油氣輸送管道焊接技術問題與探討

崔 勇 張伯瑩

（1、中海油能源發展股份有限公司惠州石化分公司，廣東 惠州 516086；2、中海石油技術檢測有限公司，天津 300452）

1.引言

我國油氣輸送管道建設經過幾十年的發展已逐步過渡到現在機械化的時代。以“西氣東輸”工程為標志，說明我國油氣管道建設已進入蓬勃發展的新時期。近年來，由于國民經濟發展，我國對石油和天然氣的需求急劇增加，全國輸送油氣主干線和地區網絡分輸線的總長度將達到l0萬公里，而傳統焊接方法和焊接工作量的加大，直接影響了管道建設的速度和質量。油氣管道焊接工藝從手工上向焊，到手工下向焊到目前普遍采用的手工半自動焊，經過了相當長的發展過程。隨著中俄等過境管線的規劃實施與國外公司的競爭等，都對我們傳統的管道施工技術提出了挑戰。因此，盡快提高我們的管道焊接技術水平就是擺在我們面前的新課題。本文對此進行了初步的分析與探討。

2 國內外油氣管道焊接技術發展

國際上油氣輸送管道焊接施工以自動焊接為主，焊條電弧焊為輔。代表性的油氣輸送管道自動焊設備及工藝為美國的CRC-EVANS技術，和俄羅斯光對焊技術。美國CRC公司研制的CRC多頭氣體保護管道自動焊接系統，焊接方法為實心焊絲熔化極氣保護焊和藥芯焊絲熔化極氣保護焊。法國等國也都研究應用了類似的管道內外自動焊技術，該項技術已成為當今世界大口徑管道自動焊技術的主流。前蘇聯研制的管道閃光對焊機，焊接方法為電阻焊。這種工藝機組龐大，耗電量高，焊接效率高。受經濟和技術條件的制約該項焊接技術已經不再被采用。

我國油氣輸送管道環焊縫焊接技術在七十年代采用傳統焊接方法，上向焊的低氫型焊條電弧焊工藝，該方法的特點是管口組對間隙較大。焊接過程中采用斷弧操作法完成，焊接效率低，焊接質量較差。八十年代推廣采用纖維素型焊條和低氫型焊條下向焊。該方法的特點是管口組對間隙小，焊接過程中采用大電流、多層、快速焊的操作方法來完成。焊層厚度薄，焊接效率高，并且通過對前面焊層的熱處理可提高環焊接頭的力學性能。焊條電弧焊具有靈活簡便、適應性強等特點。同時由于焊條工藝性能的不斷改進，其熔敷效率仍能滿足當今管道建設的需要，在很多場合下是自動焊方法所不能代替的。九十年代應用自保護藥芯焊絲半自動焊工藝，該方法的特點是熔敷效率高，焊工易掌握，對施工環境的適應能力強，如今隨著油氣輸送管道建設用鋼管強度提高，在油氣輸送管道焊接施工過程中逐漸開始應用熔化極氣體保護自動焊工藝。該方法的特點是焊接過程受人為因素影響小，焊接效率高，對于惡劣的氣候條件下的油氣輸送管道建設具有很大的潛力，現在正在逐步推廣使用。

3.油氣輸送鋼管焊接問題分析與展望

隨著油氣輸送管道鋼級的提高，在油氣輸送管道焊接過程中面臨著一些新的問題，首先是油氣輸送管道鋼的屈強比增加。隨著油氣輸送管道鋼強度的提高，屈強比增加，高屈強比表明鋼的應變硬化能力降低，使管線抗側向彎曲能力降低，因而管線在土質不穩定區的不安全性增大。這對現場油氣輸送管道環焊接頭的焊接工藝和性能提出了與以往不同的要求，如要求焊接接頭具有高強匹配、更高的低溫沖擊韌性等性能。還有就是HAZ軟化現象。油氣輸送管道焊接過程中，由于焊后冷卻速度低于軋制冷卻期間的冷卻速度，晶粒長大及微合金元素形成的第二相質點溶解使得高等級的油氣輸送管道鋼的HAZ軟化。尤其是X80及以上級別油氣輸送管線鋼比較明顯，這對焊接工藝施工提出了較高的要求，要注意嚴格控制焊前預熱溫度，控制焊接熱輸入量在較小范圍內。其次是油氣輸送管道焊接接頭與母材性能匹配問題。油氣輸送管道鋼是低碳微合金控軋及加速冷卻的產物，有較高的力學性能，而焊縫是由電弧熔化凝固的“鑄態”組織，其強韌性匹配關系較差，要與母材等韌是相當困難的。最后就是現場焊接工作在地質條件復雜的油氣輸送管道設計時，一般都要求焊接接頭的強度比鋼管的屈服強度高5%～10%。此時，當油氣輸送管道承受外界負載時，環焊接頭僅是彈性應變，可避免在焊接接頭發生應力集中而斷裂。如果不能保證環焊接頭對管體的高強匹配，出現了低強匹配的情況，則環焊接頭往往因為是應力集中部位而導致管線的早期破壞。通過大量試驗表明，隨著油氣輸送管道鋼強度級別的提高，環焊接頭實現高強匹配變得困難。另外，根焊的焊接技術也成為制約焊接質量的關鍵因素。要能夠有效避免焊接裂紋和熔合不良，保證根部焊接質量和高的焊接效率。

焊接在油氣管道建設中施工作業點隨著施工進度而不斷遷移，與工廠產品生產相比，增加了施工管理、安全管理等方面的難度，還有就是不同區域施工。一條油氣輸送管道可能會遇到多種地形地貌、多種人文社會環境，并且油氣管道的焊接都是在野外自然環境中進行的，受天氣因素影響很大，現場焊接施工時，需要根據不同的情況選擇相適應的焊接方法，以保證焊接質量和施工效率。目前國內在油氣輸送管道焊接材料、方法、工藝和設備等應用方面與國外的技術差距越來越小，自動焊技術已基本普及應用。但是國內的焊接材料多滿足于手工焊，而自動焊絲和半自動焊材自主研發、生產不足，相當一部分還需要進口。用于打底的自動根焊電源國內還沒有生產。因此，國內在油氣輸送管道焊接技術方面還有很大的提升空間，油氣輸送管道焊接用戶對焊接材料和設備的需求也會進一步增加。

4.結語

總之，隨著國家能源戰略儲備的開工建設，我國大型油氣輸送管道建設將大幅增加，對油氣輸送管道施工和建設將面臨更大挑戰，油氣輸送管道焊接的現場情況復雜，影響焊接質量的因素很多，未來的油氣輸送管道建設，為獲得施工的高效率和高質量，數字化、自動化、智能化控制將是油氣輸送管道焊接的重要發展趨勢。我們需要積極研制開發焊接新技術工藝設備，為未來的油氣輸送管道建設做準備。

[1]史耀武.嚴酷條件下的焊接技術.北京：機械工業出版社，2000，1～3.

[2]曲文卿.油氣管道缺陷評定方法的進展.油氣儲運，2002，21（7）,3～8.

[3]馬良.海洋油氣管道工程.北京：海洋出版社，1987，1～30.

[4]曲文卿，張鵬等.石油天然氣輸送管道底缺陷評定方法及應用.焊管，2002，25（2）：1～6.