油氣管道焊接技術發展與應用

摘要:本文論述了現場焊接的特點，管道施工焊接方法，對西氣東輸管道工程中應用的焊接方法進行了闡述，對提高油氣管道焊接技術提供了指導意義。

關鍵詞:油氣管道；焊接技術；特點；焊接方法

我國的油氣資源大部分分布在東北和西北地區，而消費市場絕大部分在東南沿海和中南部的大中城市等人口密集地區，這種產銷市場的嚴重分離使油氣產品的輸送成為油氣資源開發和利用的最大障礙。管輸是突破這一障礙的最佳手段，與鐵路運輸相比，管道運輸是運量大、安全性更高、更經濟的油氣產品輸送方式，其建設投資為鐵路的一半，運輸成本更只有三分之一。

1 焊接材料及焊接設備

管道焊接施工中采用的焊接材料有纖維素型焊條、低氫型焊條、自保護藥芯焊絲和CO2氣保護實芯焊絲。纖維素型下向焊條的藥皮中含有30%-50%的有機物，具有極強的造氣功能，在保護電弧和熔池的同時增加了電弧吹力，適合于全位置單面焊雙面成型。低氫型下向焊條的藥皮中含有鐵粉，可增加熔敷效率，提高焊接接頭力學性能，適用于山區、水網等地形復雜或焊接自動化程度要求不高的場合。自保護藥芯焊絲由藥芯高溫分解釋放出的大量氣體對電弧及熔池進行保護，同時通過熔渣對熔池及凝固焊縫金屬進行保護，是管道施工的一種重要的焊接材料。CO2氣保護實芯焊絲主要用于STT半自動焊和全位置自動焊。

過去管道焊接施工中采用的纖維素型焊條和低氫型焊條主要依靠進口，如美國LINCOLN焊材，奧地利BOHLER焊材，瑞典ESAB焊材，日本KOBE焊材，法國SAF焊材，以及美國HOBART焊材等，目前四川大西洋、天津金橋等公司也相繼開發了管道下向焊用纖維素型焊條焊條。管道施工中采用的自保護藥芯焊絲主要為美國LINCOLN和HOBART的產品。適合的CO2氣保護實心焊絲主要來源于臺灣錦泰，四川大西洋，法國SAF，日本神鋼、助友等焊材生產廠家。

使用一般的直流焊機進行纖維素型焊條焊接，在小電流時易出現斷弧、粘條、電弧不穩等問題。低氫型焊條對弧焊設備的要求較低，一般的直流弧焊設備即可滿足要求。管道施工中手工電弧焊可供選擇的焊機有美國LINCOLN公司的DC-400，美國MILLER公司的XMT-304，北京時代集團公司的ZX7-400B，濟南奧太公司的ZX7-400ST等。

2 焊接工藝

2.1 現場焊接的特點?，F場焊接時，采用對口器進行管口組對。為了提高效率，一般是在對好的管口下放置基礎梁木或土堆，在對前一個對接口進行焊接的同時，開始下一個對接準備工作。這將產生較大的附加應力。同時由于鋼管熱脹冷縮的影響，在碰死口時最容易因附加應力而出問題。 現場焊接位置為管水平固定或傾斜固定對接，包括平焊、立焊、仰焊、橫焊等焊接位置。所以對焊工的操作技術提出了更高、更嚴的要求。 當今管道工業要求管道有較高的輸送壓力和較大的管線直徑并保證其安全運行。為適應管線鋼的高強化、高韌化、管徑的大型化和管壁的厚壁化出現了多種焊接方法、焊接材料和焊接工藝。

2.2 管道施工焊接方法。國外管道焊接施工經歷了手工焊和自動焊的發展歷程。手工焊主要為纖維素焊條下向焊和低氫焊條下向焊。在管道自動焊方面，有前蘇聯研制的管道閃光對焊機，其在前蘇聯時期累計焊接大口徑管道數萬公里。它的顯著特點就是效率高，對環境的適應能力很強。美國CRC公司研制的CRC多頭氣體保護管道自動焊接系統，由管端坡口機、內對口器與內焊機組合系統、外焊機三大部分組成。到目前為止，已在世界范圍內累計焊接管道長度超過34000km。法國、前蘇聯等其他國家也都研究應用了類似的管道內外自動焊技術，此種技術方向已成為當今世界大口徑管道自動焊技術主流。

