管道施工焊接的技术现状.doc

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管道施工焊接的技术现状

一、概述
铁路、公路、航空、水运与管道运输统称为五大运输业。管道运输是最为经济、简单的一种运输方式，特别是对于石油、成品油、天然气、矿浆和水等流体来说更为有效，其特点是经济、安全和不间断输送。由于管线运输具有运量大、距离长、成本低和安全性高等优点，因而在国际上得到迅速的发展。目前，全世界石油、天然气管道的总长度已超过230×104km，并以每年3％的速度增加。石油天然气工业的这种巨大市场，有利地促进了管线钢、焊接材料、焊接工艺及焊接设备的发展。据悉，世界范围内将建设数百条油气长输管线，长距离高压矿浆管道和大口径输入管道也迅速增加
从最初的工业管道至今，油气管线建设经历了一个多世纪的发展。早期建设的管线，离中心城市较近，地理环境和社会依托条件都较优越。如今新发现的油田大都在边远地区或地理条件恶劣的地带，如美国的普鲁德霍湾、欧洲的北海油田、俄罗斯的西伯利亚以及我国的西部油气田等。随着海上油田、极地油气田的开发，高压矿浆管道和大口径输水管道，对新时期的管道建设提出了更高的要求。
目前，管道工程的发展趋势具有如下特点：
（1）长距离、大口径、高压输送 由建立在流体力学基础上的设计计算可知，原油管道单位时间输送量与输送压力梯度的平方根成正比，与略大于管道直径的平方成正比。因此加大管道直径、提高管道工作压力是提高管道输送量的有力措施，同时也是管线的基本发展方向。随着管道输送压力的提高，输送用钢管也相应地迅速向高钢级发展，从X52、X60、X65到X70、X80，甚至更高级另的X100和X120。高压输送和高钢级钢管的采用，可使管道建设成本大大降低，而且管道建成后运营的经济效益更加优异。根据加拿大的统计分析，每提高一个级别，就可减少建设成本7％。但由于作用在管壁上的应力与钢管直径和内压成正比，因此管和内压的啬要求壁厚和钢的强度增大。而壁厚和钢强度级别的增大，会导致管线钢出现断裂的几率增加，因此要求管线钢必须具有高的韧性储备。
（2）高寒和腐蚀的服役环境 由于全世界对能源的需求不断增加，人们正在偏远地区寻找和开发新的油田。与此相配套的管道多是在气候恶劣、人烟稀少、地质地貌条件极其复杂的地区建设。如美国横穿阿拉斯加的管道，途经冻土地区，气温低达－70℃。前苏联1985年所建的西西伯利亚－63℃，积雪70～90cm，在全长4451km的线路中，有959km 通过沼泽，794km通过水障碍。目前，我国管道局在俄罗斯建设的远东输气管道，施工环境气温也常在－20～－60℃之间。我国建设的西气东输和已开始建设的西气东输二线，沿途要经过大片沙漠、戈壁高原、碱滩和沼泽地、地震活动断层和大落差地带。一些地区昼夜温差变化10～20℃，最大可达30℃；冬季最低温度－34℃夏季地表最高温度可以达到70～80℃。这些严酷的地域、气候条件不但给长输管线的施工造成困难，而且对管线钢的性能、尤其是管线钢的低温韧性和韧脆转变特性提出了更高的要求。
二、我国管道建设概况
近几年，我国管道建设发展非常迅速。在管线的建设施工中，环焊缝焊接方法从传统的手工焊、管道下向手工焊、半自动下向焊到现在的全自动焊，管线的钢级从Q235、16Mn、L290（X42）、L360（X52）、L415（X60）、L450（X65）和L485（X70）提高到目前的L550（X80），直径从200mm增加到1219mm，水管线直径已超过2000mm，壁厚从6mm增加到30mm，输送压力从4MPa增加到15MPa。从20世纪50年代建成的克－独100多km原油管线到现在已建成的原油管线上万公里、天然气管线近万公里、成品油管线数千公司、矿浆管线数百公里及海底管线百公司。近几年建成管线，全国已达4万多km。如涩－宁－兰、兰－成－渝、忠－武、西气东输－线、涌－沪－宁、西部管道、港－枣和陕京复线等大型管道。计划今后几年中，西气东输三线、西气东输四线等管道工程将陆续开工，将建管线2万多km。

