道焊层的厚度等。

    2.3 保护气体

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    长输管道的自动焊接多采用二氧化碳气体保护焊和氧化性混合气体保护焊，即所用的气体为CO₂、CO₂+Ar或CO₂+Ar+O₂。其中惰性气体（如Ar）在熔化极气体保护焊中的作用是把电弧和熔化金属周围的空气排开，以免空气中的有害成分影响电弧的稳定性和液态金属被污染。其它非惰性气体（如CO₂、O₂）也能用来作为熔化极气体保护焊的保护气体。其前提是这些气体虽然能与被保护液体金属发生某些冶金反应，但在焊接过程中可以创造条件使这些反应的后果不至于造成对焊接接头的危害。如采用CO₂作为保护气体，虽然在焊接过程中CO₂在电弧的高温下分解出O₂和CO₂，进而使Fe氧化生成FeO和可能导致气孔，但这一不良影响可通过在焊丝中加入适量的Si、Mn等脱氧元素来予以解决。研究发现，保护气体成分和流量对焊缝成型有一定的影响，成分和流量不同，焊缝中含氧不同，焊缝成型不同，缺陷几率也不同。如进行STT气体保护焊根焊时采用纯CO₂作为保护气体且流量偏大时，因CO₂分解吸热作用焊缝冷凝加快，铁水流动性变差，致使正面焊缝易形成山脊形，在随后的焊接过程中其凹陷处易导致未熔合、夹渣等缺陷，背面焊缝易导致假熔现象,这一问题在施焊环境温度较低和线能量较低时表现尤为突出。此外，焊缝因快速冷凝易导致焊缝中气孔。若采用CO₂+Ar混合气体如CO₂(15～20%)＋Ar(85～80%)可改善铁水流动性，获得良好的焊缝成型，母材与焊缝过渡良好且焊缝中含氧量低，焊缝冲击韧性好。这一点在选择保护气体成分和流量时应引以重视。

    2.4 焊剂

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    选择焊剂时主要考虑焊剂的类型、焊剂与焊丝的匹配特性、焊剂的冶金性能和工艺性能。此外焊剂的粒度、含水量、机械夹杂物、硫磷含量也应予以考虑。从改善焊缝金属韧性的角度考虑，可选择高碱度焊剂。但应注意，当碱度超过某一临界值时，再提高碱度则会导致焊缝韧性下降，这主要是因为对于管线钢焊接时，要求较高的焊接速度，特别是在厚板不开坡口、不留间隙的条件下，工艺性能恶化，焊缝表面出现气孔、麻点，焊缝中氧化物夹杂物明显增多，导致韧性下降。因此，合理选择焊剂，对提高焊缝韧性有重要意义。

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    3．焊接电源

    随着电子技术和现代控制技术的发展，数字化逆变焊接电源是弧焊电源发展的主要方向。它体积小、重量轻、节能省材，而且控制性能好，动态响应快，易于实现焊接过程的实时控制，在性能上具有很大优势。同时集成了专家系统、模糊控制、神经网络技术等智能控制方法的数字化逆变焊接电源，可以实现一元化调节，对焊接过程中出现的不确定因素做出实时处理，保证稳定的焊接过程和焊接质量。国内时代、奥太等焊机生产厂家早已成功推出软开关控制的逆变焊机，双丝双弧、双丝单弧、多丝多弧等技术在国外也有应用。

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    现在，我国逆变焊机电源已形成4代产品：第一代是以可控硅SCR为主功率器件的逆变器；第二代是晶体管逆变器；第三代是场效应管逆变器；第四代是IGBT逆变器，其逆变频率高，饱和压降低，功耗小，效率高，无噪声，与前3代逆变器相比，优势更明显。

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    但是，目前施工现场还很少使用IGBT逆变焊机。纤维素型焊条焊接时采用一般的直流焊机，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使用的焊机有美国LINCOLN公司的DC-400，美国MILLER公司的XMT-304，北京时代集团公司的ZX7-400B，济南奥太公司的ZX7-400ST等。

