蘭州-成都原油管道工程第三標段關鍵焊接技術

張龍

1. 項目概況及焊接特點

由我公司承建的蘭州-成都原油管道工程第3標段線路全長318.81km，管徑610mm，材質X65。管道設計壓力為8~13.4MPa，設計輸量1 000×104t/a。線路沿線設工藝站場3座，閥室18座，穿越公路33處、鐵路6處，穿越大中型河流18處，大型跨越1座，山體隧道5處，工程概況如圖1所示。

線路施工所處四川境內，自然災害特別是洪澇災害頻繁，易對施工造成不良影響。線路長、專業多、施工作業機組分散，管理、協調難度大。山區地形復雜，管溝開挖、布管、組對、施焊等施工條件及外部環境極其惡劣。受運輸條件的限制，部分大型設備需現場組焊，焊接難度大于工廠組焊。站場焊接的鋼種、規格多，建設完成的站場如圖2所示。

2. 關鍵焊接工藝及焊接新技術

圖1 工程概況

圖2 已建成的站場

（1）金口焊接技術 采用優化的上向焊分段清除點焊的焊接工藝，將對口錯邊量嚴格控制在3mm內。采用外對口器對口，避免強力組對，將相鄰制管焊縫在對口處錯開≥100mm的距離。使其在組對應力最小情況下，確保一次根部焊縫完全熔透，保證了金口焊接一次合格率達100%。

根據焊接工藝評定，工程技術人員設計焊接接頭坡口形式為V形，如圖3所示。

焊接時，要求每層由兩名焊工同時焊接。根焊結束與熱焊開始時間間隔應控制在10min內。根焊設備為具有陡降外特性的直流焊接電源，填充蓋面設備為具有平外特性的直流焊接電源配相應送絲機。焊接參數如表1所示。

（2）專業化連頭工藝技術 針對連頭焊接中易產生氣孔、未熔合及未焊透等，運用機械半自動切割機在現場冷切割管段，以減少焊接組對過程中的管材變形。該設備連頭坡口管端切斜最大不超過3°，如圖4所示，符合焊接工藝規程要求。

對于連頭焊口處管材壁厚變化，優化設計加工內坡口，增加焊口組對成功率；對于不同壁厚連頭焊口又設定了如表2所示的標準化施焊層數，每層焊道的厚度控制在3mm，不等壁厚管道坡口對接形式如圖5所示。通過上述各項措施的落實、監控，進一步提高了焊接一次合格率。

圖3 坡口形式

圖4 管端切斜示意注：1為切斜量。

（3）山區大坡度管道焊接質量和效率控制技術 采取了“搭設人工組焊預制平臺”、“二接一”及“索道布管”等深度預制工藝，如圖6所示。通過不同坡度的焊接參數、工序、運弧手法的優化，保證了不同陡坡下的焊縫焊接質量。

（4）山區復雜地形的溝下焊接操作防護技術 為滿足復雜環境的安全施工，開發了具有適用于不同管徑、復雜地形、便于拆卸、組裝、運輸以及兼具焊接防風功能的防塌棚，該工裝在焊接過程中能有效保護溝下焊焊工人身安全，如圖7所示。

（5）基于管材性質和結構完整性的分析評估技術 針對地震斷裂帶管道穿越的特點，研究了不同塑性變形時的極限承壓能力、應力分布特性，建立了容許應變模型，可分析計算管材和焊接接頭的安全性，如圖8所示。

表1 焊接參數

表2 不同壁厚標準化的施焊層數

圖5 不等壁厚管道坡口對接形式

圖6 指力溝索道布管及搭設的組焊平臺

圖7 防塌棚現場搬運、組裝

（6）焊接運布管設備的技術研發 因蘭成線3標段工程山區路段多，大多數道路無法通行大型運輸車輛，主要采用了四輪改裝炮車進行鋼管運輸，該設備動力強勁，可適應地形較多，能滿足于在山區多轉彎地段上行駛的要求。繼續改進完善隧道已有布管工裝設備的組合，研發了先進水平的隧道半自動龍門吊裝設備，如圖9所示。極大地提高了隧道內管道安裝的機械化流水作業程度，提高了有限空間作業施工工效。

自主研發的全回轉山地布管機、帶折疊副臂的履帶運管車、挖掘機抓管器等機械化專用設備，成功解決了山區復雜地形管道運布管難題，如圖10所示。

圖8 模擬的變形管材內應力分布

（7）新型穿跨越施工技術針對白龍江、石亭江等斷裂地層、河流沖溝復雜地質的管道穿跨越，研發了預應力施工、跨越橋身非對稱安裝、“人造巖體”隔離、砂卵石地層定向鉆等系列配套技術，保障了復雜地形及地質條件下穿跨越的順利實施，降低了季節、外部環境變化對焊接作業造成的不利影響，保證了焊接質量和施工工期，如圖11所示。

圖9 改裝的運管炮車和半自動龍門吊裝設備

圖10 研制的山地布管機和挖掘機抓管器

圖11

（8）地質災害防御與治理技術 通過對復雜地質主要災害的研究，采取“先治理，后組焊施工”的科學方式，建立了一套完善的針對地質災害特點的防御體系，有效消除了地質災害高危地段的安全隱患，為管道組焊安裝創造了良好外部條件，確保了管道施工及運營安全。

3. 焊接設備應用情況

本工程中焊接工作量占工程安裝的47%。為保證焊接質量，結合工程地形實際情況，施工中主要采用預制化、裝配化、機械化相結合的方式組織施工。

施工高峰期現場投入16個焊接作業隊、36個焊接機組，焊機、移動電站等焊接主要機具242臺套。打底根焊、半自動填蓋均采用2人對稱焊接形式，使得施工操作符合焊接工藝規程要求，確保了焊接施工質量。

主要選用國產熊谷低能耗數字化焊接設備用于焊條電弧焊和藥芯半自動焊接。

此外，還針對冬季山區高海拔地區大風和雨霧天氣，當大氣相對濕度＞90%、環境溫度＜5℃、風速＞2m/s時，設置防護棚，以滿足施焊環境要求。管道焊接設置防護棚，設備焊接在設備周圍設置防護棚，如圖12所示。

4. 焊接材料應用情況

針對所處的地理位置和環境條件，本工程線路施工主要選用了焊條電弧焊根焊+焊絲半自動焊填充蓋面進行管線全位置下向焊的焊接工藝。線路焊接選用焊材根焊為φ4.0mm、E6010伯樂焊條，填充、蓋面為φ2.0mm、E71T8—Ni1 HOBART焊絲。用于線路X65和站場L415、L360及L245等材料的根焊打底和填充蓋面，管徑適用于φ159~φ610mm、壁厚7.9~24mm。

5. 結語

我公司在施工過程中，大力推廣應用山區大坡度管道焊接效率控制技術、金口焊接技術及專業化連頭工藝技術等多項新技術、新工藝，采取線路優化改線、減少作業帶寬度、加強對水土保持的監控等節能環保措施的綜合治理和落實，縮短了組焊施工工期，節約了管線鋼材使用，減少了工程投資及施工費用，取得了較好的經濟效益和社會效益。該工程于2013年12月按期順利投產，至今安全平穩運行。

圖12 在防護棚內焊接管道