西气东输一线管道工程是“十五”期间国家规划的特大型基础建设项目，管道横贯我国东西，主干管道全长3900km，输气规模为年输商品气170亿m3，输送压力为10.0MPa，管径为1016mm，全线采用X70级钢管，现已全线投产正常运行。已建成的西南成品油管道，管径508mm，全长2000多km，现也投产正常运行。2006年开建的川气东送天然气管线，主干管道2000多km，输送压力为10.0MPa，管径1016mm，全线采用X70级管线钢。2007年开工的兰－郑－长成品油管线是我国距离最长（3000多km）、口径最大（610mm）的成品油管线。
2008年2月22日已正式形式开工的西气东输二线管道工程是“十一五”期间国家规划的特大型基础建设和能源通道建设项目，中央非常重视。2008年2月22日开工仪式在北京隆重举行，国家主席胡锦涛同志向大会发来贺信、总理温家宝同志在开工仪式大会上向西气东输二线开工做了批示，副总理曾培炎同志到会作了重要讲话，国家发改委主任马凯同志参加了会议并讲话，中国石油天然气集团公司总经理蒋洁敏同志向大会汇报了西气东输二线的开工准备工作，中国石油天然气管道局局长苏士峰向党中央国务院和全国人发承诺要把西气东输二线工程建设成为国际一流的管道工程。
西气东输二线管道工程是我国距离最长（上万多公里）、口径最大（1219mm）、管线钢级最高（X80）、压力最大（12MPa）、站场最多及多级加压，以及采用先进钢材的世界级的天然气干线管道。西气东输二线管道工程已经成为西部大开发的标志性工程，成为我国石油天然气工业发展史上的又一座重要里程碑，西气东输二线管道工程将作为我国进入新世纪后的又一个重大建设项目而载入史册。
西气东输两条线的建成，极大地缓和了南方和沿线城市、尤其是长江和珠海三角洲地区的能源需求。随着经济的发展，更多的用户认识到洁净能源的优势，对天然气的需求越来越大。
三、我国管道焊接方法现状
随着管道工程建设技术的不断迅速发展，管线建设和运行对安全性、经济性、管线钢的质量参数、焊接质量、焊接效率和焊接技术水平都提出了更高的要求，同时，推动了焊接材料、焊接设备和焊接技术的发展，也推动了焊接工艺和焊接方法的更新和发展。
1．焊接技术在管道和管道站场的应用
（1）传统的焊条上向焊法，由于焊接速度慢，焊接质量低已不适宜在大口径长输管道的建设中应用，主要在站场建设中采用。
（2）氩弧焊焊接质量优异，焊后管内焊渣少，清洁度高，但由于焊接速度慢，抗风能力差，不适宜在野外大口径长输管道施工中应用，而适宜在固定场所的站场建设中采用。
（3）20世纪70年代初，中国石油天然气管道局引进了欧美的焊条下向焊工艺，并逐步推广到大部分管道施工企业。
（4）20世纪80年代，中国石油天然气管道局又引进了半自动下向焊工艺，这种工艺焊接速度快，效率高，抗风能力强，适宜在野外大口径长输管道施工中应用，并逐步推广到大部分管道施工企业。
（5）20世纪90年代，管道工程建设开始大面积采用了管道半自动焊接方法。到目前为止，管道半自动焊仍是长输管道施工中最主要的焊接工艺。同时，90年代也开展了管道自动焊接的研究。
（6）21世纪西气东输管道工程成功地采用了管道自动焊方法，大大提高了焊接质量和效率，但管道自动焊的配套设备内焊机、外焊机、坡口机对环境和钢管要求都非常苛刻。近期，中国石油管道科学研究院和一些国外公司分别研究出了环境适应性很强的管道自动焊成套设备，在印度和俄罗斯管道工程中应用效果良好。同时，我国大型钢铁生产企业也研制出了高强度级别的管线钢，大大提高了管道自动焊水平。
2．管道主线路焊接方法及工艺
（1）纤维素下向焊 纤维素下向焊是目前主线路中主要的根焊方法。其显著特点是根焊适应性强，速度快，工人容易掌握，射线探伤合格率高，普遍用于混合焊接工艺的根焊。该工艺的特点：有较大的熔透能力和优异的填充间隙性能，对管子的对口间隙要求不很严格，焊缝背面成形好，气孔敏感性小，容易获得高质量的焊缝。但由于焊条熔敷金属扩散氢含量高，焊接时应注意预热温度和层间温度的控制，以防止冷裂纹的产生。