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    自保护药芯焊丝焊接时，可选用美国LINCOLN公司的DC-400直流电源+LN-23P送丝机，另外MILLER公司的XMT304直流电源+S-32P送丝机，唐王DC-400+LINCOLN LN-23P送丝机也可供选择。

    CO2气保护焊根焊时,可选用的焊机为LINCOLN公司的STT型逆变电源+LN-742送丝机，飞马特公司的ULTRA FLEX PULSE 350焊机+ULTRAFEED 1000送丝机。

    4．焊接方法和设备

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    目前国内外长输管道常用焊接方法主要有：（1）手工焊，包括药皮焊条电弧焊（SMAW）、手工钨极氩弧焊（TIG）；（2）半自动焊，包括熔化极气体保护半自动焊[包括活性气体保护STT(Surface Tension TransferTM)半自动焊、半自动熔化极氩弧焊（MIG）、半自动活性气体保护焊（MAG）、自保护药芯焊丝电弧焊（FCAW）；（3）熔化极活性气体保护自动焊（AW）。此外，还有埋弧自动焊（SAW）、电阻焊—闪光对焊（FBW）等。我国在西气东输管道工程后主要以自保护药芯焊丝半自动焊和熔化极活性气体保护自动焊为主。

    4.1手工焊

    手工焊主要指焊条电弧焊和手工钨极氩弧焊。

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    (1) 焊条电弧焊

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    具有灵活简便、适应性强等特点，同时由于焊条工艺性能的不断改进，其熔敷效率、力学性能仍能满足当今管道建设的需要，尤其时焊接补焊时应用更广泛。焊条为纤维素型焊条和低氢型焊条，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其它焊接方法所不能代替的。

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    (2) 手工钨极氩弧焊

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    焊接质量好，背部无焊渣，一般用来进行站场压缩机进出口、球阀等设备，以及管径较小、壁厚较薄的工艺管道，安放式角焊缝的安装焊接。钨极氩弧焊方法要求焊前严格进行坡口清理，焊接过程中须有防风措施。

    4.2半自动焊

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    即自保护药芯焊丝半自动焊和CO₂气保护半自动焊，它们都是下向焊方法。

    (1) 自保护药芯焊丝半自动焊

    该项技术在1996年的库鄯线管道工程中首次应用于，随后在苏丹、兰成渝、涩宁兰等管道工程中推广应用。这种焊接方法操作灵活，环境适应能力强，焊接熔敷效率高，焊接质量好，焊工易于掌握，焊接合格率高，是目前国内管道工程中重要的填充、盖面焊方法。

    (2) CO2气保护半自动焊

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    随着焊接电源特性的改进，通过控制熔滴和电弧形态，CO₂气保护焊的飞溅问题已基本解决，并开始在管道焊接中扮演重要角色，如STT型CO₂逆变焊机的应用等。这种焊接方法操作灵活，焊工易于掌握，对不同的坡口适应性强，焊接质量好，焊接效率高，焊道光滑，但焊接过程受环境风速的影响较大。STT半自动根焊要求管口组对过程中保持对口间隙均匀一致，否则将会在后序的填充、盖面焊道中产生坡口边缘未熔合、夹渣等缺陷。

    4.3 自动焊

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    自动焊可应用于根焊和填充、盖面焊。

    (1)自动根焊

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    自动根焊方法采用自动内焊机或外焊机单面焊双面成型。

    a. 内焊机

    “西气东输”管道工程中使用的自动内焊机是针对Φ1016mm管径的管道根焊焊接专机，分别为英国NOREAST公司生产的内焊机和中国石油天然气管道局PIW3640型内焊机。其特点为适用的管径范围窄，设备一次投资较大，但焊接效率非常高，Φ1016mm的钢管根焊需时约70秒钟左右。由于是在钢管内进行焊接，焊接过程中受环境风速的影响比较小，如图1所示。