我國鋼質管道環縫焊接技術經歷了幾次大的變革，七十年代采用傳統焊接方法，低氫型焊條手工電弧焊上向焊技術，八十年代推廣手工電弧焊下向焊技術，為纖維素焊條和低氫型焊條下向焊，九十年代應用自保護藥芯焊絲半自動焊技術，到今天開始全面推廣全位置自動焊技術。

手工電弧焊包括纖維素焊條和低氫焊條的應用。手工電弧焊上向焊技術是我國以往管道施工中的主要焊接方法，其特點為管口組對間隙較大，焊接過程中采用息弧操作法完成，每層焊層厚度較大，焊接效率低。手工電弧焊下向焊是八十年代從國外引進的焊接技術，其特點為管口組對間隙小，焊接過程中采用大電流、多層、快速焊的操作方法來完成，適合于流水作業，焊接效率較高。由于每層焊層厚度較薄，通過后面焊層對前面焊層的熱處理作用可提高環焊接頭的韌性。手工電弧焊方法靈活簡便、適應性強，其下向焊和上向焊兩種方法的有機結合及纖維素焊條良好的根焊適應性在很多場合下仍是自動焊方法所不能代替的。

自保護藥芯焊絲半自動焊技術是20世紀90年代開始應用到管道施工中的，主要用來填充和蓋面。其特點為熔敷效率高，全位置成形好，環境適應能力強，焊工易于掌握，是目前管道施工的一種重要焊接工藝方法。

隨著管道建設用鋼管強度等級的提高，管徑和壁厚的增大，在管道施工中逐漸開始應用自動焊技術。管道自動焊技術由于焊接效率高，勞動強度小，焊接過程受人為因素影響小等優勢，在大口徑、厚壁管道建設的應用中具有很大潛力。但我國的管道自動焊接技術正處于起步階段，根部自動焊問題尚未解決，管端坡口整形機等配套設施尚未成熟，這些都限制了自動焊技術的大規模應用。

目前自動焊根焊主要采用STT半自動焊。STT半自動焊屬于CO2氣體保護焊，它是通過精確的基值和峰值電流和電壓控制，使熔滴過渡更利于成型，焊接過程穩定，解決了飛濺問題和大口徑管道根部焊環節單面焊雙面成型的難題。

2.3 西氣東輸管道工程中應用的焊接方法。由于西氣東輸線路工程用鋼管的強度等級較高，管徑和壁厚較大，所以線路施工以自動焊和半自動焊為主，手工焊為輔。所涉及的主要焊接方法有熔化極氣體保護電弧焊（GTAW），自保護藥芯焊絲電弧焊（FCAW）和手工電弧焊（SMAW）。

自動焊方法包括：①內焊機根部焊+自動外焊機填充、蓋面；②STT氣保護半自動焊部根焊+自動外焊機填充、蓋面；③纖維素焊條手工電弧焊根部焊+外焊機自動焊填充、蓋面。這幾種焊接方法的區別在于根部焊方法的不同。

針對管道局自動外焊機PAW-2000、英國自動外焊機NOREAST，集團公司工程技術研究院自動外焊機APW-Ⅱ分別進行了焊接工藝性能試驗。試驗結果表明，對于大口徑、厚壁鋼管，采用自動焊的方法焊接具有十分明顯的優勢，勞動強度大大降低，焊接效率顯著提高。試驗還表明，自動外焊技術對坡口形狀及管口組對要求嚴格，現場施工必須具備內對口器、管端坡口整形機等配套機具。另外，采用手工焊或半自動焊方法進行根部焊時，由于管口組對間隙不同造成坡口形狀、尺寸不一致，自動外焊機填充、蓋面時就極易形成坡口邊緣未熔合，從而制約了自動外焊機優勢的發揮。

3 結束語

隨著管線鋼性能的不斷提高，管道建設越來越趨于向長距離，高工作壓力，大口徑、厚壁化方向發展，這就需要研發高質量的焊接材料和高效率的焊接方法與之匹配，保證環焊接頭的強韌性。未來的管道建設，為獲得施工的高效率和高質量，將優先考慮熔化極氣體保護焊。而自保護藥芯焊絲半自動焊與手工電弧焊相結合，由于操作靈活，環境適應性強，一次性投資小，對于大直徑、大壁厚鋼管是一種好的焊接工藝。

參考文獻

［1］ 楊大慶; 侯鐸; 劉輝 油氣集輸管線焊接質量安全評價［J］天然氣工業 2010-11-25.

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