（2）低氢下向焊 低氢下向焊的显著特点是焊缝质量好，适合于焊接较为重要的部件，工人掌握的难度较大，根焊适应性较纤维素焊条差，多用于进行填充盖面焊接。
（3）药芯焊丝半自动焊 90年代初，中油管道局从美国引进了自保护半自动焊设备和工艺。经过培训，将该工艺于1995年首次在突尼斯工程中应用，在以后的库鄯线、鄯乌线、苏丹工程及涩宁兰、兰成瀹等管道工程中是主要的焊接方法。其焊接合格率按焊缝口统计，可以达到95％以上。其优点是连续送丝、生产效率高、焊接质量好，特别是自保护药芯焊丝的焊接工艺性能优良，电弧稳定，成形美观，能实现全位置（下向）焊接，抗风能力强，尤其适于野外施工。目前，是管道焊接施工的主要方法。
（4）STT根焊 STT焊机是通过表面张力控制熔滴短路过渡的STT焊接工艺，以柔和的电弧、极小的飞溅、良好的焊缝背面成形、焊后不用清渣及使用纯CO2气体和实芯焊丝为主要特点，是根焊的优良焊接方法。
（5）自动焊 在西气东输工程中，全自动气体保护焊工艺的使用已经日趋成熟。CO2气体保护短路过渡焊以其小电流、低电压、细直径实芯焊丝、短路过渡为主要特点，下向焊时熔池体积小、可实现全位置焊接，可分为：焊条电弧焊（根焊） 外焊机、STT（根焊） 外焊机、外焊机、内焊机（根焊） 外焊机，以及内焊机（根焊） 单焊枪热焊外焊机 双焊枪填、盖焊外焊机等方法。
由于组对间隙、钝边及错边量等对口条件较高，因此对管子质量和坡口加工要求较高，在钢管制造运输时要求严格，坡口加工一般在现场进行。
（6）埋弧焊双联管技术 在西方国家，如：中东、俄罗斯已经普遍应用。在克拉斯诺达尔输油管道中应用该技术，大大减少了现场工作量，在中油管道局承担的苏丹管道工程中曾尝试应用。埋弧焊双联管技术也准备在西气东输二线管道工程中应用。
3．管道站场焊接方法及工艺
西气东输管道站场是目前较为复杂的站场，以西气东输管道站场为例，其系统包括压气站、清管站和分输站等各类工艺站场、线路截断阀室多座，其设计方案及施工技术都已达到国际先进水平。该站场设计中应用到大量的不同材质和规格的管子。管壁从3mm到40mm、直径人34mm到1300mm、管材屈服强度从200MPa到485MPa，并涉及到大量异种钢接头、变壁厚管壁的连接。其中，包括API 5L系列中的X70钢、X65、X60、X52和B级钢；GB/T 9711系列中的L485、L415、L360和L245；MSS SP－75系列中的WPHY70、WPHY60和WPHY52；还有16Mn、16MnR、16MnDⅢ、20钢、20MnMoD、Q235B、15MnMoNbR、CF－62、ASTM A216Cr WCC、ASTM A105、ASTM A694 F52、ASTM A333 Gr6、ASTM A350 LF2、LCC以及EH36等多种规格，是迄今为止在我国管道建设中应用的最大壁厚的钢管和最多种类材料的工程。在制定焊接工艺的过程中，既要保证焊接质量，又要考虑到施工方便及施工中遇到的各种因素。目前，中国石油管道焊接培训中心已经完成几十种焊接评定，有力地保证了施工的进行，该项目已获河北科技进步三等奖。
管道站场施工中采用的焊接方法主要有：
（1）焊条电弧焊 E6010 E5015 (E4315E5515)、E6010 E8010。
（2）氩弧焊 ER50－G。
（3）氩电联焊 ER50－G E5015 (E4315 E5515)。
（4）焊条电弧焊 药芯焊丝半自动焊 E6010 E71T8－Ni1。
（5）氩弧焊 药芯焊丝半自动焊 ER50－G E71T8－Ni1。
图1～图4是管道工程施工现场的部分剪影

四、X70管线钢的焊接
X70钢在西气东输中大量使用（在国内是第一次）。为了保证焊接质量，管道局进行了大量的研究工作，做出几十种焊接工艺评定，满足了各种施工需要。在印度和川气东送管道工程中大量使用了X70钢，干线主要焊接工艺有以下几种方案。
（1）焊条电弧焊工艺 采用LB52U（E6010）焊条根焊 E8010焊条热焊 E8018（E9018）填充盖面焊接。