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图1 管道自动内焊机焊接过程

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    b. 自动外焊机单面焊双面成型根焊

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    单面焊双面成型根焊设备主要为意大利PWT公司的CWS.02NRT型自动外焊机，以及美国LINCOLN公司的STT电源匹配自动外焊机。自动外焊机单面焊双面成型的根焊设备解决了不用背面衬垫的单面焊双面成形根焊问题，根焊厚度达4.5ｍｍ，远高于内焊机的焊接厚度（1～1.2ｍｍ），焊接效率高，Φ1016mm的钢管根焊需时约8分钟左右。由于采用气体保护，焊接过程对环境风速敏感，施工时应有防风棚等防风措施。

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    (2) 自动外焊机

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    管道局生产的PAW-2000型外焊机,如图2所示，其特点是焊接熔深均匀，能够焊接的坡口宽度较大，但通常要求坡口角度大于13°，以避免因焊接电弧

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图2 PAW-2000型外焊机

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    与母材接触面较小而导致的坡口边缘未熔合。与中国石油天然气集团公司工程研究院生产的APW-Ⅱ型自动外焊机功能相近。【3】

    英国NOREAST公司生产的自动外焊机，加拿大RMS公司生产的MOW-1型自动外焊机和美国CRC公司M-300型自动外焊机等，其特点是易于实现5－8°的小坡口角度的焊接操作，坡口面熔合良好，但焊接熔深不均匀，能够焊接的坡口宽度通常不超过10mm，否则在仰焊部位难以保证焊缝成型。

    意大利PWT公司生产的CWS.02NRT型自动外焊机等,其特点是焊接熔深均匀，能够焊接的坡口宽度较大，且易于实现5－8°的小坡口角度的焊接操作，坡口面熔合良好。

    5．焊接工艺

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    5.1 焊接接头坡口形式

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    管道焊接施工通常采用的坡口型式为API标准30°V型坡口，适合手工焊。但对于大口径、厚壁钢管来说，这样的焊接接头坡口型式填充金属量大，劳动强度高，且不适合于自动焊的焊接，通常半自动焊用23°V型坡口，自动焊用窄间隙复合坡口型式。

    5.2 预热与层间温度

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    预热的目的是通过减缓母材的应力状态和降低根焊道的冷却速度来防止根部冷裂纹。管道焊接施工的预热温度范围应考虑母材的强度、组织性能变化规律、管径和壁厚，以及焊接材料的含氢量等因素。对于厚壁钢管的多层焊，还要考虑控制焊道层间温度来控制近缝区的冷却速度。层间温度一般与预热温度相近。在避免近缝区过热的前提下，较高的层间温度可防止多层焊时冷裂纹的产生。

    5.3 焊接线能量

    焊接线能量的确定需综合考虑母材成分、焊接材料类型、对药皮（药芯、焊剂）的冶金反应和保护气体保护效果的影响、焊前预热状况、层间温度控制情况、管子规格、焊丝（条）直径、热影响区的脆化和软化倾向、所希望的组织和力学性能，以及施焊位置、焊接道次、每道焊层厚度、焊缝成型和熔滴的过渡形式等因素。

    5.4 后热处理及热处理

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    管线焊接施工一般不进行焊后的后热处理和热处理。但对于在高寒地区施工时，当焊前预热和层间温度控制难以起更大作用时，有必要对焊接接头采取一定的后热和热处理措施，保证焊接接头的组织和性能。

    5.5 其它

    在管道焊接施工过程中应考虑到高强度、大壁厚钢管所承受的外部应力作用带来的影响。同时应考虑环境温度、环境湿度和环境风速对不同焊接方法的影响，采取必要的措施保证焊接质量。

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    6. 展望

    前面介绍了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，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，国内奥太、时代焊机有了大面积应用，但是目前还不能象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。

    随着国内X80管线钢在冀宁管道的成功焊接，更高级管线钢X100和X120不久也将应用在国内管道建设上。管线钢级的提高，必然对焊接技术的要求越来越高，尤其是对焊接材料和焊接设备的性能要求，因此国内在焊接技术方面还有很大的提升空间，对焊接材料和设备的需求也会进一步增加。【MechNet】