（2）焊条电弧焊 药芯焊丝半自动焊工艺 采用LB52U（E6010）焊条根焊 E71T8－Ni1焊丝填充、盖面焊接。
（3）STT焊接 药芯焊丝半自动焊工艺 采用JM58焊丝根焊 E71T8－Ni1焊丝填充、盖面焊接。
（4）自动焊（焊条电弧焊 外时机）工艺 采用LB52U（E6010）根焊 ER70S－G焊丝使用PAW2000外焊机进行填充、盖面焊接。
（5）自动焊（STT 外焊机）工艺 采用ER70S－G焊丝根焊 ER70S－G焊丝使用PAW2000外焊机进行填充、盖面焊接。
（6）自动焊（内焊机 外焊机）工艺 采用ER70S－G焊丝，使用CRC或NOREAST内焊机进行根焊 ER70S－G焊丝，使用CRC、NOREAST外焊机或PAW2000外焊机进行填充、盖面焊接。
以上工艺在管道工程施工中得到了充分的运用。
五、X80管线钢焊接
高强度级别管线钢，一般指X80、X100和X120等。由于随着钢的强度级别的提高，在同样输气量的情况下，管材壁厚可以减小，从而可以节省用钢量。因此，可以减少管线建设的投资费用。通常管材费用点管线投资的25％～30％。有资料介绍，一条250km的输气管线，当输气量不变时，采用X80代替X70，由于壁厚减薄可节省钢材2万t，降低成本7％。
在国外采用X80管线钢建设了许多管线，比如在美国、德国和加拿大等欧美国家在陆上管线及海洋管线均有不少使用X80的业绩，X80钢管已经成功地得到了工程应用。此外，意大利SNAM公司使用Europipe公司生产的X80与X70进行了对比研究，认为X80的现场焊接可以采用与X70相近的施工工艺。
国内在采用X80管线钢建设管道工程方面，也做了许多研究和开发工作。中国石油天然气管道局为此专门立项，进行各项研究和评定试验，制定出验收规范，目前已经研究编制出了焊条电弧焊、半自动焊工艺和自动焊工艺，为西气东输二线管道工程全线开工奠定了良好的基础。
1．焊条电弧焊
（1）E7010 E8010（E9010） E9018。
（2）E7016 E9018。
（3）LB62U E10018。
2．STT 焊条电弧焊
ER70S－6 E10018。
3．半自动焊
（1）LB62U E81T8－Ni2（自保护半自动焊机）。
（2）ER70S－G焊丝（STT焊机） E81T8－Ni2（自保护半自动焊机）。
4．自动焊
（1）ER70S－G焊丝（PIW内焊机） 根焊 ER80S－G（ER90S－G）焊丝（PAW2000或PAW3000外焊机）填盖。
（2）ER70S－G焊丝（NOREAST内焊机） 根焊 ER80S－G（ER90S－G焊丝（NORESAST外焊机）填盖。
（3）ER70S－G焊丝（CRC外焊机） 根焊 ER80S－G（ER90S－G）焊丝（CRC外焊机）填盖。
（4）ER70S－G焊丝（PWT外焊机，见图5） 根焊 ER80S－G）焊丝（RMS外焊机）填盖。

六、焊接施工设备、装备及人员现状
近年来，国内国际和西气东输等管道工程的建设，培养了一大批管道施工企业和焊接施工人员，在施工设备、装备和施工能力、水平及质量方面得到了大大的提高，从管理人员、技术人员、质检人员到焊工，都得到了极大的锻炼，掌握了先进的管理方法、施工方法和各种焊接工艺，大大提高了整体施工素质，为保证工程质量打下良好基础。目前，我国无论从焊接工艺、焊接方法、焊接设备和焊接人员等各方面，都可以满足大型长输管线的建设需要。
七、有待进一步研究和开发的问题
“十一五”期间，我国将积极推进大炼油、大乙烯、大管道项目的建设，在国际工程建设上，原油和天然气作业产量、原油和天然气管输能力，也将有较大的发展，加之持续较高的投资强度，必将带动工程建设企业的加快发展，但以下问题还有待进一步研究和开发。
（1）高钢级管线钢的生产能力和质量的研究和开发。
（2）国产管道焊接材料的研究和开发。
（3）国产管道焊接设备的进一步研究和开发。
（4）恶劣环境焊接工艺的研究。

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